氣相色譜分析儀在多晶硅項目中的應用

李文龍 李娟

摘 要：多晶硅復雜的生產工藝，極高的產品質量要求，生產成本的控制都需要更為先進的分析技術。在線氣相色譜分析儀是一種高精度檢測儀器，它以氣體作為流動相（載氣），采用專門設計的先進處理技術，對樣品進行在線分析。本文結合國電寧夏2500t/年多晶硅項目，在介紹色譜分析儀原理的基礎上，著重闡述了在線色譜分析儀在多晶硅項目中的實際應用。

關鍵詞：在線色譜分析儀;多晶硅;實時監測;生產效率;產品質量

中圖分類號：TH839 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0087-02

0引言

在線氣相色譜儀憑借其連續取樣、實時分析、測量范圍寬、分析準確、可同時對多種組份進行分析的特點，近年來在石油化工行業得到迅速普及，開始成為越來越重要的分析工具。

1氣相色譜分析儀基本組成

氣相色譜儀（Gas Chromatograph）組成部分，詳細見圖1。

2氣相色譜分析儀在多晶硅項目中的應用

國電寧夏2500t/年多晶硅項目（以下簡稱“國電多晶硅項目”）為了優化生產，提高產品質量，節約成本，充分借鑒國外多晶硅企業的先進生產理論及實際運用經驗，在三氯氫硅合成工序、精餾工序、氫化還原工序及尾氣回收工序設置了在線氣相色譜儀，對關鍵物料點的組分進行連續采樣分析，并通過上位機傳送至DCS，幫助操作人員實時監控關鍵物料點的變化，及時采取優化措施，保證了產品質量并有效降低了成本。

2.1多晶硅工藝

目前多晶硅的生產工藝主要有改良西門子法、硅烷法、流化床法等三種，國內外現有的多晶硅廠絕大部分采用改良西門子法進行生產，其工藝流程詳見圖2。

在這個工藝中，在1100℃左右時分解三氯氫硅（TCS-SiHCl3），會在加熱棒上結晶生成高純硅。要獲得三氯氫硅，要用H2和Cl2制成HCL，生成的HCL與硅粉反應合成三氯氫硅，經精餾提純，氣化，送至氫化還原工序與氫氣混合，進入還原爐（西門子反應器，西門子最早研發，故稱西門子還原法），在高溫下發生化學氣相沉積生成多晶硅。

2.2取樣設置

在國電多晶硅項目中，全廠共設置有7臺在線氣相色譜分析儀，分別設置在三氯氫硅合成工序（1臺）、精餾工序（1臺）、氫化還原工序（3臺）及尾氣回收（2臺）工序，具體取樣點及參數見表1，其中第1個和第2個取樣點共用一臺氣相色譜分析儀，第3個至第6個取樣點共用一臺氣相色譜分析儀，第9個和第10個取樣點共用一臺氣相色譜分析儀，第11個和第12個取樣點共用一臺氣相色譜分析儀。具體的取樣點情況見表1多晶硅項目在線氣相色譜分析儀取樣點一覽表。詳見表1。

3氣相色譜分析儀的選擇及配置

3.1檢測器的選擇

如果說分離系統是氣相色譜儀的心臟，那檢測系統，特別是檢測器就是氣相色譜儀的眼睛。

TCD檢測器和氫火焰離子化檢測器因為其結構形式簡單、性能穩定、價格合理，在氣相色譜儀中得到了廣泛運用，是氣相色譜儀中最為常用的檢測器。

3.2載氣的選擇

如表1所示，從理論上講用氦氣較合理，但它價格昂貴，因此選用氫氣作載氣。

3.3色譜柱的選擇

一般用TCD多用填充柱，FID多用毛細管柱。

3.4氣相色譜分析儀的配置

以下為根據各分析儀取樣點介質組分特點結合測量分析的需要作出的分析儀配置。

尾氣回收工序精餾塔出料分析儀配置：

三氯氫硅合成工序分析儀、精餾工序分析儀與尾氣回收工序精餾塔出料分析儀因各取樣點介質類似，選用的氣相分析儀配置除色譜柱數量和流路數略有區別外，其他配置并無差別，故不再贅述。

4分析結果

還原爐一臺色譜可同時測量還原爐尾氣中的氫氣、氯化氫、二氯氫硅、三氯氫硅、四氯硅烷等組分，分析時間只需要8min。而測量尾氣回收氫氣雜質痕量分析配置PDHID檢測器。測量痕量的二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯硅烷，分析周期8min。

另外幾個測量點，如三氯氫硅合成爐出口、精餾、氫化爐尾氣等，也都取得了滿意的效果。

5結語

在線氣相色譜分析儀具備多重優勢，在國電多晶硅項目中，通過在線氣相色譜分析儀對關鍵物料點的實時監控，進行過程控制和生產優化，有效地提高了生產效率、產品質量，降低了生產成本。