多晶硅生產(chǎn)過程中硅渣漿的處理

張春偉，田 新，3

（1.江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221004；2.江蘇協(xié)鑫特種材料科技有限公司，江蘇徐州 221004；3.江蘇鑫華半導體材料科技有限公司，江蘇徐州 221004）

多晶硅生產(chǎn)過程中硅渣漿的處理

張春偉1，2，田 新1，2，3

（1.江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221004；2.江蘇協(xié)鑫特種材料科技有限公司，江蘇徐州 221004；3.江蘇鑫華半導體材料科技有限公司，江蘇徐州 221004）

首先探討了多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣的處理難點，并對當前國內(nèi)外多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣處理工藝進行研究，最后展望了硅漿渣處理工藝的發(fā)展方向，為多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣處理工藝的設(shè)計提供資料參考。

多晶硅；生產(chǎn)過程；硅漿渣；處理研究

在政策和市場需求的推動下，我國太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。多晶硅作為太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要工業(yè)原料，其市場需求量逐漸增加。多晶硅的生產(chǎn)會產(chǎn)生很多高毒物質(zhì)，如果硅漿渣的處理達不到環(huán)保標準，將會給環(huán)境帶來巨大污染。隨著市場對多晶硅產(chǎn)品需求量的不斷加大，很多資金投入到多晶硅的生產(chǎn)領(lǐng)域。但受技術(shù)、經(jīng)驗和生產(chǎn)標準的影響，多晶硅的硅漿渣處理一直達不到環(huán)保標準，這極大的阻礙了我國太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，在科研單位和生產(chǎn)企業(yè)的努力下，我國多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣處理工藝和技術(shù)進步顯著，但很多技術(shù)和方法由于成本造價較高，難以實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。如何進一步推動硅漿渣處理工藝和技術(shù)的發(fā)展，新的理念、方法和技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，已經(jīng)成為擺在多晶硅生產(chǎn)制造企業(yè)面前亟需解決的問題。

1 多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣的處理難點

在多晶硅生產(chǎn)工藝中，所產(chǎn)生的硅漿渣大部分為高廢物，還伴隨有少量的氯硅烷單體和硅粉和催化劑。硅漿渣作為多晶硅生產(chǎn)不可避免的副產(chǎn)物，不僅對環(huán)境污染危害較大，還具有一定的回收利用價值。但由于硅漿渣中氯硅烷活性較高，加之硅粉和催化劑雜質(zhì)對環(huán)境危害性高，因而多晶硅生產(chǎn)中必須把握好硅漿渣的處理要點，提高硅漿渣處理工藝質(zhì)量。筆者對多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣的成分進行總結(jié)分析，硅漿渣的處理難點主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1 氯硅烷處理難度較大

氯硅烷在硅漿渣中所占的比例不大，但由于該物質(zhì)會與水、空氣發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，并生成酸霧、氫氣和漂浮狀固體，因而其處理難度較大。在氯硅烷處理中，首要解決的就是處理工藝的安全操作問題，如果處理程序中導致氯硅烷劇烈反應(yīng)，不僅會給操作人員帶來安全威脅，劇烈反應(yīng)所產(chǎn)生的漂浮狀固體還會影響硅漿渣的處理工藝作用的發(fā)揮。如何在不影響氯硅烷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)對氯硅烷的分離和處理，顯然是硅漿渣處理技術(shù)的重點和難點。

1.2 硅粉中其他化合物的處理難度較大

硅粉在多晶硅生產(chǎn)中是作為生產(chǎn)原料使用，由于工業(yè)硅粉的純度很難保證，因而在硅粉參與反應(yīng)時，會有很多磷、鋁、硼等單質(zhì)蓄積。這些單質(zhì)不參加反應(yīng)，其蓄積會影響多晶硅的生產(chǎn)效率。磷、鋁、硼等雜志最終匯入硅漿渣中，如果不經(jīng)過處理就排放到自然環(huán)境中，會給土壤和水系帶來巨大的影響和破壞。由于這些雜質(zhì)的化學性質(zhì)差距較大，很難以同一組處理分離工藝將其有效分離，這無疑加大了硅漿渣的處理難度。

1.3 國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣處理工藝比較落后

我國多晶硅生產(chǎn)起步較晚，硅漿渣的工藝處理更是比較落后?，F(xiàn)如今硅漿渣處理工藝，大多是依托于有機硅生產(chǎn)的后續(xù)處理工藝發(fā)展而來，雖然能夠達到部分硅漿渣處理要求，但其處理效果卻難以達到環(huán)保要求。因為硅漿渣處理工藝比較落后，影響了我國多晶硅生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展，限制了國內(nèi)太陽能行業(yè)的健康發(fā)展。

2 多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣的處理方法

多晶硅生產(chǎn)過程中的硅漿渣處理，大多是采用水解法和裂解法，國內(nèi)外硅漿渣處理工藝大致相同，但在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，我國的工藝和流程設(shè)計質(zhì)量稍差。筆者對當前國內(nèi)外硅漿渣處理工藝展開研究，目前能夠應(yīng)用于多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣處理的技術(shù)主要有以下幾種。

2.1 水解法

目前應(yīng)用于有機硅漿渣處理技術(shù)的水解法，主要是通過在漿渣中添加礦物油或其他物質(zhì)來是漿渣水解產(chǎn)物顆粒粘附性降低，從而方便對硅漿渣的進一步處理。該方法技術(shù)和原理上相對比較簡單，憑借現(xiàn)有的工藝也較為容易實現(xiàn)。但由于水解速度較慢，其硅漿渣處理效率遠遠達不到國內(nèi)多晶硅的產(chǎn)能需求。而且在水解過程中加入其它物質(zhì)，會加大廢料處理成本，導致硅漿渣處理中加入新的污染源。還有些國外企業(yè)利用水解介質(zhì)實現(xiàn)對硅漿渣的處理，該方法不需要添加其它物質(zhì)，硅漿渣處理效率高、效果好，并且安全性較高。但該方法無法實現(xiàn)對硅漿渣中有用資源的回收利用，會造成一定的資源浪費。

2.2 裂解法

多晶硅生產(chǎn)過程中硅漿渣處理所應(yīng)用的裂解法包括高溫裂解法和催化裂解法兩種，高溫裂解法需要在300～900℃的環(huán)境中，得到硅烷單體。高溫裂解法對原料要求較低，能夠裂解所有硅烷，但由于溫度要求高，其能源消耗量大，并會有積碳嚴重的問題。催化裂解法是添加催化劑來使硅漿渣中的有害物質(zhì)無害化，該方法節(jié)約能源、處理效率高、成本投入小，但卻不能裂解所有組分，其應(yīng)用具有一定的局限性。

2.3 萃取法

萃取法作為從有機硅生產(chǎn)中發(fā)展而來的硅漿渣處理方法，通過在硅漿渣中添加萃取劑來實現(xiàn)硅漿渣中固液兩相的分離。分離后采取干燥、分離的方法，能夠回收氯硅化合物，通過進一步精餾提純對氯硅化合物提出并回收，實現(xiàn)資源回收利用的目的。

2.4 精餾法

精餾法是一種有效的連續(xù)式氯硅烷殘夜回收方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對氯硅烷的回收再利用。精餾法殘液回收裝置主要包括過濾器、初餾塔、六氯二硅烷脫輕塔、六氯二硅烷脫重塔、四氯化硅脫輕塔和四氯化硅脫重塔。主要工藝流程為：氯硅烷殘液由殘液灌壓入過濾器，消除固體雜質(zhì)，防止固體雜質(zhì)對后續(xù)分離產(chǎn)生影響；濾液隨后進入初餾塔，含四氯化硅組分的物流從塔頂采出，依次進入四氯化硅脫輕塔與脫重塔，含六氯二硅烷組分的物流從塔底采出并依次進入六氯二硅烷脫輕塔與脫重塔；在六氯二硅烷脫重塔塔底得到高沸物硅油粗產(chǎn)品，在六氯二硅烷脫輕塔塔頂與四氯化硅脫重塔塔底得到以有機氯硅烷為主的廢液并送去淋洗，在四氯化硅脫輕塔塔頂?shù)玫降囊匀葰涔铻橹鞯妮p組分回收并入三氯氫硅精餾提純工序；六氯二硅烷產(chǎn)品由六氯二硅烷脫重塔塔頂?shù)玫?，四氯化硅產(chǎn)品由四氯化硅脫重塔塔頂?shù)玫健?/p>

2.5 焚燒法

焚燒法是國內(nèi)有機硅企業(yè)運用的新工藝，該工藝對硅漿渣的處理工藝設(shè)計也具有借鑒意義。通過對硅漿渣高溫處理，能夠?qū)崿F(xiàn)硅漿渣的無害化處理，焚燒后的殘渣通過提出或回收利用，還能夠?qū)崿F(xiàn)資源的回收和利用。硅漿渣焚燒處理可以采用回轉(zhuǎn)窯焚燒基礎(chǔ)，硅漿渣焚燒技術(shù)能夠有效的解決硅漿渣對環(huán)境的污染，并改善有機硅企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。該工藝不僅成本較低，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)資源的回收利用，因而具有一定的研究、應(yīng)用和推廣價值。

3 硅漿渣處理發(fā)展方向

我國硅漿渣的處理工藝主要的發(fā)展方向就是無害化和資源化。對硅漿渣資源化利用可以通過分離提出等技術(shù)實現(xiàn)，但無害化處理卻是硅漿渣處理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點和難點。目前多晶硅生產(chǎn)中硅漿渣處理最成熟的技術(shù)就是水解技術(shù)，但該技術(shù)在具體應(yīng)用中仍然存在著處理效率慢、資源回收不足等問題，要進一步推動貴漿渣處理技術(shù)的發(fā)展，就一定要推動其向無害化和資源化的方向發(fā)展。

綜上所述，硅漿渣的無害化和資源化處理，已經(jīng)成為擺在多晶硅生產(chǎn)企業(yè)面前亟需解決的問題。為了推動我國太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須不斷推動硅漿渣處理工藝的進步與發(fā)展，為多晶硅企業(yè)產(chǎn)能的擴大和多晶硅生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展打下基礎(chǔ)，為實現(xiàn)我國太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和新能源戰(zhàn)略的目標實現(xiàn)做出貢獻。

[1]宋東明，宋良杰，方瓊，等.改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的廢氣淋洗處理工藝及設(shè)備：CN102989300A[P].2013.

[2]劉芳，李俊，谷雙.多晶硅生產(chǎn)過程中的硅渣漿處理[J].廣東化工，2014，41（2）：62.

[3]王志民.臥式螺帶干燥機用于多晶硅渣漿的干燥過程研究[D].天津大學，2012.

Study on the Treatment of Polysilicon Production Process of Silicon Slag Slurry

Zhang Chun-wei，Tian Xin

this paper firstly discusses the difficulties in the process of polycrystalline silicon slag pulp in production.And it studies current silicon slag slurry treatment process in production of polysilicon at home and abroad.Also it prospects its development direction of treatment process at last and provides reference information for the design of silicon slag slurry treatment process in polysilicon production process

polysilicon；The production process；Silicon slag slurry；Processing research

TN304.12

A

1003-6490（2016）08-0080-02

2016-08-10

張春偉（1973—），男，吉林榆樹人，工程師，主要從事新材料、新技術(shù)等項目開發(fā)工作。