多晶硅生產(chǎn)中廢氣處理工藝改造

吳 偉

（新疆協(xié)鑫新能源材料科技有限公司，新疆 昌吉 830000）

關(guān)鍵字：工藝改造；廢氣處理；多晶硅

多晶硅作為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的重要原料，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)的迅速擴(kuò)大，對多晶硅的需求量日益增加。在生產(chǎn)多晶硅期間形成的廢氣不僅屬于有毒有害氣體，并且還帶有易燃易爆的特點(diǎn)，假如不進(jìn)行有效處理便隨意排放，將會嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，并且還會引發(fā)不必要的爆炸與火災(zāi)等事故，進(jìn)而帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，危及人們的身心健康。所以，積極采取合理措施對廢氣進(jìn)行高效處理，能夠有效保證多晶硅的正常生產(chǎn)，維護(hù)生態(tài)平衡。

1 多晶硅生產(chǎn)廢氣處理現(xiàn)狀

1.1 多晶硅廢氣的產(chǎn)生原理

當(dāng)前我國通常會選用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅，在主體生產(chǎn)期間仍然是使用硅粉、氫氣、氯化氫及四氯化硅來生產(chǎn)三氯氫硅，然后在再將其進(jìn)行冷凝、提純后與氫氣經(jīng)過還原反應(yīng)得出高濃度的硅單質(zhì)，然后再經(jīng)由還原爐中產(chǎn)出多晶硅。在這一反應(yīng)期間，生產(chǎn)三氯氫硅過程中殘余的氯化氫氣體、氯硅烷氣體和富余的氫氣都屬于廢氣，所以生產(chǎn)多晶硅所帶來的的廢氣有著極強(qiáng)的腐蝕性與酸性，屬于易燃易爆氣體，因此有必要加以處理。

1.2 處理多晶硅生產(chǎn)廢氣的方法

處理生產(chǎn)多晶硅廢氣的目的即去除廢氣當(dāng)中的氯硅烷以及氯化氫，這對這些氣體的處理方法目前采用最多的為燃燒法、堿洗法以及水洗法。其中堿洗法與水洗法原理類似，即利用堿與水的吸收作用來去除廢氣當(dāng)中的氯硅烷以及氯化氫。如果選用水洗法處理廢氣一般會設(shè)置多級的淋洗塔，廢氣經(jīng)過淋洗塔，其中的氯硅烷就會經(jīng)過水解反應(yīng)生產(chǎn)氯化氫，氯化氫又溶于水進(jìn)而使得廢氣滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。但氯化氫的溶解度較低，所以選用這一方法將會耗費(fèi)大量的水，進(jìn)而造成水資源浪費(fèi)[1-2]。

其次堿洗法處理廢氣，這一方法能夠很好的彌補(bǔ)水洗法的缺陷，其原理是堿液可以吸收廢氣當(dāng)中的氯硅烷以及氯化氫，氯化氫和堿液經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)被吸收，不僅提高了廢氣吸收效果，并且還大大降低了用水量。目前主要使用的堿液一般為氫氧化鈣與氫氧化鈉兩種，廢氣與堿液經(jīng)過中和生產(chǎn)氯化鈣與硅酸鈣和硅酸鈉，這樣廢氣中就只剩下氮?dú)?、氫氣以及水蒸氣，進(jìn)而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但如果是氫氧化鈉等高堿性溶液時(shí)其對設(shè)備的腐蝕程度也較高，可使用氫氧化鈣堿性溶液，但反應(yīng)生成的硅酸鈣以及氯化鈣溶液的溶解性低，很容易導(dǎo)致內(nèi)部管路堵塞的問題。并且采取水洗法以及堿洗法對廢氣進(jìn)行處理期間無法更有效的回收廢氣當(dāng)中的氯元素，進(jìn)而也就形成了浪費(fèi)，并且還無法降低廢氣中氫氣含量，廢氣易燃易爆的特點(diǎn)仍然不能解決，存在一定的安全隱患。

最后燃燒法處理廢氣，其原理不同于以上兩種，主要是通過添加助燃材料使得廢氣再有氧環(huán)境下充分燃燒，經(jīng)過燃燒廢氣當(dāng)中的氯硅烷分解為氯化氫與二氧化硅，然后再經(jīng)過降溫與吸收系統(tǒng)將氯化氫以及二氧化硅氣體進(jìn)行回收再利用，不僅減少了資源浪費(fèi)，并且還解決了廢氣易燃易爆的問題，大大提高了多晶硅生產(chǎn)過程的安全系數(shù)。盡管這一方法要明顯優(yōu)于以上兩種，但其對設(shè)備的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求相當(dāng)高，且操作復(fù)雜，成本高，所以經(jīng)濟(jì)效益差，當(dāng)前還未得以廣泛應(yīng)用。

除此之外還有酸洗處理發(fā)。這一方法與水洗處理法原理類似。它是將水作為氯硅烷與高濃度鹽酸反應(yīng)的水解反應(yīng)物，避免了雜質(zhì)的進(jìn)入，確保了濃鹽酸與二氧化硅的質(zhì)量。經(jīng)過反應(yīng)生成的濃鹽酸最后經(jīng)過揮發(fā)以氣態(tài)的形式流入三氯氫硅合成系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)過淋洗以后氯硅烷融入水，其形成的渣水混合物，再經(jīng)由壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)固液的分離，固體經(jīng)過洗滌干燥，形成水和白炭黑，而液體則返回淋洗塔重新利用。這一方法實(shí)現(xiàn)了氯離子的回收利用，減少了結(jié)晶、中和的成本，但最終生成的氯化鈉因摻有大量雜質(zhì)致使無法加以利用。

2 原工藝流程及其存在的不足

2.1 原工藝流程

原工藝當(dāng)中的廢氣是通過兩個(gè)氣體存儲塔完成廢氣處理。其具體操作是將廢氣匯總到A塔當(dāng)中，然后在頂部安裝噴灑裝置，堿液從噴灑裝置中噴出與廢氣充分混合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過堿液槽流入堿液池中。但氮?dú)狻錃庖约八魵獾任赐瓿苫瘜W(xué)反應(yīng)的其它，經(jīng)過管道進(jìn)入B塔，在B塔當(dāng)中再噴淋堿液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使得氣體滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 存在的不足

1）工藝過于簡單，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)生的廢氣源于多個(gè)環(huán)節(jié)，比如氫化、還原等。這些工序當(dāng)中產(chǎn)生的廢氣有一些氯硅烷，它屬于可回收利用氣體。而在原工藝當(dāng)中只將其看作廢氣進(jìn)行處理，并沒有對其進(jìn)行回收利用，這不僅造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，同時(shí)還耗費(fèi)了大量的堿液，并且還增加了對固體廢渣的處理成本，降低了廢氣處理效率，經(jīng)濟(jì)效益不高。

2）原工藝處理效果差。在生產(chǎn)多晶硅期間涉及到多道工序，這些工序共同組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)當(dāng)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能增加廢氣的排放量。加之原工藝對廢氣處理的能力有限，不能實(shí)現(xiàn)對廢氣的充分處理，這就造成廠區(qū)出現(xiàn)大量的白色煙霧，不僅污染環(huán)境，還浪費(fèi)了資源。

3）原工藝安全系數(shù)低。生產(chǎn)多晶硅的廢氣當(dāng)中含有大量的二氯甲硅烷、三氯氫硅以及氫氣等易燃物質(zhì)，一旦與氧氣接觸很容易引發(fā)爆炸。但如果使用堿液對其進(jìn)行噴淋，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放大量的熱量，爐內(nèi)溫度迅速上升，很容易導(dǎo)致氣體當(dāng)中的可燃物質(zhì)自然，進(jìn)而引發(fā)爆炸。

3 工藝改造及其效果

3.1 堿洗法的改造

介于原工藝中堿洗法的缺陷，尤其是存在的安全隱患，很難滿足多晶硅高速發(fā)展的需求。所以有必要對原工藝進(jìn)行合理改造，以便更好的處理廢氣，提高廢氣處理的安全性，進(jìn)而推動多晶硅生產(chǎn)的進(jìn)步一發(fā)展。

首先在保留原工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上添加兩臺備用塔，分別為C、D塔。其目的是在生產(chǎn)多晶硅期間不穩(wěn)定的基礎(chǔ)上對工藝提出更高的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)生產(chǎn)多晶硅期間系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，廢氣量將會大幅度增加，此時(shí)打開C、D塔，提高廢氣處理的效率及速度，進(jìn)而滿足多晶硅生產(chǎn)中廢氣處理的要求，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

然后，添加一套冷凝分離裝置。對多晶硅生產(chǎn)廢氣進(jìn)行收集以后，先將其引入冷凝裝置，通過溫度與壓力的調(diào)節(jié)，將氯硅烷有氣體轉(zhuǎn)為液體，實(shí)現(xiàn)分離機(jī)回收利用。走出冷凝裝置以后廢氣再經(jīng)過A塔進(jìn)行噴淋處理。

再然后，為了保證堿液處理的安全性，在A、C塔之間添加N2管道，將管道安裝到頂部，并安裝壓力調(diào)控裝置，將壓力控制在0.3～0.5MPa，進(jìn)而實(shí)習(xí)對N2管道的保護(hù)，嚴(yán)禁空氣流入管道，引發(fā)不必要的爆炸與火災(zāi)等事故。

最后，針對原工藝當(dāng)中的易燃易爆問題，可在之前設(shè)備的基礎(chǔ)上添加一套水封裝置以及一根曲管，曲管約長15m。從B、D塔出來的廢氣經(jīng)過曲管，待適當(dāng)冷卻以后，氣體溫度得到很好控制，然后再經(jīng)過水封裝置，這樣廢氣當(dāng)中的氮?dú)狻錃?、氯化氫以及水蒸氣待充分處理以后再進(jìn)行排放，大大提高了廢氣處理效率，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2 改造效果

首先，原工藝經(jīng)過改造以后，廢氣處理的質(zhì)量以及效率都得到了明顯的改善。廢氣當(dāng)中的氯硅烷經(jīng)過冷凝以后實(shí)現(xiàn)高效回收，并且還很好的減少了堿液的用量。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在對堿液淋洗法經(jīng)過改造以后，氯硅烷的回收率達(dá)到了92.1%。并且堿液的用量也大大降低，大大控制了廢氣處理成本，提高了多晶硅的生產(chǎn)效益。

其次，在經(jīng)過改造之后，通過對廢氣進(jìn)出系統(tǒng)的采樣分析，其結(jié)果表明，原工藝中廢氣排放中有毒氣體的殘余量高達(dá)17.6%，但經(jīng)過改造以后廢氣經(jīng)過系統(tǒng)處理，其中殘留有害氣體的量達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，基本解決了生產(chǎn)多晶硅期間給環(huán)境帶來的影響問題。

最后，原工藝經(jīng)過改造，以往的廢氣易燃易爆現(xiàn)象徹底消除，多晶硅生產(chǎn)中基本不再出現(xiàn)爆炸、著火等事故，很好的保證了多晶硅生產(chǎn)的安全性，并且大大提高了多晶硅生產(chǎn)質(zhì)量及產(chǎn)量，有效促進(jìn)了多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語

通過假如冷凝、加壓以及備用塔等裝置，確保了廢氣處理的安全性及穩(wěn)定性，很好的滿足了多晶硅高質(zhì)量與產(chǎn)量的要求。