有機硅廢氣資源化利用及環保治理

文_張文英 寧德時代新能源科技有限公司

1 有機硅廢氣處理現狀

目前，對于有機硅含氯廢氣主要采用直接堿洗或者水洗的處理方法，也有部分生產企業采用吸附劑進行吸附，在浪費大量人力物力的同時處理效果不佳。 在有機硅材料生產過程中，會產生大量廢氣，包括氯甲烷、氯硅烷以及甲烷。氯甲烷具有易爆炸與易燃燒的特點，并且在完全燃燒后產生二氯化碳、氯化氫以及水蒸氣，氯硅烷包括四氯化硅、三氯化硅以及二氯化硅。氯化硅具有腐蝕性與刺激性的特點，在常壓常溫情況下表現為無色無毒氣體。現有機硅廢氣處理中，水洗法與焚燒中和法是最常見的，目前主要采用水洗法對廢氣進行處理，采用工業水洗滌煙氣，將廢氣中的氯硅烷水解。雖然水洗法對氯硅烷具有較高的處理效果，但是在水解后會產生大量氯化氫與二氧化硅固體，部分氯化氫溶水后還會逃逸到大氣環境中造成環境污染，而且水在吸收氯化氫后轉變為酸性，不利于后期污水處理工作開展。

在有機硅生產過程中，部分生產企業對于有機硅生產廢氣主要采取焚燒中和法，已經取得成效。焚燒中和法是對有機硅生產廢氣高溫焚燒，再對產生廢氣使用水噴淋降溫，使廢氣在焚燒后保持在150℃左右，然后再配置相應堿液中和廢氣中的酸性氣體，將廢氣通過堿液中和洗滌，最后再經過除塵器與引風機將煙氣處理后排出。焚燒中和法需要耗費大量工業水與堿液，且堿液中和洗滌后成為二次污染物，其中存在大量的堿金屬鹽與二氧化硅細砂，再對堿液進行處理較為困難，還造成污染環境。焚燒中和法在處理有機硅廢氣時需要投入大量成本，還要對二次污染物進行處理，對于二次污染物收集池產生的廢氣也還要進行處理。由于有機硅廢氣熱值較高，不需要其他輔助材料就可以穩定燃燒，采用焚燒中和法，雖然可以便捷高效處理有機硅廢氣，但是卻不能將燃燒能量有效回收，造成資源浪費。

2 有機硅廢氣治理利用措施

2.1 高溫焚燒系統

高溫焚燒是有機硅廢氣處理的第一道工序，是有機硅廢氣處理中的基礎環境，高溫焚燒系統具有燃燒器、焚燒爐以及輔助設備，在有機硅廢氣處理中焚燒爐采用立式燃氣式與臥式阻燃式共同組成，在布置臥式阻燃式焚燒爐時，需要安裝點火器與火焰探測器，對兩種焚燒爐組合共同高溫焚燒有機硅含氯廢氣。在燃燒器上布置溫度測點，對輔助燃料與助燃風量進行合理控制，確保焚燒爐燃燒溫度，將有機硅廢氣送至焚燒爐中，通過高溫焚燒有機硅含氯廢氣，使其分解為氯化氫、二氧化硅、二氧化碳以及水蒸氣。其中，操作人員需要注意，必須將有機硅含氯廢氣在焚燒爐中保持2s以上，保證有機硅含氯廢氣焚燒，當煙氣從焚燒爐出口出來時需要將含氧量控制在7%左右，由于有機硅含氯廢氣在焚燒處理過程中會產生大量氯氣與氯化氫氣體，所以必須減少氯氣生成。

2.2 余溫回收系統

在有機硅廢氣中包含大量有機成分，且熱值較高，當有機硅廢氣經過高溫燃燒后，產生的高溫煙氣可以進行熱量回收。有機硅廢氣經過高溫燃燒后，存在氯化氫、二氧化硅以及少量氯氣，所以在設計余溫回收鍋爐時必須考慮露點腐蝕問題與二氧化硅堵塞煙道，以及鍋爐受熱面不均勻問題。其中露點腐蝕主要是由于鍋爐受熱面壁溫與鍋爐密封性所導致的，其中余熱鍋爐受熱面壁溫問題比較容易解決，鍋爐受熱面壁溫度大于氯化氫的漏點溫度，余溫鍋爐密封問題更加關鍵，一旦出現細小的泄漏點，都會造成氯化氫的露點腐蝕，對于金屬材料氯化氫的露點腐蝕速度非常快，根據實際情況來看余溫鍋爐最好采用火管鍋爐，因其良好的密封性，可以有效適應有毒或有腐蝕煙氣，確保鍋爐裝置運行更加安全可靠。由于有機硅廢氣高溫焚燒后還會產生大量二氧化硅粉末，為避免粉末堵塞鍋爐煙道與受熱面，可以考慮采用立式螺紋煙管結構的管殼式余熱鍋爐，煙氣在螺紋煙管中是從上到下旋轉流動，且煙氣流速不低于12m/s，可以確保鍋爐安全可靠運行。

2.3 煙氣急冷系統

煙氣急冷環節是有機硅廢氣處理的重要環節，其中需要應用急冷塔、酸液循環泵以及石墨換熱器等多種設備，通過石墨換熱器有效輸送熱量，實現快速降溫目的。急冷塔包括噴淋急冷與酸液儲存罐。煙氣急冷系統主要是遏制二次污染物質產生，通過氯化氫與水相融的特點，將氯化氫氣體從煙氣中分離到水中直接形成稀鹽酸。

由于氯化氫氣體可以溶入水中，在水中溶解度隨著溫度而變化，溫度越低溶解度越高，因此在煙氣機動系統中需要將有機硅廢氣溫度迅速降低。當煙氣經過煙氣極冷環節時，會進行傳熱與傳質兩個過程，當有機硅廢氣高溫焚燒后產生的氯化氫氣體，再通過稀酸循環液吸收后會產生放熱反應，將有機硅煙氣中的大部分熱量，有效降低有機硅煙氣溫度。并且由于烯酸循環液會與有機硅煙氣產生熱量傳遞，還會使煙氣溫度下降進一步加快。循環稀鹽酸的熱量可以通過石墨換熱器循環冷卻水帶走。由于煙氣中的氯化氫氣體容易溶于稀鹽酸中，并且二氧化硅粉末溶于稀鹽酸溶液中形成懸浮液，為了避免煙氣受到壓力波動導致鹽酸霧液回流急冷塔進煙口，造成煙道腐蝕問題，因此在急冷塔煙氣進口與塔體要采用耐腐蝕的石墨材質，確保煙氣急冷系統正常安全運行。在石墨殼體外側還要設置水冷夾套快速冷卻石墨體。

2.4 鹽酸回收系統

有機硅廢氣中的氯化氫氣體經過煙氣急冷系統可以有效吸收60%以上，但是剩余的氯化氫氣體還需要通過再回收處理。有機硅煙氣經過煙氣急冷環節后，自身溫度保持在65℃，因此采用鹽酸回收方法具有較大價值，可以通過填料層與泡罩層鋪設，根據煙氣中的氯化氫氣體濃度，鹽酸產生濃度可以達到20%～30%。通過鹽酸回收煙氣中的剩余氯化氫氣體，通過填料層使煙氣與鹽酸之間的接觸面積增加，有效提高氯化氫氣體回收效果。同時還可以在鹽酸回收系統中安裝鹽酸噴淋設備，在煙氣輸送過程中將稀酸不斷噴淋出去，提高氯化氫氣體回收處理效果。還可以通過在填料噴淋層上布置泡罩層，其中常溫清水在吸收氯化氫氣體時具有較高效率，在常溫工業水中，氯化氫氣體可以達到65%～70%的溶解率，將有機硅煙氣通過相應設備具有一定速度噴出，使煙氣與水膜形成鼓泡接觸，可有效提高氯化氫氣體溶解效率。

2.5 煙氣脫酸系統

當有機硅煙氣到達煙氣脫酸系統時，其中大部分氯化氫氣體與氯氣都已經被處理回收，但是仍然會存在少量氯化氫氣體，為了確保有機硅生產廢氣排放滿足環保要求，生產企業還要使用檢疫對煙氣進行再次洗滌，確保有機硅廢氣中的酸性氣體全部清除干凈。煙氣脫酸主要是通過玻璃鋼脫酸塔來實現，由于脫酸塔為玻璃鋼材質，在酸堿共存的環境中具有良好的抗腐蝕性，操作人員根據有機硅生產廢氣其中酸性物質比例來調配出合適的堿液。對于濃度5%的氯氧化鈉堿液，將液氣比控制在2：1，其中脫酸塔循環酸液與煙氣方向相逆，通過填料層增加煙氣與堿液的接觸面積有效提高脫酸效果。還可以在脫酸塔頂部安裝除霧器，通過對煙氣進行擾動，將煙氣中的水滴凝結成大顆粒，確保水滴落回脫酸塔中實現初步除霧。

2.6 煙氣儲存系統

有機硅含氯廢氣經過高溫焚燒后會產生二氧化硅粉末，當有機硅含氯廢氣經過多道回收處理程序后，其中大部分二氧化硅粉末已經洗滌下來并且進入循環液中，但是仍然存在部分二氧化硅粉末殘留下來，無法通過布袋過濾方法去除干凈。使用濕電除塵器可以有效去除煙氣中的殘留二氧化硅粉末，主要是通過高壓直流靜電將其中煙塵沉降于陽極表面，將大部分粉塵與液滴得到去除。由于二氧化硅是絕緣物質，無法導電，所以在清除二氧化硅粉末時，采取濕式除塵器處理效果較差，并且由于煙氣經過多道處理回收工序后，其中存在大量水，大量二氧化硅粉末與水混合，可以通過水導電來實現二氧化硅粉末處理。

2.7 資源化利用

高溫焚燒有機硅含氯廢氣后，可以將高溫煙氣輸送進鍋爐回收系統，進行熱量回收利用，為生產運行提供能源供應。對于有機硅含氯廢氣中的氯化氫氣體回收利用可以產生高濃度的稀鹽酸，二氧化硅回收處理后可以加工生產硅產品。

3 結語

有機硅廢氣處理系統可以根據有機硅廢氣成分制備細鹽酸與二氧化硅濾餅，并且對熱量回收利用，不需要再耗費其他輔助材料，相較于水洗與焚燒中和法，運行成本較低，并且不會造成其他污染，在現階段有機硅產業中處理廢氣具有較大優勢。通過解決有機硅生產過程中產生的廢氣污染問題，可以有效提高有機硅產能，可以有效促進有機硅產業健康持續發展。