多晶硅作为光伏太阳能电池与集成电路关键材料, 一直以来其生产就备受关注, 投入了大量资源进行研究, 争取不断提高其生产综合效益。其中多晶硅生产废气处理, 是研究重点, 对提高生产安全, 降低环境污染具有重要意义。本文对改良西门子法进行简要分析, 争取提高其对废气处理效率, 减少资源的浪费, 对生产效率进行有效控制。
1 改良西门子法分析
现在多晶硅生产中, 大部分企业选择用改良西门子法, 即利用HCl (Cl2、H2) 与冶金级工业硅作为原料, 在高温条件下, 将HCl与粗硅粉进行合成, 制成Si HCl3 (TCS) , 并对Si CHl3进行化学精制提纯与多级精馏处理, 确保其质量分数可以达到99.99%以上[1]。经常上述处理后, 在还原炉内1050℃硅芯上用高纯H2对Si HCl3进行还原处理, 最终生成高纯多晶硅棒。在对生产尾气进行时, 即对尾气中含有的Si HCl3、Si Cl4、HCl、H2、等进行还原处理, 然后进行回收后返回生产流程内, 其中Si Cl4在氢化炉内用超高纯氢气转化成Si HCl3返回流程, 确保整个生产流程为一个闭路循环。另外, 无论是选择用何种生产方式, 在生产过程中合成Si HCl3、精馏提纯、还原以及尾气回收等工序, 均会产生一定量的废气, 其中主要包括Si HCl3、Si H2Cl2、Si Cl4、HCl、N2、H2以及少量金属氯化物, 使得废气具有毒性, 并且具有易燃、易爆等特点, 必须要采取措施对其进行有效处理, 降低其对环境的污染, 并提高生产安全性。
2 多晶硅生产废气处理技术分析
2.1 燃烧法
燃烧法的实施原理, 即在有氧与助燃条件下, 将废气通入燃烧炉内产生高温水解反应, 直接将废气转化成含有二氧化碳、氯化氢、少量氯气与蒸汽的高温烟气。谈后对产生的高温烟气进行换热、拦截以及降温吸收处理, 将其中含有的热量吸收掉, 并回收烟气中含有的盐酸与硅酸盐, 确保剩余烟气经过淋洗处理后可以达到排放标准[2]。与其他处理方法相比, 此种方法在实施上具有较高的安全性, 并且目前实施应用中有较高的自动化程度, 可以实现二氧化硅、盐酸以及蒸汽产生热量等副产物的回收。但是其所需前期投资较大, 处理工艺较多, 对设备运行与管理均有较高的要求。
2.2 碱洗法
此种废气处理方法实际应用中与水洗发具有一定相似性, 生产常用碱液包括Na OH溶液或者Ca (OH) 2溶液。在对多晶硅废气进行处理时, 即对碱液与废气中存在的氯硅烷与氯化氢在几级串联淋洗塔内或者密闭反应釜内进行水解中和反应, 产生Na Cl、Na2Si O3或者Ga2Si O4、Ca Cl2以及少量Si O2、H2O。经过处理后废气中主要含有H2、N2以及水蒸气, 可以达到正常排放要求[3]。多晶硅生产废气进入到碱液淋洗塔内, 经过反应生成Si O2、Na Si O3与Na Cl等, 然后将其输送到废水处理单元, 淋洗塔输出的尾气可直接排放。其中涉及反应:Si HCl3+2H2O→Si O2+3HCl+H2, Si H2Cl2+2H2O→Si O2+2HCl+2H2, Si Cl4+2H2O→Si O2+4HCl, HCl+Na OH→Na Cl+H2O, Si O2+2Na OH→Na2Si O3+H2O。
2.3 干法回收
还原反应后还原炉内尾气温度较高, 使其冷却到常温后, 输送到装填钯催化剂脱氧换热器内, 使得H2与O2反应生成水, 然后将剩余气体输送到下道工序。Si HCl3与Si Cl4混合物被送入到分馏塔内进行分离, 并对回流比进行控制, 可得到质量分数在99%以上的Si HCl3与质量分数在95%以上的Si Cl4。然后将分馏出的Si HCl3返回到还原炉, 用于生产多晶硅循环使用, 反应式为:3Si Cl4+Si+2H2→4Si HCl3。
3 多晶硅生产废气焚烧处理优化分析
焚烧工艺优化, 可以在保证满足环保性与安全性要求基础上, 对废气、废液等进行有效治理。处理流程为焚烧、余热回收、二氧化硅回收、急冷、盐酸回收、淋洗塔与排放。多晶硅生产废气经过缓冲后, 进入到焚烧炉内进行高温氧化反应处理, 对氯化硅烷进行彻底分解, 生成Si O2、HCl等。焚烧炉内出来的高温烟气中含有大量热量, 将其通入到余热锅炉内进行降温处理, 同时回收其中余热, 可以利用烟气余热来对脱盐水处理, 将其变为蒸汽回收利用。烟气经过余热锅炉处理后, 通过过滤器进行气固分离, 对烟气中含有的Si O2粉尘进行消除处理, 进入到急冷塔内, 利用水喷淋降低烟气温度。喷淋降温后盐酸利用石墨换热器与冷却水换热冷却后继续进行喷淋降温, 并回收烟气内含有的盐酸。最后烟气中含有的少量Cl2与HCl通过碱液淋洗塔淋洗后, 利用气水分离器处理后排放。
4 结语
对多晶硅生产废气进行有效处理, 对降低环境污染, 提高生产安全具有重要意义。但是在选择废气处理方法时, 需要结合实际生产情况, 对各项因素进行综合分析, 确保所选方法应用的合理性与有效性, 不但要保证废气的合理处理, 还可以对副产品进行回收利用, 在总体上提高生产综合效率。
摘要：多晶硅生产会产生大量废气, 对生态环境污染较大, 在持续发展背景下, 必须要采取措施对生产废气进行有效处理。目前已经有更多新型技术被应用到多晶硅生产废气处理中, 并取得了一定效果, 降低废气对环境的污染, 并通过处理来降低安全事故发生的危险, 对提高生产综合效益具有重要意义。本文对多晶硅生产废气处理技术进行了简要分析。
关键词：多晶硅,废气处理,西门子法
参考文献
[1] 四季春, 董辉, 哈莹, 廉景燕.多晶硅生产中废气的处理[J].现代化工, 2013, 02:86-88.
[2] 许红霞.多晶硅生产中废气处理工艺设计[J].轻金属, 2013, 04:71-73.
[3] 翁博丰.多晶硅生产中废气的处理方法[J].化工管理, 2015, 26:245.