多晶硅生產中廢氣處理工藝改造

吳 偉

（新疆協鑫新能源材料科技有限公司，新疆 昌吉 830000）

關鍵字：工藝改造；廢氣處理；多晶硅

多晶硅作為太陽能光伏產業的重要原料，隨著全球經濟的發展，光伏產業的迅速擴大，對多晶硅的需求量日益增加。在生產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，假如不進行有效處理便隨意排放，將會嚴重破壞生態環境，并且還會引發不必要的爆炸與火災等事故，進而帶來嚴重的經濟損失，危及人們的身心健康。所以，積極采取合理措施對廢氣進行高效處理，能夠有效保證多晶硅的正常生產，維護生態平衡。

1 多晶硅生產廢氣處理現狀

1.1 多晶硅廢氣的產生原理

當前我國通常會選用改良西門子法生產多晶硅，在主體生產期間仍然是使用硅粉、氫氣、氯化氫及四氯化硅來生產三氯氫硅，然后在再將其進行冷凝、提純后與氫氣經過還原反應得出高濃度的硅單質，然后再經由還原爐中產出多晶硅。在這一反應期間，生產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，所以生產多晶硅所帶來的的廢氣有著極強的腐蝕性與酸性，屬于易燃易爆氣體，因此有必要加以處理。

1.2 處理多晶硅生產廢氣的方法

處理生產多晶硅廢氣的目的即去除廢氣當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置多級的淋洗塔，廢氣經過淋洗塔，其中的氯硅烷就會經過水解反應生產氯化氫，氯化氫又溶于水進而使得廢氣滿足排放標準。但氯化氫的溶解度較低，所以選用這一方法將會耗費大量的水，進而造成水資源浪費[1-2]。

其次堿洗法處理廢氣，這一方法能夠很好的彌補水洗法的缺陷，其原理是堿液可以吸收廢氣當中的氯硅烷以及氯化氫，氯化氫和堿液經過化學反應被吸收，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，廢氣與堿液經過中和生產氯化鈣與硅酸鈣和硅酸鈉，這樣廢氣中就只剩下氮氣、氫氣以及水蒸氣，進而達到排放標準。但如果是氫氧化鈉等高堿性溶液時其對設備的腐蝕程度也較高，可使用氫氧化鈣堿性溶液，但反應生成的硅酸鈣以及氯化鈣溶液的溶解性低，很容易導致內部管路堵塞的問題。并且采取水洗法以及堿洗法對廢氣進行處理期間無法更有效的回收廢氣當中的氯元素，進而也就形成了浪費，并且還無法降低廢氣中氫氣含量，廢氣易燃易爆的特點仍然不能解決，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境下充分燃燒，經過燃燒廢氣當中的氯硅烷分解為氯化氫與二氧化硅，然后再經過降溫與吸收系統將氯化氫以及二氧化硅氣體進行回收再利用，不僅減少了資源浪費，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過程的安全系數。盡管這一方法要明顯優于以上兩種，但其對設備的工藝標準要求相當高，且操作復雜，成本高，所以經濟效益差，當前還未得以廣泛應用。

除此之外還有酸洗處理發。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的水解反應物，避免了雜質的進入，確保了濃鹽酸與二氧化硅的質量。經過反應生成的濃鹽酸最后經過揮發以氣態的形式流入三氯氫硅合成系統當中，經過淋洗以后氯硅烷融入水，其形成的渣水混合物，再經由壓濾機實現固液的分離，固體經過洗滌干燥，形成水和白炭黑，而液體則返回淋洗塔重新利用。這一方法實現了氯離子的回收利用，減少了結晶、中和的成本，但最終生成的氯化鈉因摻有大量雜質致使無法加以利用。

2 原工藝流程及其存在的不足

2.1 原工藝流程

原工藝當中的廢氣是通過兩個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，發生化學反應，反應產物經過堿液槽流入堿液池中。但氮氣、氫氣以及水蒸氣等未完成化學反應的其它，經過管道進入B塔，在B塔當中再噴淋堿液進行化學反應，使得氣體滿足排放標準。

2.2 存在的不足

1）工藝過于簡單，浪費現象嚴重。生產多晶硅產生的廢氣源于多個環節，比如氫化、還原等。這些工序當中產生的廢氣有一些氯硅烷，它屬于可回收利用氣體。而在原工藝當中只將其看作廢氣進行處理，并沒有對其進行回收利用，這不僅造成了嚴重的資源浪費，同時還耗費了大量的堿液，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，經濟效益不高。

2）原工藝處理效果差。在生產多晶硅期間涉及到多道工序，這些工序共同組成一個閉環系統，這一系統當中的任何一個環節出現問題，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，不能實現對廢氣的充分處理，這就造成廠區出現大量的白色煙霧，不僅污染環境，還浪費了資源。

3）原工藝安全系數低。生產多晶硅的廢氣當中含有大量的二氯甲硅烷、三氯氫硅以及氫氣等易燃物質，一旦與氧氣接觸很容易引發爆炸。但如果使用堿液對其進行噴淋，發生化學反應釋放大量的熱量，爐內溫度迅速上升，很容易導致氣體當中的可燃物質自然，進而引發爆炸。

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展的需求。所以有必要對原工藝進行合理改造，以便更好的處理廢氣，提高廢氣處理的安全性，進而推動多晶硅生產的進步一發展。

首先在保留原工藝設備的基礎上添加兩臺備用塔，分別為C、D塔。其目的是在生產多晶硅期間不穩定的基礎上對工藝提出更高的標準。當生產多晶硅期間系統運行不穩定時，廢氣量將會大幅度增加，此時打開C、D塔，提高廢氣處理的效率及速度，進而滿足多晶硅生產中廢氣處理的要求，確保系統正常運行。

然后，添加一套冷凝分離裝置。對多晶硅生產廢氣進行收集以后，先將其引入冷凝裝置，通過溫度與壓力的調節，將氯硅烷有氣體轉為液體，實現分離機回收利用。走出冷凝裝置以后廢氣再經過A塔進行噴淋處理。

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，并安裝壓力調控裝置，將壓力控制在0.3～0.5MPa，進而實習對N2管道的保護，嚴禁空氣流入管道，引發不必要的爆炸與火災等事故。

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

3.2 改造效果

首先，原工藝經過改造以后，廢氣處理的質量以及效率都得到了明顯的改善。廢氣當中的氯硅烷經過冷凝以后實現高效回收，并且還很好的減少了堿液的用量。經調查發現，在對堿液淋洗法經過改造以后，氯硅烷的回收率達到了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效益。

其次，在經過改造之后，通過對廢氣進出系統的采樣分析，其結果表明，原工藝中廢氣排放中有毒氣體的殘余量高達17.6%，但經過改造以后廢氣經過系統處理，其中殘留有害氣體的量達到規范標準，基本解決了生產多晶硅期間給環境帶來的影響問題。

最后，原工藝經過改造，以往的廢氣易燃易爆現象徹底消除，多晶硅生產中基本不再出現爆炸、著火等事故，很好的保證了多晶硅生產的安全性，并且大大提高了多晶硅生產質量及產量，有效促進了多晶硅產業的發展。

4 結語

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定性，很好的滿足了多晶硅高質量與產量的要求。