探究吸附裝置安裝位置對(duì)多晶硅除硼磷的影響

賀玉剛，王 芳，孫 強(qiáng)，張曉偉，時(shí)慶合，付 強(qiáng)

（洛陽(yáng)中硅高科技有限公司，河南洛陽(yáng)471023）

隨著世界工業(yè)的大發(fā)展， 環(huán)境和能源問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)重影響人們的生活，因此如何降低環(huán)境污染、減少能源消耗，成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要課題［1］。面對(duì)這一重大課題，世界各國(guó)開(kāi)始新型能源的開(kāi)發(fā)利用， 太陽(yáng)能光伏行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭最為突出［2-3］。 多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)重要的基礎(chǔ)材料，市場(chǎng)需求量劇增， 多晶硅的品質(zhì)成為企業(yè)決勝的關(guān)鍵因素。三氯氫硅是沉積生成多晶硅的主要原料，其純度的高低決定著多晶硅產(chǎn)品的品質(zhì)。 多晶硅的品質(zhì)會(huì)直接影響光伏產(chǎn)品的功能和質(zhì)量［4-5］。多晶硅生產(chǎn)中最難去除的雜質(zhì)是硼、磷，這兩種雜質(zhì)在多晶硅生產(chǎn)的冷氫化階段會(huì)與物料發(fā)生反應(yīng)， 生成種類(lèi)繁多的硼系和磷系化合物，硼系化合物與氯硅烷的物化性質(zhì)接近，極難去除［6-10］。 如何高效去除硼、磷雜質(zhì)提高三氯氫硅純度，成為多晶硅企業(yè)發(fā)展中的一大難題。 面對(duì)這一問(wèn)題， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了眾多嘗試和研究，主要工藝包括萃取法［11］、絡(luò)合法［12-15］、吸附法［16-17］、部分水解法［18-19］和精餾法等［20］。其中對(duì)吸附法除硼、磷工藝的研究最為廣泛，通過(guò)考察吸附劑、吸附壓力、進(jìn)料溫度、進(jìn)料量等因素對(duì)吸附效果的影響確定最佳吸附工藝參數(shù)。 但是，在多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)中物料自身雜質(zhì)含量對(duì)吸附裝置的吸附效果以及裝置的使用壽命都有較大的影響， 此類(lèi)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者針對(duì)吸附除雜的工藝過(guò)程進(jìn)行研究，討論了系統(tǒng)中不同階段的物料進(jìn)入硼、磷吸附裝置的除雜效果，確定了硼、磷吸附裝置在系統(tǒng)中的最佳安裝位置。

1 實(shí)驗(yàn)方法

以洛陽(yáng)中硅公司多晶硅系統(tǒng)中硼、磷雜質(zhì)吸附裝置為基礎(chǔ)，對(duì)多晶硅系統(tǒng)中吸附除雜工藝進(jìn)行研究。 將吸附裝置安裝在系統(tǒng)中的不同位置；見(jiàn)圖1。位置①為回收塔低沸物料進(jìn)入分離塔的中間管道處；位置②為回收塔產(chǎn)品進(jìn)入精餾塔的中間管道處，位置③為氫化粗鎦塔產(chǎn)品進(jìn)入回收塔的中間管道處；位置④為精餾塔高低沸物料進(jìn)入回收塔的中間管道處。 對(duì)以上4 個(gè)位置的物料進(jìn)行吸附除雜。 投用前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)按照最佳工藝參數(shù)正常運(yùn)行，調(diào)試合格后連續(xù)運(yùn)行2 周時(shí)間。 通過(guò)吸附后物料中的雜質(zhì)含量、雜質(zhì)吸附率以及吸附裝置反沖洗情況等，確定吸附裝置在系統(tǒng)中的最佳安裝位置。

圖1 吸附裝置在提純系統(tǒng)中的安裝位置

2 結(jié)果與討論

吸附裝置安裝在系統(tǒng)中不同位置對(duì)物料中硼、磷雜質(zhì)的吸附效果見(jiàn)圖2。從圖2 看出，吸附裝置安裝在4 個(gè)位置，吸附后物料中B、P 雜質(zhì)含量均明顯減少，但是位置①處吸附后物料中雜質(zhì)含量仍然很高，其他3 個(gè)位置吸附后物料中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均降到5×10-9以下，其中位置②處吸附后物料中雜質(zhì)含量總和最小，吸附效果最好。

根據(jù)吸附前后物料中雜質(zhì)含量的變化，對(duì)吸附裝置安裝在不同位置對(duì)B、P 雜質(zhì)的吸附率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖3。 由圖3 看出，當(dāng)吸附裝置安裝在位置④時(shí)對(duì)B、P 的吸附效果最差，吸附率分別為22.8%和19.4%； 當(dāng)吸附裝置安裝在位置②時(shí)對(duì)B、P 的吸附效果均達(dá)到最佳，吸附率分別為87.4%和54.3%。

圖3 吸附裝置安裝在不同位置對(duì)B、P 的吸附率

吸附裝置安裝在系統(tǒng)的不同位置， 在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于進(jìn)料中含有硼、磷雜質(zhì)以及其他金屬雜質(zhì)，同時(shí)樹(shù)脂含有少量水分以及氯硅烷的水解物，會(huì)堵塞吸附劑通道。因此，當(dāng)冷卻器出口壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，需要將系統(tǒng)反向運(yùn)行2 h（反沖洗），再恢復(fù)正常進(jìn)料。 反沖洗次數(shù)的多少可以在一定程度上說(shuō)明吸附裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況， 是判斷吸附裝置在系統(tǒng)中位置合理性的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。 吸附裝置在系統(tǒng)中不同位置運(yùn)行時(shí)的反沖次數(shù)見(jiàn)圖4。 由圖4 看出，系統(tǒng)運(yùn)行2 周，當(dāng)吸附裝置在位置①時(shí)，裝置的反沖洗次數(shù)最高，為15 次；當(dāng)吸附裝置在位置②和位置③時(shí)，裝置的反沖洗次數(shù)為3 次；當(dāng)吸附裝置在位置④時(shí)，裝置的反沖洗次數(shù)為2 次。物料中雜質(zhì)含量越高，吸附裝置內(nèi)的樹(shù)脂越容易達(dá)到飽和，反沖洗的頻率就越高。 反沖洗過(guò)程不僅會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，還會(huì)降低樹(shù)脂的使用壽命，影響吸附效果。 反之，物料中雜質(zhì)含量較低時(shí)，裝置反沖洗次數(shù)明顯降低，這有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也可以提高裝置的吸附效果和使用壽命。

圖4 吸附裝置安裝在不同位置時(shí)的反沖洗次數(shù)

3 結(jié)論

采用相同的吸附裝置對(duì)不同位置的物料進(jìn)行吸附，對(duì)吸附后的雜質(zhì)含量、雜質(zhì)吸附率以及裝置的反沖洗頻率等進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1）當(dāng)吸附裝置安裝在回收塔產(chǎn)品進(jìn)入精餾塔的中間管道處（位置②）時(shí)，吸附后物料中雜質(zhì)含量最低，B、P 雜質(zhì)吸附率最高，且吸附裝置反沖洗頻率較低；2）當(dāng)物料中雜質(zhì)含量較高時(shí)，會(huì)影響裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性；3）當(dāng)雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1×10-8時(shí)，該裝置對(duì)物料的除雜效果不明顯。