多晶硅生產(chǎn)中廢氣處理工藝改造

張健

摘要：多晶硅生產(chǎn)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(tǒng)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(fèi)量巨大，同時(shí)存在重大的安全隱患，現(xiàn)在已基本不使用。焚燒法是將廢氣進(jìn)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(shè)備要求過高、工藝復(fù)雜、運(yùn)行成本高等原因，其應(yīng)用受到限制。堿液淋洗法因其工藝簡單、投資和運(yùn)行成本較低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前多晶硅廠最常用的廢氣處理方法。

關(guān)鍵詞：多晶硅；廢氣處理；環(huán)保

1多晶硅的用途及分類

當(dāng)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(dāng)長的一段時(shí)期也依然是太陽能電池的主流材料。多晶硅具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大影響其導(dǎo)電性。多晶硅需求主要來自于半導(dǎo)體和太陽能電池。多晶硅按純度可以分為冶金級（工業(yè)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(yè)硅，其化學(xué)反應(yīng)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(rèn)為含si在99.99%-99.9999%（4～6個(gè)9）。（3）電子級硅（EG）：一般要求含si>99.9999%以上，超高純達(dá)到99.9999999%-99.999999999%（9-11個(gè)9）。

2原工藝流程及存在的問題

現(xiàn)國內(nèi)多數(shù)多晶硅生產(chǎn)廠廢氣和廢液一般通過堿液淋洗進(jìn)行處理，這樣會產(chǎn)生大量的高鹽廢水，不僅對環(huán)境有污染，還造成大量的資源浪費(fèi)。而采用焚燒工藝處理廢氣及廢液，就可以變廢為寶，節(jié)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(chǎn)蒸汽用于廢水的蒸發(fā)結(jié)晶，既實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放，又可以回收NaCl、CaCl2等鹽類作副產(chǎn)品出售，最后少量的廢氣經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放，這樣一方面減少環(huán)境污染，另一方面做到節(jié)能減排，增加經(jīng)濟(jì)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(jīng)在化工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)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(chǎn)生的熱能還可用于熱能回收，含氯廢氣焚燒可對其產(chǎn)生的氯化氫進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。焚燒處理技術(shù)已在發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)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(dāng)大的比例。廢氣、廢液焚燒的工作原理是將有機(jī)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(diǎn)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(zhuǎn)化為HCl、SiO2、CO2及水蒸汽等產(chǎn)物，再通過對焚燒產(chǎn)物的深度處理和物料收集，實(shí)現(xiàn)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(jìn)人A塔內(nèi)，與A塔塔頂噴頭噴淋出來的堿液充分混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的NaCl、HCl、H20等通過堿液槽排人堿液池，固體沉淀經(jīng)處理后外運(yùn)，而H2、N2、H2O（水蒸汽）以及沒有反應(yīng)完全的SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、HCl氣體通過連通管進(jìn)入B塔，進(jìn)一步與B塔塔頂噴淋出來的堿液發(fā)生反應(yīng)，H2、N2和H2O（水蒸汽）直接放空，其他物質(zhì)排入堿液池。同時(shí)，通過不斷加入堿（NaOH或Ca0H）使堿液槽內(nèi)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(jìn)行以下改造。（1）增設(shè)2臺備用塔——C塔和D塔。當(dāng)多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，開啟A塔和B塔即可；當(dāng)多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定，且廢氣量劇增時(shí)，增開c塔和D塔。（2）增設(shè)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(jìn)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(jìn)入A塔和c塔內(nèi)噴淋。（3）出于安全考慮，在A塔和c塔的頂部分別增設(shè)N2管道，并通入0.3-0.5MPa的保護(hù)N2，避免空氣進(jìn)入塔內(nèi)與SiHCl3、SiH2Cl2、H2接觸。（4）為了徹底解決原工藝中時(shí)常發(fā)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(jìn)入曲管，并通過水封裝置對曲管進(jìn)行冷卻，然后將氣體排入水封裝置內(nèi)除掉殘留HCl，H2、N2和少量H2O（水蒸汽）再經(jīng)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(yè)節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。企業(yè)應(yīng)增強(qiáng)自身的環(huán)保意識，加大對環(huán)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(chǎn)物產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，降低廢氣、廢液的處理成本，減少資源浪費(fèi)，而且可避免污染物的轉(zhuǎn)移，將對環(huán)境的影響降至最低。