一種制氫方法
【技術領域】
[0001]本發明設計一種制氫方法，該方法可用于用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)生產氮化鎵發光二極管(GaN-LED)的過程中，屬工業氣體制備技術領域。
【背景技術】
[0002]以氮化鎵(GaN)為代表的III族氮化物已經成為一種重要的半導體材料，以GaN做成的發光二極管(LED)已經成為半導體照明的主要發展方向。
[0003]MOCVD是目前生產GaN-LED的唯一方法。在MOCVD生產GaN-LED的過程中，一方面MOCVD設備需要大量的高純氫氣作為載氣，另一方面MOCVD設備又會排放大量尾氣(廢氣)，尾氣中主要有氨氣、氫氣、氮氣以及其它雜質氣體。
[0004]氫雖然在地殼中非常豐富，但氫通常以“水”的形式存在，地殼表面不存在單質氫氣。目前電解水制氫是GaN-LED生產企業中普遍采用的方法。然而電解水制氫需要消耗大量電能，成本較高。
[0005]另外，MOCVD生產LED過程中，還會排放大量的尾氣，尾氣中含有氨氣、氫氣、氮氣等。如果直接將這些廢氣排放，勢必污染環境。目前常用的處理方法是:(I)水(或酸)吸收法。將尾氣通入水(或酸溶液)中，尾氣中的氨氣被水或酸吸收。該方法雖然簡單，被大多數GaN-LED生產企業采用，但如何處理氨水(或銨鹽)也是一件很麻煩的事情。這只是將一個問題轉移到另一個問題，但實質問題并沒有最終解決；(2)高溫分解法。將尾氣通過600°C?900°C的高溫爐中，其中氨氣分解成氫氣和氮氣，然后排放到大氣中。該方法最大的缺點就是能耗很高，成本較高，很少被GaN-LED企業采用；(3)焚燒法。將尾氣與空氣混合一起，加鈀催化劑，在300°C?500°C溫度下焚燒，將氨氣分解，排放到大氣中。該方法有一個致命的缺點，就是在焚燒過程中會產生氮氧化物及二惡英等有害物質，污染環境，很少被GaN-LED企業采用。
[0006]本發明提供了一種利用MOCVD尾氣制氫的方法:(I)將MOCVD設備排放的尾氣先在500°C?100tC下將氨氣分解、過濾粉塵、水冷、加壓；(2)用變壓吸附或者中空纖維膜分離技術將氫氣分離出來；(3)用分子篩技術、吸氣劑技術等將氫氣純化得到高純氫氣，做MOCVD原料氣使用。該方法既解決了 MOCVD尾氣排放造成環境污染問題，又解決了 MOCVD設備所需要原料氫氣問題，物質循環利用，一舉兩得。該方法制作簡單，設備成熟，制作成本低廉，宜于大規模生產，尤其適合大型的LED生產企業使用。
【發明內容】
[0007]—種利用MOCVD尾氣做原料的制氫方法，包括以下過程:⑴高溫分解。將MOCVD設備排放的尾氣先在500°C?1000°C下將尾氣中的氨氣分解出氫氣和氮氣，用水冷卻到室溫、用過濾器過濾掉氣體中的灰塵；(2)氫氮分離。用氫氣壓縮機加壓，然后用變壓吸附或者中空纖維膜分離方法將氫氣分離出來，將剩余氣體，包括氮氣、少許氫氣和雜質氣體，直接排空；(3)氫氣提純。用分子篩技術、和/或吸氣劑技術將氫氣中的氧氣、水汽等含氧雜質去除。通過以上3個過程得到的高純氫氣可以作為MOCVD的原料氣使用，既解決了 MOCVD設備尾氣排放造成環境污染問題，又解決了 MOCVD設備所需要原料氫氣問題，物質循環利用，環境友好。
[0008]在高溫分解過程中，可以將分解爐的進氣和出氣之間進行熱交換，利用分解爐出氣的熱量將進氣預熱，以降低能耗。通過高溫分解過程，MOCVD設備尾氣中的氨氣已分解成氫氣和氮氣。
[0009]在氫氮分離過程中，可以用變壓吸附方法，也可以用中空纖維膜分離方法。氫氣的回收效率與氫氣純度(或氮氣含量)有關。一般情況下，只要氫氣中氮氣含量小于5%即可滿足要求。在MOCVD生產GaN-LED過程中，氫氣中含有5%以下的氮氣不會影響GaN-LED生產。
[0010]在氫氣提純過程中，主要是去除氧氣、水汽等含氧雜質。一般采用分子篩吸收技術，或者吸氣劑技術等。
[0011]另外，氫氮分離過程和氫氣提純過程，這兩個過程的順序可以互換。
[0012]雖然以上三個過程都是很成熟的現有技術，但是本發明第一次提出將三者組合起來利用MOCVD尾氣制氫，為MOCVD-GaN-LED生產提供氫氣，同時處理MOCVD尾氣的方法。
【具體實施方式】
[0013]圖1是本發明第一實施例示意圖。在本實施例中，用GaN-LED生產線中MOCVD設備排放的尾氣做原料的制造高純氫氣，為MOCVD設備循環使用。本實施例包括以下過程:(I)高溫分解過程。MOCVD設備產生的尾氣，含有氨氣、氫氣、氮氣、MO源、少許甲烷、硅烷、以及氧氣和水。這些尾氣先經過500°C?1000°C下分解，其中氨氣被分解成氫氣和氮氣，MO源分解成金屬和甲烷，氧氣和氫氣進行化學反應生成水。MOCVD設備的尾氣經過高溫分解過程后變成氫氮混合氣，以及少許雜質。氫氮混合氣經水冷卻到室溫、然后用過濾器過濾掉氣體中的灰塵。在高溫分解過程中，可以將分解爐的進氣和出氣之間進行熱交換，利用分解爐出氣的熱量將進氣預熱，通過熱交換可以降低分解過程中的能量消耗。MOCVD設備的尾氣經過高溫分解過程后，尾氣中的氨氣分解成氫氣和氮氣，最后得到的是氫氣/氮氣的混合氣(還有少許雜質)。(2)氫氮分離過程。用氫氣壓縮機加壓，然后用變壓吸附或者中空纖維膜分離方法將氫氣分離出來得到純氫氣，將剩余氣體，主要是氮氣另含少許氫氣和雜質氣體，直接排空。在氫氮分離過程中，氫氣的回收效率與氫氣純度(或氮氣含量)有關。一般情況下，只要氫氣中氮氣含量小于5%即可滿足要求。在MOCVD生產GaN-LED過程中，氫氣中含有5%以下的氮氣不會影響GaN-LED生產。(3)氫氣提純過程。用分子篩技術、吸氣劑技術等將氫氣中水汽等含氧雜質去除，得到高純氫氣。這里說的“高純氫氣”，指的是氣體中的水汽等含氧雜質極低，一般在IPPM以下。實際上“高純氫氣”會含有5%左右的氮氣，不過這些氮氣不會對GaN-LED生產造成影響。在氫氣提純過程中，一般會用到分子篩技術，而分子篩需要再生，在分子篩再生過程中會排出一定的廢氣。這些廢氣以氫氣為主并含有水汽等雜質氣體，直接排空即可。通過以上三個過程，得到的純氫氣做MOCVD的原料氣使用，既解決了 MOCVD尾氣排放造成環境污染問題，又解決了 MOCVD所需要原料氫氣問題，物質循環利用，環境友好。
[0014]圖2是本發明第二實施例示意圖。與圖1相比，圖2中“氫氮分離”過程和“氫氣提純”過程，這兩個過程的順序對調了。在本實施例中，用GaN-LED生產線中MOCVD設備排放的尾氣做原料的制造高純氫氣，為MOCVD設備循環使用。本實施例包括以下過程:(I)高溫分解過程。MOCVD產生的尾氣，含有氨氣、氫氣、氮氣、MO源、少許甲燒、娃燒、以及氧氣和水。這些尾氣先經過500°C?1000°C下分解，其中氨氣被分解成氫氣和氮氣，MO源分解成金屬和甲烷，氧氣和氫氣進行化學反應生成水。MOCVD的尾氣經過高溫分解過程后變成氫氮混合氣，以及少許雜質。氫氮混合氣經水冷卻到室溫、然后用過濾器過濾掉氣體中的灰塵，得到氫氣/氮氣的混合氣，以及少許雜質氣體。在高溫分解過程中，可以將分解爐的進氣和出氣之間進行熱交換，利用分解爐出氣的熱量將進氣預熱，通過熱交換可以降低分解過程中的能量消耗。(2)氫氣提純過程。用分子篩技術、吸氣劑技術等將氫氣中水汽等含氧雜質去除，得到純氫/氮混合氣。這里說的“純氫氮混合氣”，指的是氣體中的水汽等含氧雜質極低，一般在IPPM以下。在氫氣提純過程中，一般會用到分子篩技術，而分子篩需要再生，在分子篩再生過程中會排出一定的廢氣。這些廢氣以氫氣、氮氣為主并含有水汽等雜質氣體，直接排空即可。(3)氫氮分離過程。用氫氣壓縮機加壓，然后用變壓吸附或者中空纖維膜分離方法將氫氣分離出來得到純氫氣，將剩余氣體，主要是氮氣，直接排空。在氫氮分離過程中，氫氣的回收效率與氫氣純度(或氮氣含量)有關。一般情況下，只要氫氣中氮氣含量小于5 %即可滿足要求。在MOCVD生產GaN-LED過程中，氫氣中含有5 %以下的氮氣不會影響GaN-LED生產。通過以上三個過程，得到的純氫氣做MOCVD的原料氣使用。
【主權項】
1.一種制氫方法，其特征在于:利用GaN-LED生產過程中MOCVD設備排出的尾氣做原料，制成純氫氣為MOCVD設備再次使用的方法，包括以下制造過程:(1)高溫分解一一將MOCVD排放的尾氣先在500°C?1000°C下將氨氣分解出氫氣和氮氣，用水冷卻到室溫、用過濾器過濾掉氣體中的灰塵；(2)氫氮分離一一用氫氣壓縮機加壓，然后用變壓吸附或者中空纖維膜分離方法將氫氣分離出來，將剩余氣體直接排空；(3)氫氣提純一一用分子篩技術、吸氣劑技術等將氫氣中的氧氣、水汽等含氧雜質去除。2.如權利要求1所述的一種制氫方法，其特征在于:在高溫分解過程中，可以將分解爐的進氣和出氣之間進行熱交換，利用高溫出氣中的熱量加熱進氣，降低能耗。3.如權利要求1所述的一種制氫方法，其特征在于:在氫氮分離過程中，可以用變壓吸附方法將氫氣從氫氮混合氣中分離出來。4.如權利要求1所述的一種制氫方法，其特征在于:在氫氮分離過程中，可以用中空纖維膜分離方法將氫氣從氫氮混合氣中分離出來。5.如權利要求1所述的一種制氫方法，其特征在于:在氫氣提純過程中，可以采用分子篩吸收技術，將氫氮混合氣中的水汽等含氧雜質去除。6.如權利要求1所述的一種制氫方法，其特征在于:在氫氣提純過程中，可以采用吸氣劑技術，將氫氮混合氣中的水汽等含氧雜質去除。7.如權利要求1所述的一種制氫方法，其特征在于:氫氮分離過程和氫氣提純過程，這兩個過程的順序可以互換。
【專利摘要】本發明提供了一種制氫方法。在金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)生產氮化鎵發光二極管(GaN-LED)的過程中，一方面MOCVD設備需要大量的高純氫氣作為載氣，另一方面MOCVD又會排放大量氨氣(混有氫氣、氮氣以及雜質氣體)。本發明所提供了一種制氫方法，就是將MOCVD設備排放的尾氣先在500℃～1000℃下將氨氣分解、過濾粉塵、加壓，然后用變壓吸附或者中空纖維膜分離技術將氫氣分離出來，最后將氫氣用分子篩技術、吸氣劑技術等將氣體純化得到高純氫氣，為MOCVD設備使用。上述的制氫方法，既解決了MOCVD尾氣排放造成環境污染問題，又解決了MOCVD設備所需要原料氫氣問題，物質循環利用。該方法制作簡單，設備成熟，制作成本低廉，宜于大規模生產。
【IPC分類】C01B3/50, C01B3/04
【公開號】CN105600746
【申請號】CN201410617084
【發明人】劉祥林
【申請人】湖南高安新材料有限公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2014年11月6日