空氣源熱水器在LED現(xiàn)場供氣中的應(yīng)用＊

陳琦峰，冉康德，王 海，黃軍聘，王 磊，朱威莉

(蘇州金宏氣體股份有限公司，江蘇蘇州 215152)

近年來，在全球關(guān)注低碳經(jīng)濟模式的背景下，世界各國大力發(fā)展清潔能源以及節(jié)能技術(shù)，重點關(guān)注低碳經(jīng)濟。在此背景下，我國的LED技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展。尤其以高亮度GaN基藍(lán)光LED為核心的半導(dǎo)體照明技術(shù)對照明領(lǐng)域帶來了很大的沖擊，并成為目前全球半導(dǎo)體領(lǐng)域研究和投資的熱點。隨著半導(dǎo)體發(fā)光器件 (LED)等光電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，行業(yè)中的單體設(shè)計產(chǎn)能有了爆發(fā)式的增長，對上游原材料的需求量有了更為龐大的需求。

7N電子級超純氨是LED行業(yè)中的一種重要原材料，是MOCVD技術(shù)制備GaN的重要基礎(chǔ)材料。其基本原理在于超高純氨氣用于金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積 (MOCVD)外延生長過程中，它與金屬有機物的前驅(qū)物三甲基鎵 (Ga(CH3)3)在高溫高壓下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氮化鎵:

氮化鎵是LED技術(shù)的核心，決定著LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對超純氨的供應(yīng)提出了更高的要求。目前，全球LED行業(yè)中的單體工廠對超純氨的用量規(guī)模，其供應(yīng)最大的流量不超過100 Nm3/h;隨著LED行業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)的進(jìn)一步擴大，在實際需求上，對超純氨的流量超過400 Nm3/h的LED工廠其數(shù)量正在迅速增加。

當(dāng)前LED生產(chǎn)過程中廣泛使用的對超純氨的三種液氨罐 (Y瓶、T瓶、ISO槽車)的現(xiàn)場氣化供氣模式如表1所示。

每個T瓶每小時可提供12 m3的超純氨，當(dāng)客戶對超純氨的需求量為400 Nm3/h時，需要33個T瓶方可滿足需求;采用Y瓶，可提供的供氣量為30 Nm3/h，需13個Y瓶方可滿足需求;當(dāng)采用ISO罐車，只需4輛即可滿足需求。由此可見，ISO罐車是目前超純氨大規(guī)模現(xiàn)場供氣最有效的供氣方式。然而，目前ISO罐車供氣也存在著一定的局限性:ISO罐車采用電加熱方式實現(xiàn)液氨的氣化，耗電量較大;供氣系統(tǒng)內(nèi)壓力受加熱源溫度、流量等影響波動較大，使供氣管路內(nèi)氣體有潛在液化的可能。

表1 超純氨現(xiàn)場供氣方式Table1 The way of the supply of ultra purity ammonia

為了克服上述缺點，我公司開展了采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)代替電加熱以實現(xiàn)節(jié)能、不限流量和可以恒壓輸出的一種超純氨大流量氣化恒壓供氣系統(tǒng)的研究。

1 實驗裝置

圖1為采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)代替電加熱的一種超純氨大流量氣化恒壓供氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括ISO液氨罐車、緩沖罐、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。其中ISO罐外部設(shè)計有夾套，夾套外層用保溫材料包裹，夾套內(nèi)部可供熱水循環(huán)，一路管線與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)出水口相連;ISO罐出口與緩沖罐相連，緩沖罐同樣設(shè)計有夾套與保溫層，該夾套入口與ISO罐車夾套出口管線相連，出口管線與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)水口相連，以保證熱水在罐車與緩沖罐之間循環(huán);緩沖罐出口管線接入調(diào)壓系統(tǒng)，調(diào)壓系統(tǒng)的壓力和流量由自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，由調(diào)壓系統(tǒng)輸出恒壓的氨氣。

圖1 超純氨大流量氣化恒壓供氣系統(tǒng)Fig.1 The large flow of vaporization system of ultra purity ammonia with constant pressure

原料氨ISO罐車 (1)與緩沖罐相連，夾套進(jìn)口與空氣源熱泵熱水裝置出口相連，夾套出口與緩沖罐夾套熱水進(jìn)口相連。熱水經(jīng)空氣源熱泵熱水裝置進(jìn)入原料罐車夾套對原料罐車加熱，氣化液氨的換熱面積保持100%以上的余量使液氨氣化，可以避免四季溫差和長時間氣化使外部結(jié)霜而導(dǎo)致的換熱效果不佳的問題。經(jīng)氣化后的氨氣進(jìn)入緩沖罐。

緩沖罐 (3)入口與原料罐車相連，出口與調(diào)壓系統(tǒng)相連。緩沖罐熱水夾套進(jìn)口與原料罐車熱水夾套出口相連，出口與空氣源熱泵熱水裝置相連，通過空氣源熱泵熱水裝置保證了熱水在原料罐車和緩沖罐之間的循環(huán)，提高了熱水的利用效率。緩沖罐上連有溫度、壓力等儀表，控制緩沖罐內(nèi)的水溫，保證出緩沖罐的全為氣態(tài)氨。

原料氨罐與緩沖罐的熱水源由空氣源熱泵熱水裝置 (4)提供，熱水系統(tǒng)為封閉的，用泵循環(huán)。熱水系統(tǒng)對水溫的控制限為±1℃，保證了加熱的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

緩沖罐的氨氣出口管線與調(diào)壓系統(tǒng)相連，調(diào)壓裝置包括恒壓調(diào)節(jié)閥組 (5)，溫度、壓力和流量儀表，恒壓調(diào)節(jié)閥組內(nèi)設(shè)置有自動調(diào)節(jié)閥。溫度、壓力、流量等信號輸入自動控制系統(tǒng) (6)內(nèi)，該系統(tǒng)根據(jù)輸入的信號控制調(diào)節(jié)恒壓調(diào)節(jié)閥組，從而對整個調(diào)壓系統(tǒng)的壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)內(nèi)與超純氨接觸的管線和部件均采用電解拋光的316 L不銹鋼材質(zhì)制成，以保證輸出的成品氨氣的品質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)代替電加熱能夠為超純氨用戶節(jié)約能源，降低成本，為了證實這一結(jié)論，本文結(jié)合理論計算對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和電加熱的能耗進(jìn)行了對比，其對比結(jié)果如下:

ISO罐車液氨載重量為10 t，1 kg液氨氣化成為氨氣所需的熱量為1369 kJ，所選空氣源熱水器的制熱量為171 kW/h，電機輸入功率為42.5 kW/h。

如采用電加熱，理論上每小時將每噸液氨氣化為氨氣所需的電量為:

采用空氣源熱水器加熱，理論上空氣源熱水器每日工作時間為:

理論上采用空氣源熱水器每小時每噸液氨氣化為氨氣所需的電量為:

表2 兩種加熱方式能耗對比Table2 The comparison of the energy consumption of the two heating methods

從以上計算結(jié)果可知，采用空氣源熱水器對ISO罐車供熱可大大降低能耗 (表2和圖2所示)，平均每噸氨氣可節(jié)約285.7 kW的熱量，以每度電0.8元計算，每噸液氨理論上可節(jié)約228.6元。

圖2 兩種加熱方式能耗對比圖Fig.2 The comparison of the energy consumption of the two heating methods

金宏氣體股份有限公司現(xiàn)有超純氨生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)1500 t，目前在華東市場，金宏的超純氨已經(jīng)占據(jù)半壁江山，能夠為客戶量身定做提供不同的供氣方式。在金宏的超純氨客戶中，傳統(tǒng)的T瓶、Y瓶供氣方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，ISO罐車成為了未來的發(fā)展趨勢。目前，蘇州聚燦光電率先使用了上述圖1中所示的供氣系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場大規(guī)模的供氣。按照上述的理論計算，聚燦每月超純氨的需求量為15 t，每月可為客戶節(jié)省3429元，年可節(jié)省41148元。倘若金宏的超純氨客戶全部實現(xiàn)ISO罐車供氣，則每年可為客戶節(jié)省342900元。

3 結(jié)論

采用該套設(shè)備，克服了時間、空間和地域的限制，有利于公司客戶源的進(jìn)一步開辟;采用夾套式熱水循環(huán)系統(tǒng)增加了熱水的利用效率，降低了熱損失;采用緩沖罐不僅能夠防止因溫度、壓力或者一些人為操作因素造成的供氣不穩(wěn)或者由于原料液氨由于供熱不足而液化給生產(chǎn)設(shè)備造成損壞，還能進(jìn)一步對成品氨氣進(jìn)行提純，保證了供氣的質(zhì)量;采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)代替電加熱不僅能夠節(jié)省大量寶貴的能源，降低使用成本，而且不限流量和可以恒壓輸出，保證了大規(guī)模的氨氣現(xiàn)場供應(yīng)，為LED的發(fā)展解決了后顧之憂，促進(jìn)了LED行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和繁榮。