多晶硅生產中廢氣處理工藝改造

張健

摘要：多晶硅生產中廢氣的處理方法主要有水洗法、焚燒法和堿液淋洗法。水洗法是多晶硅廠最傳統的廢氣處理方法，是通過大量的噴淋水吸收廢氣中氯化氫和氯硅烷，該方法資源浪費量巨大，同時存在重大的安全隱患，現在已基本不使用。焚燒法是將廢氣進行高溫燃燒和水解，得到=氧化硅和鹽酸，該方法因前期投資過大、設備要求過高、工藝復雜、運行成本高等原因，其應用受到限制。堿液淋洗法因其工藝簡單、投資和運行成本較低、處理效果好等優點，成為目前多晶硅廠最常用的廢氣處理方法。

關鍵詞：多晶硅；廢氣處理；環保

1多晶硅的用途及分類

當前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場占有率在90%以上，而且在今后相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。多晶硅具有半導體性質，是極為重要的優良半導體材料，但微量的雜質即可大大影響其導電性。多晶硅需求主要來自于半導體和太陽能電池。多晶硅按純度可以分為冶金級（工業硅）、太陽能級、電子級。（1）冶金級硅（MGl：石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業硅，其化學反應Si02+C-Si+CO2↑一般含si為90%-95%以上。（2）太陽能級硅（SG）：純度介于冶金級硅與電子級硅之間，至今未有明確界定。一般認為含si在99.99%-99.9999%（4～6個9）。（3）電子級硅（EG）：一般要求含si>99.9999%以上，超高純達到99.9999999%-99.999999999%（9-11個9）。

2原工藝流程及存在的問題

現國內多數多晶硅生產廠廢氣和廢液一般通過堿液淋洗進行處理，這樣會產生大量的高鹽廢水，不僅對環境有污染，還造成大量的資源浪費。而采用焚燒工藝處理廢氣及廢液，就可以變廢為寶，節能降耗。采用焚燒工藝可回收二氧化硅和鹽酸，余熱還可副產蒸汽用于廢水的蒸發結晶，既實現了廢水的零排放，又可以回收NaCl、CaCl2等鹽類作副產品出售，最后少量的廢氣經處理后達標排放，這樣一方面減少環境污染，另一方面做到節能減排，增加經濟效益。

2.1廢氣焚燒工藝及原理

采用焚燒工藝處理含氯廢氣已經在化工行業中得到廣泛應用，焚燒處理能最大限度地減容、減量并消除廢物對地下水、大氣和土壤的污染，而且廢物焚燒產生的熱能還可用于熱能回收，含氯廢氣焚燒可對其產生的氯化氫進行回收，實現變廢為寶。焚燒處理技術已在發達國家廣泛應用，如美國已建成200多套焚燒裝置，其焚燒處理的有害廢棄物占廢棄物總量的23.6%；日本、德國、法國、荷蘭和韓國等焚燒處理廢棄物的量也在本國廢棄物處理總量中占有相當大的比例。廢氣、廢液焚燒的工作原理是將有機廢水霧化、廢氣噴入焚燒爐，通入供給氧氣（空氣）和助燃燃料后點火燃燒，完成廢棄物的氧化熱解處理。在多晶硅廢氣、廢液處理中，采用高溫焚燒將廢氣、廢液轉化為HCl、SiO2、CO2及水蒸汽等產物，再通過對焚燒產物的深度處理和物料收集，實現無害化、資源化處理。

2.2原工藝流程

原廢氣處理工藝流程如圖1所示。來自精餾工序、還原工序、CDI工序、氫化工序及其他工序的廢氣匯總后進人A塔內，與A塔塔頂噴頭噴淋出來的堿液充分混合并發生化學反應，生成的NaCl、HCl、H20等通過堿液槽排人堿液池，固體沉淀經處理后外運，而H2、N2、H2O（水蒸汽）以及沒有反應完全的SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、HCl氣體通過連通管進入B塔，進一步與B塔塔頂噴淋出來的堿液發生反應，H2、N2和H2O（水蒸汽）直接放空，其他物質排入堿液池。同時，通過不斷加入堿（NaOH或Ca0H）使堿液槽內的pH維持在6-8。

3改造后的工藝

鑒于原工藝中所存在的問題，對其進行以下改造。（1）增設2臺備用塔——C塔和D塔。當多晶硅生產系統正常穩定運行時，開啟A塔和B塔即可；當多晶硅生產系統不穩定，且廢氣量劇增時，增開c塔和D塔。（2）增設1套冷凝分離裝置。來自精餾工序、還原工序、CDI工序、氫化工序及其他工序的廢氣匯總后進入冷凝分離裝置，控制其壓力在0.3-0.5MPa，溫度約-40℃，使氯硅烷（SiHCl3、SiCl4和SiH2C12）冷凝為液體并回收利用，而H2、N2、HCl和極少量殘留的氯硅烷氣體直接進入A塔和c塔內噴淋。（3）出于安全考慮，在A塔和c塔的頂部分別增設N2管道，并通入0.3-0.5MPa的保護N2，避免空氣進入塔內與SiHCl3、SiH2Cl2、H2接觸。（4）為了徹底解決原工藝中時常發生著火和爆炸的安全問題，增加1套水封裝置和1根長約15m的曲管。從B塔和D塔出來的H2、N2、殘留HCl和少量H2O（水蒸汽）通過放空管進入曲管，并通過水封裝置對曲管進行冷卻，然后將氣體排入水封裝置內除掉殘留HCl，H2、N2和少量H2O（水蒸汽）再經鼓泡后直接放空。

綜上所述，多晶硅廢氣、廢液的有效處理是確保多晶硅行業節能減排、清潔生產和可持續發展的重要一環。企業應增強自身的環保意識，加大對環保的投入，推廣廢氣焚燒處理工藝，做到對廢氣、廢液徹底有效治理。焚燒處理工藝不僅能夠回收副產物產生一定的經濟效益，降低廢氣、廢液的處理成本，減少資源浪費，而且可避免污染物的轉移，將對環境的影響降至最低。