專利名稱：用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，屬于太陽能光伏電池晶體硅加工廢棄物綜合利用領域。
背景技術：
氮化硅是一種先進的工程陶瓷材料，具有高的室溫和高溫強度、高硬度、耐磨蝕性、抗氧化性和良好的抗熱沖擊及機械沖擊性能，被材料科學界認為是結構陶瓷領域中綜合性能優良、最有希望替代鎳基合金在高科技、高溫領域中獲得廣泛應用的一種新材料。氮化娃粉體合成工藝一般為:硅粉直接氮化3Si+2N2 = Si3N4硅亞胺氣相反應3SiCl4+4NH3 = Si3N4+12HCl碳熱還原氮化3Si02+6C+2N2 = Si3N4+6C0其中硅粉直接氮化是制備氮化硅粉體最早發展的工藝，也是目前應用最為廣泛的一種方法，該法相對比較簡單，價格便宜，使用原料為晶體硅，屬于間歇化生產，產品為塊狀物，必須經過球磨才能得到微粉；硅亞胺氣相反應，需要特殊的初始原料，價格昂貴，反應過程產生大量氯化氫，對設備有特殊要求，制造成本高，但產品純度高，粒度細且均勻；碳熱還原氮化反應工藝，原料易得、能耗高、污染重，設備工藝復雜；晶體硅加工廢砂漿是太陽能光伏電池生產加工過程中形成的混有40 50%PEG (聚乙二醇切割液)、45 30% SiC (切割磨料)、1 3%的鐵粉(切割線磨損)、14 17% Si粉(晶體硅磨屑)的 四元混合物系。申請人:從2006年開始關注太陽能光伏電池晶體硅加工廢砂漿的處理問題，探索研究最優化的回收利用技術。2011年4月22日提出了申請號201110101064.7的《光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法》的發明專利申請，2011年08月12日提出了申請號201110238197.9《光伏晶體硅加工廢砂漿綜合處理技術》的發明專利申請，對前一個專利申請進行了補充完善。2012年6月26日又申請號201110238197.9《光伏晶體硅加工廢砂漿綜合處理技術》為優先權提出了申請號為201210207989.4《無污水和固體廢物排放的晶體硅加工廢砂漿綜合處理技術》提出了以含SiC、Si 二元砂為原料，利用氣流床氮化合成納米氮化硅的技術方案；之后對此方案的工業化生產技術進行了深入研究，發明設計了《利用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組》

發明內容
本發明在綜合研究氮化硅硅粉直接氮化、硅亞胺氣相反應等氮化硅生產工藝系統的基礎上，對申請號201210207989.4《無污水和固體廢物排放的晶體硅加工廢砂漿綜合處理技術》的發明專利申請的氣流床氮化合成氮化硅工藝的補充與完善。本發明的目的是提供一種綜合了硅粉直接氮化和硅亞胺氣相反應兩項工藝技術的優點，同時消除了它們各自缺陷的以晶體硅加工廢砂漿回收硅粉作原料制備氮化硅產品的機組。本發明的目的是這樣實現的:生產機組由氣流床反應器、氮氣等離子體點火器、壓力控制器、隧道窯、窯車、干燥機、娃粉料倉、娃粉氣力輸送器、Si3N4氣力輸送器、Si3N4料倉、產品計量包裝裝置、制氮裝置、自控系統及相關配套管道、閥門、儀器儀表構成；以晶體硅加工廢砂衆回收的娃粉和氮氣為原料，以氮氣為輸送載體，生產氮化娃微粉和氮化娃結合碳化硅陶瓷材料。用于生產氮化硅微粉的原料是利用晶體硅加工廢砂漿回收的硅微粉，其成分為Si 彡 80-95 %、SiC 彡 20-5 %、Fe2O3 ^ 0.1%.
用于生產氮化硅微粉的原料是含N298 99.99%的氮氣，輸出壓力0.1 1.0MPa，配套制氮裝置的生產能力是實際氮化用量的2 8倍，以滿足機組原料和熱量輸送需要。氮化硅微粉的合成是在機組的核心設備-氣流床反應器內完成的；氣流床工作壓力0.1 1.6MPa，高徑比3 10: I。用于制造氮化硅結合碳化硅陶瓷材料毛坯的原料是晶體硅加工廢砂漿回收的二元砂，具成分為 Si = 40—20%, SiC = 60—80%, Fe2O3 ^ 0.1%.
用于生產氮化硅結合碳化硅陶瓷材料燒結的能量和氮氣是氣流床反應器排出的、溫度1200—1600°C、壓力0.01—0.1OMPa含有少量氮化硅微粉的反應氮氣提供的。氮化硅結合碳化硅陶瓷材料的反應燒結是在本機組的關鍵設備-隧道窯內完成的；隧道窯工作壓力< 0.1MPa,工作截面積是氣流床截面積的0.5—4倍，長度是氣流床高度5-20倍；與配套的隧道窯窯車組合形成隧道式燒結通道。(另案申請)連接氣流床反應器和隧道窯的氮氣傳輸裝置是壓力控制器，其前端安裝有根據氣流床反應器工藝要求進行壓力調節的自動控制閥，后端設有與隧道窯燒結工藝匹配的氣流分布器，壓力控制器外殼為金屬殼體，內襯能夠承受1200—1600°C的隔熱材料。

除上述氣流床反應器、隧道窯、隧道窯窯車、壓力控制器必須專門設計制造外，其余包括氮氣等離子體點火器、干燥機、娃粉料倉、娃粉氣力輸送器、Si3N4氣力輸送器、Si3N4料倉、產品計量包裝裝置、制氮裝置、自控系統及相關配套管道、閥門、儀器儀表均可根據機組設計能力，選用市場成熟設備器件配套。茲結合附圖和實施例對本發明進行進一步說明。


卒圖是用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品機組配置圖。圖中箭線表示連接生產線相關設備的管道，其上方的字符表示管道內輸送的物料，箭頭表示物料運行方向，管道上配備相應的控制閥門；圓圈表示在生產線上安裝的儀器儀表，P為壓力檢測儀表、TT為溫度檢測儀表，與自控系統11以雙點劃線連接的是遠傳控制檢測儀器，無連線的是現場安裝儀表；圖號I為本機組核心設備——氣流床反應器(另案申請)、2為壓力控制器、3為機組關鍵設備——隧道窯(另案申請)、4為隧道窯配套窯車(另案申請)、5為娃粉干燥機、6為娃粉料倉、7為娃粉氣力輸送器、8為Si3N4氣力輸送器、9為Si3N4料倉、10產品計量包裝裝置、11為制氮裝置、12為自控系統、13為等離子點火器、14壓力控制器控制閘板、15為流量計、16為隧道窯燒結的氮化硅結合碳化硅陶瓷器件。
具體實施例方式以下為本發明的具體實施例，但本發明的方法并不完全受其限制，所屬領域的技術人員可以根據需要對其中的步驟進行變化或省略。實施例1:如用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組配置圖所示:制氮裝置11是制氮產量2000Nm3/h、純度N299.9%，輸出壓力0.6MPa的變壓吸附制氮裝置，制取的氮氣經過流量計15調節流量，進入硅粉氣力輸送器7，按氣固質量比1:1的混合比以lt/h的速度把儲存在硅粉料倉6的含Si84%、SiC16%硅粉，噴人反應氣流床反應器I中，由氮氣等離子體13點火，觸發反應器內的N2、S1、SiC形成自蔓延氮化合成反應，反應按照3SiC+2N2=Si3N4+3C+62000KJ和3Si+2N2 = Si3N4+751570KJ兩個氮化反應方程式進行，反應放熱可達2220kw，能使反應溫度達到2680°C ;為控制氣流床反應器內工作溫度在反應最優工況1300--1450°C，沿反應器內壁側向噴人反應所需2 8倍的氮氣，在反應器I內形成旋流，保護氣流床反應器1，同時保證S1、SiC的完全反應；合成的Si3N4聚集在反應器底部冷卻器內，冷卻到600 800°C ;用壓縮空氣以氣固質量比1: 50的混合比由Si3N4氣力輸送器8輸送到產品料倉9中，同時利用空氣中的氧，與SiC氮化副產的碳反應，氣化脫C，由產品計量包裝裝置10計量包裝，入庫待售；反應剩余氮氣以1300—1450°C的高溫攜帶500—700kw的能量和少量反應產物經過壓力控制器2，通過調節壓力控制閘板14的啟閉幅度調節氣流床反應器內壓力，進入隧道窯3中，利用高溫N2完成隧道窯內裝在窯車4上的用SiC、Si 二元砂制備的三維泡沫過 濾器的氮化反應燒結，并利用制氮裝置剩余的氮氣在隧道窯冷卻段進行冷卻降溫，形成氮化硅結合碳化硅三維泡沫陶瓷過濾器16 ;隧道窯排出的廢氣是溫度在300 600°C的氮氣，通過管道進入硅粉濾餅干燥機5，用于干燥來自廢砂漿處理系統的硅粉濾餅，干燥后的硅粉進入硅粉料倉6，分離出氮氣和水蒸氣放空排出。空分制氮裝置11制備的含隊99.9%以上的氮氣是維持機組正常運行的重要因素，承擔著提供反應物質，輸送反應原料，導出反應熱量、干燥反應原料等多重任務，本機組采用變壓吸附制氮裝置，氮氣電耗低，啟動周期短，自動化程度高，可實現無人值守；自控裝置12負責整個生產線生產、安全的自動化控制與操作。實施例2:如用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組配置圖所示:制氮裝置11是制氮產量3000_3/11、純度隊99.5%、壓力0.6MPa的壓縮空分裝置，在制取3000Nm3/h氮氣的同時能夠副產近800Nm3/h氧氣用于外銷，能夠沖減部分制氮成本；制取的合格氮氣經流量計15調節流量，進硅粉氣力輸送器7，按氣固質量比1:1的混合比以1.5lt/h的速度把儲存在硅粉料倉6的干燥后的含有硅粉，噴人氣流床反應器1中，由氮氣等離子體13點火，觸發反應器內的N2、S1、SiC形成氮化合成反應，按照3SiC+2N2 =Si3N4+3C+62000KJ和3Si+2N2 = Si3N4+751570KJ兩個氮化反應方程式形成自蔓延放熱反應，反應放熱可達3450kw，能使反應溫度達到2680°C左右，為控制氣流床反應器內工作溫度在反應最優工況1300--1450°C，沿反應器內壁側向噴人反應所需3 5倍的氮氣，在反應器內形成旋流，保護氣流床反應器1，同時保證S1、SiC的完全反應；反應合成的Si3N4沉降在反應器底部冷卻器內，冷卻到600 800°C用壓縮空氣以氣固質量比1: 30的混合比經產品氣力輸送器8輸送到產品料倉9中，利用壓縮空氣中的氧與SiC氮化副產碳反應，氣化脫C，由產品計量包裝裝置10計量包裝，入庫待售；反應剩余氮氣以1300—1450°C的溫度攜帶800—IOOOkw的能量和少量反應產物經過壓力控制器2，調節壓力控制閘板14以調節氣流床反應器內壓力，進入隧道窯3中，利用高溫N2完成隧道窯內裝在窯車4上的用SiC、Si 二元砂制備的三維泡沫化工陶瓷填料的氮化反應燒結，形成氮化硅結合碳化硅三維泡沫化工陶瓷填料16 ;隧道窯排出的廢氣是溫度在300 600°C的氮氣，通過管道進入硅粉濾餅干燥機5，干燥來自廢砂漿處理系統的硅粉濾餅，干燥后的硅粉進入硅粉料倉6，分離出氮氣和水蒸氣放空排出。空分制氮裝置11制備的氮氣是維持機組正常運行的重要因素，承擔著提供反應物質，輸送反應原料，導出反應熱量，干燥反應原料等多重任務，本機組采用壓縮空分裝置制取氮氣，能夠副產高純度氧氣供應市場，綜合電耗低，在氧氣有市場的條件下，其綜合成本低于變壓吸附制氮；需要有人值守；自控裝置12負責整個生產線生產、安全的自動化控制與操作 。
權利要求
1.用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:生產機組由氣流床反應器、氮氣等離子體點火器、壓力控制器、隧道窯、窯車、干燥機、硅粉料倉、硅粉氣力輸送器、Si3N4氣力輸送器、Si3N4料倉、產品計量包裝裝置、空分制氮裝置、自控系統及相關配套管道、閥門、儀器儀表構成；以晶體硅加工廢砂漿回收的硅粉和氮氣為原料，以氮氣輸送載體，生產氮化娃微粉和氮化娃結合碳化娃陶瓷材料。
2.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:用于生產氮化硅微粉的原料是利用晶體硅加工廢砂漿回收的硅微粉，其成分為Si 彡 80—95 %、SiC 彡 20—5 %、Fe2O3 彡 0.1 %。
3.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:用于生產氮化硅微粉的原料是含N298--99.99%的氮氣，輸出壓力0.1—1.0MPa，配套制氮系統的生產能力是實際氮化用量的2-8倍，以滿足機組原料和熱量輸送需要。
4.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:氮化娃微粉的合成是在機組的核心設備-氣流床反應器內完成的；氣流床工作壓力0.2—1.6MPa,聞徑比3—10:1。(另案申請)
5.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:用于制造氮化硅結合碳化硅陶瓷材料毛坯的原料是晶體硅加工廢砂漿回收的二元砂，其成分為 Si = 40—20%, SiC = 60—80%, Fe2O3 ^ 0.1%0
6.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:用于生產氮化硅結合碳化硅陶瓷材料燒結的能量和氮氣是氣流床反應器排出的、溫度1200—1600°C、壓力0.01—0.1OMPa含有少量氮化硅微粉的反應氮氣提供的。
7.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:氮化硅結合碳化硅陶瓷材料的反應燒結是在本機組的關鍵設備-隧道窯內完成的；隧道窯工作壓力< 0.1MPa，工作截面積是氣流床截面積的0.5—4倍，長度是氣流床高度5-20倍；與配套的隧道窯窯車組合形成隧道式燒結通道。(另案申請)
8.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，其特征在于:連接氣流床反應器和隧道窯的氮氣傳輸裝置是壓力控制器，其前端安裝有根據氣流床反應器工藝要求進行壓力調節的自動控制閥，后端設有與隧道窯燒結工藝匹配的氣流分布器，壓力控制器外殼為金屬殼體，內襯能夠承受1200—1600°C的隔熱材料。
9.根據權利要求1所述的用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的生產機組，其特征在于:除上述氣流床反應器、隧道窯、隧道窯窯車、壓力控制器必須專門設計制造夕卜，其余包括氮氣等離子體點火器、干燥機、娃粉料倉、娃粉氣力輸送器、Si3N4氣力輸送器、Si3N4料倉、產品計量包裝裝置、 制氮裝置、自控系統及相關配套管道、閥門、儀器儀表均可根據機組設計能力，選用市場成熟設備器件配套。
全文摘要
用晶體硅加工廢砂漿回收硅粉制備氮化硅產品的機組，由氣流床反應器1、氮氣等離子體點火器13、壓力控制器2、隧道窯3、窯車4、干燥機5、硅粉料倉6、硅粉氣力輸送器7、Si3N4氣力輸送器8、Si3N4料倉9、產品計量包裝裝置10、空分制氮裝置11、自控系統12及相關配套管道、閥門、儀器儀表構成；其中的氣流床反應器1、壓力控制器2、隧道窯3、窯車4是本發明的核心或關鍵設備，其它為可以采用市場成熟技術配套的設備；以晶體硅加工廢砂漿回收的硅粉和氮氣為原料，以氮氣為原料和熱量輸送載體，生產氮化硅微粉和氮化硅結合碳化硅陶瓷材料。
文檔編號C04B35/584GK103183324SQ20131002413
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者吳清麗, 尹克勝, 尹弘毅, 劉紅亮, 劉來寶 申請人:尹克勝