CN105600746A

CN105600746A - 一种制氢方法

Info

Publication number: CN105600746A
Application number: CN201410617084.3A
Authority: CN
Inventors: 刘祥林
Original assignee: HUNAN HIEND-PRODUCTS NEW MATERIALS Co Ltd
Current assignee: HUNAN HIEND-PRODUCTS NEW MATERIALS Co Ltd
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-25

Abstract

本发明提供了一种制氢方法。在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生产氮化镓发光二极管(GaN-LED)的过程中，一方面MOCVD设备需要大量的高纯氢气作为载气，另一方面MOCVD又会排放大量氨气(混有氢气、氮气以及杂质气体)。本发明所提供了一种制氢方法，就是将MOCVD设备排放的尾气先在500℃～1000℃下将氨气分解、过滤粉尘、加压，然后用变压吸附或者中空纤维膜分离技术将氢气分离出来，最后将氢气用分子筛技术、吸气剂技术等将气体纯化得到高纯氢气，为MOCVD设备使用。上述的制氢方法，既解决了MOCVD尾气排放造成环境污染问题，又解决了MOCVD设备所需要原料氢气问题，物质循环利用。该方法制作简单，设备成熟，制作成本低廉，宜于大规模生产。

Description

一种制氢方法

技术领域

本发明设计一种制氢方法，该方法可用于用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生产氮化镓发光二极管(GaN-LED)的过程中，属工业气体制备技术领域。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物已经成为一种重要的半导体材料，以GaN做成的发光二极管(LED)已经成为半导体照明的主要发展方向。

MOCVD是目前生产GaN-LED的唯一方法。在MOCVD生产GaN-LED的过程中，一方面MOCVD设备需要大量的高纯氢气作为载气，另一方面MOCVD设备又会排放大量尾气(废气)，尾气中主要有氨气、氢气、氮气以及其它杂质气体。

氢虽然在地壳中非常丰富，但氢通常以“水”的形式存在，地壳表面不存在单质氢气。目前电解水制氢是GaN-LED生产企业中普遍采用的方法。然而电解水制氢需要消耗大量电能，成本较高。

另外，MOCVD生产LED过程中，还会排放大量的尾气，尾气中含有氨气、氢气、氮气等。如果直接将这些废气排放，势必污染环境。目前常用的处理方法是：(1)水(或酸)吸收法。将尾气通入水(或酸溶液)中，尾气中的氨气被水或酸吸收。该方法虽然简单，被大多数GaN-LED生产企业采用，但如何处理氨水(或铵盐)也是一件很麻烦的事情。这只是将一个问题转移到另一个问题，但实质问题并没有最终解决；(2)高温分解法。将尾气通过600℃～900℃的高温炉中，其中氨气分解成氢气和氮气，然后排放到大气中。该方法最大的缺点就是能耗很高，成本较高，很少被GaN-LED企业采用；(3)焚烧法。将尾气与空气混合一起，加钯催化剂，在300℃～500℃温度下焚烧，将氨气分解，排放到大气中。该方法有一个致命的缺点，就是在焚烧过程中会产生氮氧化物及二恶英等有害物质，污染环境，很少被GaN-LED企业采用。

本发明提供了一种利用MOCVD尾气制氢的方法：(1)将MOCVD设备排放的尾气先在500℃～1000℃下将氨气分解、过滤粉尘、水冷、加压；(2)用变压吸附或者中空纤维膜分离技术将氢气分离出来；(3)用分子筛技术、吸气剂技术等将氢气纯化得到高纯氢气，做MOCVD原料气使用。该方法既解决了MOCVD尾气排放造成环境污染问题，又解决了MOCVD设备所需要原料氢气问题，物质循环利用，一举两得。该方法制作简单，设备成熟，制作成本低廉，宜于大规模生产，尤其适合大型的LED生产企业使用。

发明内容

一种利用MOCVD尾气做原料的制氢方法，包括以下过程：(1)高温分解。将MOCVD设备排放的尾气先在500℃～1000℃下将尾气中的氨气分解出氢气和氮气，用水冷却到室温、用过滤器过滤掉气体中的灰尘；(2)氢氮分离。用氢气压缩机加压，然后用变压吸附或者中空纤维膜分离方法将氢气分离出来，将剩余气体，包括氮气、少许氢气和杂质气体，直接排空；(3)氢气提纯。用分子筛技术、和/或吸气剂技术将氢气中的氧气、水汽等含氧杂质去除。通过以上3个过程得到的高纯氢气可以作为MOCVD的原料气使用，既解决了MOCVD设备尾气排放造成环境污染问题，又解决了MOCVD设备所需要原料氢气问题，物质循环利用，环境友好。

在高温分解过程中，可以将分解炉的进气和出气之间进行热交换，利用分解炉出气的热量将进气预热，以降低能耗。通过高温分解过程，MOCVD设备尾气中的氨气已分解成氢气和氮气。

在氢氮分离过程中，可以用变压吸附方法，也可以用中空纤维膜分离方法。氢气的回收效率与氢气纯度(或氮气含量)有关。一般情况下，只要氢气中氮气含量小于5％即可满足要求。在MOCVD生产GaN-LED过程中，氢气中含有5％以下的氮气不会影响GaN-LED生产。

在氢气提纯过程中，主要是去除氧气、水汽等含氧杂质。一般采用分子筛吸收技术，或者吸气剂技术等。

另外，氢氮分离过程和氢气提纯过程，这两个过程的顺序可以互换。

虽然以上三个过程都是很成熟的现有技术，但是本发明第一次提出将三者组合起来利用MOCVD尾气制氢，为MOCVD-GaN-LED生产提供氢气，同时处理MOCVD尾气的方法。

具体实施方式

图1是本发明第一实施例示意图。在本实施例中，用GaN-LED生产线中MOCVD设备排放的尾气做原料的制造高纯氢气，为MOCVD设备循环使用。本实施例包括以下过程：(1)高温分解过程。MOCVD设备产生的尾气，含有氨气、氢气、氮气、MO源、少许甲烷、硅烷、以及氧气和水。这些尾气先经过500℃～1000℃下分解，其中氨气被分解成氢气和氮气，MO源分解成金属和甲烷，氧气和氢气进行化学反应生成水。MOCVD设备的尾气经过高温分解过程后变成氢氮混合气，以及少许杂质。氢氮混合气经水冷却到室温、然后用过滤器过滤掉气体中的灰尘。在高温分解过程中，可以将分解炉的进气和出气之间进行热交换，利用分解炉出气的热量将进气预热，通过热交换可以降低分解过程中的能量消耗。MOCVD设备的尾气经过高温分解过程后，尾气中的氨气分解成氢气和氮气，最后得到的是氢气/氮气的混合气(还有少许杂质)。(2)氢氮分离过程。用氢气压缩机加压，然后用变压吸附或者中空纤维膜分离方法将氢气分离出来得到纯氢气，将剩余气体，主要是氮气另含少许氢气和杂质气体，直接排空。在氢氮分离过程中，氢气的回收效率与氢气纯度(或氮气含量)有关。一般情况下，只要氢气中氮气含量小于5％即可满足要求。在MOCVD生产GaN-LED过程中，氢气中含有5％以下的氮气不会影响GaN-LED生产。(3)氢气提纯过程。用分子筛技术、吸气剂技术等将氢气中水汽等含氧杂质去除，得到高纯氢气。这里说的“高纯氢气”，指的是气体中的水汽等含氧杂质极低，一般在1PPM以下。实际上“高纯氢气”会含有5％左右的氮气，不过这些氮气不会对GaN-LED生产造成影响。在氢气提纯过程中，一般会用到分子筛技术，而分子筛需要再生，在分子筛再生过程中会排出一定的废气。这些废气以氢气为主并含有水汽等杂质气体，直接排空即可。通过以上三个过程，得到的纯氢气做MOCVD的原料气使用，既解决了MOCVD尾气排放造成环境污染问题，又解决了MOCVD所需要原料氢气问题，物质循环利用，环境友好。

图2是本发明第二实施例示意图。与图1相比，图2中“氢氮分离”过程和“氢气提纯”过程，这两个过程的顺序对调了。在本实施例中，用GaN-LED生产线中MOCVD设备排放的尾气做原料的制造高纯氢气，为MOCVD设备循环使用。本实施例包括以下过程：(1)高温分解过程。MOCVD产生的尾气，含有氨气、氢气、氮气、MO源、少许甲烷、硅烷、以及氧气和水。这些尾气先经过500℃～1000℃下分解，其中氨气被分解成氢气和氮气，MO源分解成金属和甲烷，氧气和氢气进行化学反应生成水。MOCVD的尾气经过高温分解过程后变成氢氮混合气，以及少许杂质。氢氮混合气经水冷却到室温、然后用过滤器过滤掉气体中的灰尘，得到氢气/氮气的混合气，以及少许杂质气体。在高温分解过程中，可以将分解炉的进气和出气之间进行热交换，利用分解炉出气的热量将进气预热，通过热交换可以降低分解过程中的能量消耗。(2)氢气提纯过程。用分子筛技术、吸气剂技术等将氢气中水汽等含氧杂质去除，得到纯氢/氮混合气。这里说的“纯氢氮混合气”，指的是气体中的水汽等含氧杂质极低，一般在1PPM以下。在氢气提纯过程中，一般会用到分子筛技术，而分子筛需要再生，在分子筛再生过程中会排出一定的废气。这些废气以氢气、氮气为主并含有水汽等杂质气体，直接排空即可。(3)氢氮分离过程。用氢气压缩机加压，然后用变压吸附或者中空纤维膜分离方法将氢气分离出来得到纯氢气，将剩余气体，主要是氮气，直接排空。在氢氮分离过程中，氢气的回收效率与氢气纯度(或氮气含量)有关。一般情况下，只要氢气中氮气含量小于5％即可满足要求。在MOCVD生产GaN-LED过程中，氢气中含有5％以下的氮气不会影响GaN-LED生产。通过以上三个过程，得到的纯氢气做MOCVD的原料气使用。

Claims

1.一种制氢方法，其特征在于：利用GaN-LED生产过程中MOCVD设备排出的尾气做原料，制成纯氢气为MOCVD设备再次使用的方法，包括以下制造过程：(1)高温分解——将MOCVD排放的尾气先在500℃～1000℃下将氨气分解出氢气和氮气，用水冷却到室温、用过滤器过滤掉气体中的灰尘；(2)氢氮分离——用氢气压缩机加压，然后用变压吸附或者中空纤维膜分离方法将氢气分离出来，将剩余气体直接排空；(3)氢气提纯——用分子筛技术、吸气剂技术等将氢气中的氧气、水汽等含氧杂质去除。

2.如权利要求1所述的一种制氢方法，其特征在于：在高温分解过程中，可以将分解炉的进气和出气之间进行热交换，利用高温出气中的热量加热进气，降低能耗。

3.如权利要求1所述的一种制氢方法，其特征在于：在氢氮分离过程中，可以用变压吸附方法将氢气从氢氮混合气中分离出来。

4.如权利要求1所述的一种制氢方法，其特征在于：在氢氮分离过程中，可以用中空纤维膜分离方法将氢气从氢氮混合气中分离出来。

5.如权利要求1所述的一种制氢方法，其特征在于：在氢气提纯过程中，可以采用分子筛吸收技术，将氢氮混合气中的水汽等含氧杂质去除。

6.如权利要求1所述的一种制氢方法，其特征在于：在氢气提纯过程中，可以采用吸气剂技术，将氢氮混合气中的水汽等含氧杂质去除。

7.如权利要求1所述的一种制氢方法，其特征在于：氢氮分离过程和氢气提纯过程，这两个过程的顺序可以互换。