CN215138624U

CN215138624U - 一种单晶炉氩气尾气处理装置

Info

Publication number: CN215138624U
Application number: CN202120547090.1U
Authority: CN
Inventors: 朱刚; 苏勇刚; 郝文炳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2031-03-16

Abstract

本实用新型公开了一种单晶炉氩气尾气处理装置，属于惰性气体净化回收技术领域，能够解决现有处理方式中由于经过加氢除氧工艺而导致安全隐患较大的问题。所述装置包括：第一反应器的入口连接有尾气输送管和空气输出管；尾气输送管上设置流量计；空气输出管上设置有调节阀；第一反应器中填装有第一催化剂；第二反应器和第三反应器中均填装有第二催化剂；第一氧分析仪连接在第一反应器的出口处；第二氧分析仪连接在第二反应器的出口处；第一一氧化碳分析仪连接在尾气输送管上；第二一氧化碳分析仪连接在第一反应器的出口处；第三一氧化碳分析仪连接在第三反应器的出口处；控制单元用于调节调节阀的开度。本实用新型用于单晶炉氩气尾气处理。

Description

一种单晶炉氩气尾气处理装置

技术领域

本实用新型涉及一种单晶炉氩气尾气处理装置，属于惰性气体净化回收技术领域。

背景技术

随着对可再生清洁能源需要的日益增加，基于太阳能利用的光伏发电行业迎来了迅猛的发展，利用光伏电池发电可以为家庭、办公室等提供必要电力供应，如果进一步并入电网，可以为工业生产提供电力支持。目前大规模应用的光伏电池主要是硅基太阳能电池组件。

生产硅基太阳能电池组件的主要原料是晶硅，晶硅可以通过不同的工艺生产出单晶硅和多晶硅。例如典型单晶硅是在高温条件下(＞1400℃)，通过直拉法将原料硅锭提炼成单晶硅。在直拉法过程中，为了保证产品的质量，需要使用大量的氩气吹扫，移除提炼过程中从盛料坩埚中产生的各种挥发性杂质。这些杂质主要是一氧化碳(CO)，其范围在几千个ppm；氢气，其范围在几十到几百ppm；同时根据使用的真空泵差异，会存在少量的甲烷或烃类，在几到几十ppm。早期由于氩气需求较小，价格比较低，拉晶过程中的氩气完全采取放空处理。近年，随着光伏行业的急剧发展，氩气需求量急剧增加，氩气价格急剧上涨。晶硅制造成本明显增加，同时光伏企业生产受到氩气供应波动的影响。因此将拉晶过程中的氩气尾气进行纯化回收利用是非常必要的。

目前针对单晶硅制备领域的氩气回收主要的工艺流程如图1所示。首先利用催化剂加入空气，在一定温度条件下，可以将一氧化碳氧化成二氧化碳，氢气氧化成水，烃类氧化成二氧化碳和水，然后结合吸附方法、深冷、或组合的策略进一步去除氧化后的杂质。具体的，可以利用氧气催化氧化的方法脱出氩气中的一氧化碳、烃类等杂质，然后再加入氢气脱除过量的氧气，吸附脱除二氧化碳和水，低温精馏去除氮气和氢气杂质。由于氧气的残余会严重影响低温精馏时收率和晶硅生产的质量，因此加氢彻底除氧气的环节必不可少，但是这样明显增加了设备投资和潜在的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型提供了一种单晶炉氩气尾气处理装置，能够解决现有处理方式中由于必须经过加氢除氧工艺而导致的成本增高、安全隐患较大的问题。

本实用新型实施例提供了一种单晶炉氩气尾气处理装置，所述装置包括：第一氧分析仪、第二氧分析仪、第一一氧化碳分析仪、第二一氧化碳分析仪和第三一氧化碳分析仪，以及依次连通的第一反应器、第二反应器和第三反应器；所述第一反应器的入口连接有尾气输送管和空气输出管；所述尾气输送管上设置流量计；所述空气输出管上设置有调节阀；所述第一反应器中填装有第一催化剂；所述第二反应器和所述第三反应器中均填装有第二催化剂；所述第一氧分析仪连接在所述第一反应器的出口处，用于检测所述第一反应器的出口处的氧气含量；所述第二氧分析仪连接在所述第二反应器的出口处，用于检测所述第二反应器的出口处的氧气含量；所述第一一氧化碳分析仪连接在所述尾气输送管上，用于检测所述尾气输送管输送的氩气尾气中的一氧化碳含量；所述第二一氧化碳分析仪连接在所述第一反应器的出口处，用于检测所述第一反应器的出口处的一氧化碳含量；所述第三一氧化碳分析仪连接在所述第三反应器的出口处，用于检测所述第三反应器的出口处的一氧化碳含量；所述装置还包括控制单元，所述控制单元用于根据所述第一氧分析仪、所述第二氧分析仪、所述第一一氧化碳分析仪、所述第二一氧化碳分析仪和所述第三一氧化碳分析仪的检测结果，控制所述调节阀的开闭或调节所述调节阀的开度。

可选的，所述装置还包括第四反应器，所述第四反应器的入口与所述第三反应器的出口连接；所述第四反应器中填装有第二催化物。

可选的，所述装置还包括吸附单元，所述吸附单元的入口与所述第四反应器的出口连接；所述吸附单元用于脱除从所述第四反应器的出口处输出的二氧化碳、水和氮气。

可选的，所述吸附单元为变压吸附装置。

可选的，所述吸附单元包括纯化器和低温精馏塔，所述纯化器用于脱除二氧化碳和水；所述低温精馏塔用于脱除氮气。

可选的，所述装置还包括混合器，所述混合器连接在所述尾气输送管和所述空气输出管与所述第一反应器的入口之间，用于将所述空气输出管输送的空气与所述尾气输送管输送的氩气尾气混合，并将混合后气体输送至所述第一反应器。

可选的，所述装置还包括第一加热器和多个第二加热器；所述第一加热器连接在所述混合器的出口和所述第一反应器的入口之间，用于将所述混合器输出的混合后气体加热至第一预设温度后输送至所述第一反应器；多个所述第二加热器分别设置在所述第一反应器、所述第二反应器、所述第三反应器和第四反应器的外壁上和相互之间的连接管道上，用于补偿反应器和输送管道的热量损失。

可选的，所述装置还包括换热器；所述换热器同时连接所述混合器的出口、所述第一加热器的入口、所述第四反应器的出口和所述吸附单元的入口，用于将所述混合器输出的混合后气体与所述第四反应器输出的气体进行换热。

本实用新型能产生的有益效果包括：

本实用新型提供的单晶炉氩气尾气处理装置，能够替代目前工艺中的加氢除氧环节，有效的简化了流程和设备投资，增加了安全性。由于本实用新型提供的处理装置经济高效，因而可以应用于工业化处理，适合大规模推广。

附图说明

图1为现有技术提供的单晶炉氩气尾气处理工艺示意图；

图2为本实用新型实施例提供的单晶炉氩气尾气处理装置结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例提供的单晶炉氩气尾气处理装置结构示意图。

部件和附图标记列表：

11、尾气输送管；12、空气输出管；21、第一一氧化碳分析仪；22、流量计；23、第一氧分析仪；24、第二一氧化碳分析仪；25、第二氧分析仪；26、第三一氧化碳分析仪；31、混合器；32、第一反应器；33、第二反应器；34、第三反应器；35、第四反应器；41、第一加热器；42、换热器；51、调节阀；61、第二加热器。

具体实施方式

下面结合实施例详述本实用新型，但本实用新型并不局限于这些实施例。

本实用新型实施例提供了一种单晶炉氩气尾气处理装置，如图2所示，所述装置包括：第一氧分析仪23、第二氧分析仪25、第一一氧化碳分析仪21，第二一氧化碳分析仪24，、第三一氧化碳分析仪26，以及依次连通的第一反应器32、第二反应器33、第三反应器34和第四反应器35；第一反应器32的入口连接有尾气输送管11和空气输出管12；空气输出管12上设置有调节阀51；尾气输送管上设置流量计22和第一一氧化碳分析仪21。

第一反应器32中填装有第一催化剂；第二反应器33、第三反应器34和第四反应器35中填装有第二催化剂；第一氧分析仪23连接在第一反应器32的出口处，用于检测第一反应器32的出口处的氧气含量；第二氧分析仪25连接在第二反应器33的出口处，用于检测第二反应器33的出口处的氧气含量。

第一一氧化碳分析仪21位于尾气输送管11上，用于检测尾气中一氧化碳含量；第二一氧化碳分析仪24连接第一反应器32的出口，第二一氧化碳分析仪24用于检测第一反应器32出口处一氧化碳含量；第三一氧化碳分析仪26连接第三反应器34的出口处，第三一氧化碳分析仪26用于检测第三反应器34出口处一氧化碳含量。

所述装置还包括控制单元，控制单元用于根据第一氧分析仪23、第二氧分析仪25、第一一氧化碳分析仪21、第二一氧化碳分析仪24和第三一氧化碳分析仪26的检测结果，控制调节阀51的开闭或调节调节阀51的开度。

参考图2所示，第一反应器32、第二反应器33、第三反应器34和第四反应器35依次连通具体为：第二反应器33的入口与第一反应器32的出口连接；第三反应器34的入口与第二反应器33的出口连接；第四反应器35的入口与第三反应器34的出口连接。

第一反应器32通过催化氧化的方法脱除氩气尾气中的还原性杂质，主要包括一氧化碳、烃类、甲烷、氢气等。第二反应器33、第三反应器34和第四反应器35用于脱除氩气尾气中残余的氧气、一氧化碳。调节阀51可以调节控制空气的流量。

所述装置中第一反应器32可以填装商品化的第一催化剂，如Pd/Al₂O₃等，其主要的作用是在氧气气氛下，将氩气中的还原性杂质绝大部分氧化成二氧化碳和水。第一氧分析仪23监测第一反应器32出口的氧气，根据实际工况，可以设定相应数值，如100～5000ppm，保证氧气过量，满足催化氧化的需要，但是又不至于过量太多。第一反应器32主要发生以下反应：

CO+O₂＝CO₂；

H₂+1/2O₂＝H₂O；

C_nH_2m+(m/2+n)O₂＝nCO₂+mH₂O；

第二反应器33和第三反应器34填装第二催化剂，第二催化剂具有氧化还原性质。在第二氧分析仪25检测到第二反应器33的出口处的氧气含量小于第二阈值之前，主要发生脱除过量氧气的过程。

在第三一氧化碳分析仪26检测到第三反应器34的出口处的一氧化碳含量大于或等于第四阈值时，主要发生脱除氩气尾气杂质的过程。

在本实用新型实施例中，控制单元具体用于：当第三一氧化碳分析仪26检测到第三反应器34的出口处的一氧化碳含量大于或等于第五阈值时，控制调节阀51开启。

此控制过程可以认为是对第二反应器33和第三反应器34的预处理过程，此过程中，关闭调节阀51，第二反应器33和第三反应器34中的第二催化剂与一氧化碳或氢气发生了还原反应；当第三一氧化碳分析仪26检测到第三反应器34的出口处的一氧化碳含量大于或等于第五阈值时，可以认为第二反应器33和第三反应器34中的大部分第二催化剂处于还原态，此时可以控制调节阀51打开，以补充空气。其中，第五阈值为预先设置的值，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，本实用新型实施例对此不做限定，示例的，可以是600ppm。

本实用新型实施例对于调节阀51的具体类型不做限定，示例的，调节阀51可以为电磁阀或气动阀等。

进一步的，控制单元具体用于：当第一一氧化碳分析仪21检测到尾气输送管11输送的氩气尾气中的一氧化碳时，和/或，流量计22检测到尾气输送管11输送的氩气尾气流量时，控制调节阀51开启或控制调节阀51的开度增大；当第一氧分析仪23检测到第一反应器32的出口处的氧气含量大于或等于第一阈值时，控制调节阀51的开度减小；当第一氧分析仪23检测到第一反应器32的出口处的氧气含量小于第一阈值、且第二氧分析25仪检测到第二反应器33的出口处的氧气含量小于第二阈值时，控制调节阀51的开度增大；当第二氧分析仪25检测到第二反应器33的出口处的氧气含量大于或等于第二阈值时，控制调节阀51的开度减小；第二一氧化碳分析仪24检测到第一反应器32的出口处的一氧化碳含量大于或等于第三阈值时，控制调节阀51的开度增大；当第二一氧化碳分析仪24检测到第一反应器32的出口处的一氧化碳含量小于第三阈值、且第三一氧化碳分析仪26检测到第三反应器34的出口处的一氧化碳含量小于第四阈值时，控制调节阀51的开度减小。

此控制过程可以认为是在氧气过量条件下，对氩气尾气的除杂过程。具体的，调节阀51开启，加入空气，第一氧分析仪23监控出口氧到设定值范围，具体数值根据实际工况确定，例如100～5000ppm；当第一氧分析仪23检测到第一反应器32的出口处的氧气含量大于或等于第一阈值时，表明经过催化反应后，从第一反应器32出来的氧气太多，此时可以控制自动调节阀51的开度减小，以减少氧气供给；当第一氧分析仪23检测到第一反应器32的出口处的氧气含量小于第一阈值、且第二氧分析25仪检测到第二反应器33的出口处的氧气含量小于第二阈值时时，表明从第一反应器32出来的氧气太少，此时控制调节阀51的开度增大，以增大氧气供给。保持第一反应器32出口适当的氧气浓度，即有利于保持第一反应器32中的催化效率，又不至于增加第二反应器33的负荷

由于大部分杂质主要通过第一反应器32氧化成二氧化碳和水，过量的氧气和少量的杂质在第二反应器33中去除，第三反应器34主要起到保险的作用。当第二氧分析仪25检测到第二反应器33的出口处的氧气含量大于或等于第二阈值时，表明第二反应器33中催化剂基本变为氧化态，少量过量的氧气由第三反应器34去除。此时可以控制调节阀51的开度减小，以减少氧气供应量；其中第三阈值可以根据实际工况确定，例如1～100ppm。

当第二一氧化碳分析仪24检测到第一反应器32的出口处的一氧化碳含量大于或等于第三阈值时，此时可以控制调节阀51的开度增大，以增大氧气供应量。

总之，上述控制流程的核心思想是：氩气尾气的大部分杂质通过在第一反应器32去除，在氧过量条件下，过量氧气由第二催化剂脱除；在氧不足条件下，过量的杂质第二催化剂来脱除；这主要是根据工况，可以调节第二催化剂的氧化还原态。在实际应用时，可以先经过预处理，再进行氩气尾气的除杂处理；也可以直接进行氩气尾气的除杂处理，本实用新型实施例对此不做限定。

进一步的，所述装置还包括吸附单元，吸附单元用于脱除从第四反应器35的出口处输出的二氧化碳、水和氮气。

参考图2所示，从第四反应器35出口后的气体可以通过后续工序继续纯化氩气尾气。示例的，吸附单元可以为变压吸附装置；或者，吸附单元包括纯化器和低温精馏塔，纯化器用于脱除二氧化碳和水；低温精馏塔用于脱除氮气。

经过上述装置处理的氩气尾气的杂质主要有二氧化碳、水、氮气。根据不同的工艺需要，可以连接脱除二氧化碳和水的纯化器，然后通过低温精馏脱除氮气，得到高纯的氩气。另一方面也可以连接变压吸附装置(PSA)，一步得到高纯氩气。

进一步的，所述装置还包括混合器31，混合器31连接在尾气输送管11和空气输出管12与第一反应器32的入口之间，用于将空气输出管12输送的空气与尾气输送管11输送的氩气尾气混合，并将混合后气体输送至第一反应器32，这样可以提高反应效率，利于更好的氩气除杂。

在本实用新型实施例中，所述装置还包括用于预加热的第一加热器41和多个外置的第二加热器61；第一加热器41连接在混合器31的出口和第一反应器32的入口之间，用于将混合器31输出的混合后气体加热至第一预设温度后输送至第一反应器32；多个第二加热器61分别设置在第一反应器32、第二反应器33、第三反应器34和第四反应器35的外壁上和相互之间的连接管道上，用于补偿反应器和输送管道的热量损失。

进一步的，参考图3所示，所述装置还包括换热器42；换热器42同时连接混合器31的出口、第一加热器41的入口、第四反应器35的出口和吸附单元的入口，用于将混合器31输出的混合后气体与第四反应器35输出的气体进行换热。这样能够有效的回收余热，减少能耗。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims

1.一种单晶炉氩气尾气处理装置，其特征在于，所述装置包括：第一氧分析仪、第二氧分析仪、第一一氧化碳分析仪、第二一氧化碳分析仪和第三一氧化碳分析仪，以及依次连通的第一反应器、第二反应器和第三反应器；

所述第一反应器的入口连接有尾气输送管和空气输出管；所述尾气输送管上设置流量计；所述空气输出管上设置有调节阀；所述第一反应器中填装有第一催化剂；所述第二反应器和所述第三反应器中均填装有第二催化剂；

所述第一氧分析仪连接在所述第一反应器的出口处，用于检测所述第一反应器的出口处的氧气含量；所述第二氧分析仪连接在所述第二反应器的出口处，用于检测所述第二反应器的出口处的氧气含量；所述第一一氧化碳分析仪连接在所述尾气输送管上，用于检测所述尾气输送管输送的氩气尾气中的一氧化碳含量；所述第二一氧化碳分析仪连接在所述第一反应器的出口处，用于检测所述第一反应器的出口处的一氧化碳含量；所述第三一氧化碳分析仪连接在所述第三反应器的出口处，用于检测所述第三反应器的出口处的一氧化碳含量；

所述装置还包括控制单元，所述控制单元用于根据所述第一氧分析仪、所述第二氧分析仪、所述第一一氧化碳分析仪、所述第二一氧化碳分析仪和所述第三一氧化碳分析仪的检测结果，控制所述调节阀的开闭或调节所述调节阀的开度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第四反应器，所述第四反应器的入口与所述第三反应器的出口连接；所述第四反应器中填装有第二催化物。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括吸附单元，所述吸附单元的入口与所述第四反应器的出口连接；所述吸附单元用于脱除从所述第四反应器的出口处输出的二氧化碳、水和氮气。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述吸附单元为变压吸附装置。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述吸附单元包括纯化器和低温精馏塔，所述纯化器用于脱除二氧化碳和水；所述低温精馏塔用于脱除氮气。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括混合器，所述混合器连接在所述尾气输送管和所述空气输出管与所述第一反应器的入口之间，用于将所述空气输出管输送的空气与所述尾气输送管输送的氩气尾气混合，并将混合后气体输送至所述第一反应器。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一加热器和多个第二加热器；

所述第一加热器连接在所述混合器的出口和所述第一反应器的入口之间，用于将所述混合器输出的混合后气体加热至第一预设温度后输送至所述第一反应器；

多个所述第二加热器分别设置在所述第一反应器、所述第二反应器、所述第三反应器和第四反应器的外壁上和相互之间的连接管道上，用于补偿反应器和输送管道的热量损失。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括换热器；

所述换热器同时连接所述混合器的出口、所述第一加热器的入口、所述第四反应器的出口和所述吸附单元的入口，用于将所述混合器输出的混合后气体与所述第四反应器输出的气体进行换热。