多晶硅生产中废气处理工艺改造

随着太阳能发电技术及半导体技术的不斯发展,当前多晶硅的应用范围愈加广泛,多晶硅产量也在逐年提升。但是当前多晶硅生产大多采用西门子生产工艺,该工艺伴随有大量的废气排放,而现有的废气处理工艺的处理效果并不尽如人意,这也限制了多晶硅行业的发展。近年来,技术人员结合多晶硅生产废气特性,对废气处理工艺进行了改造并取得了较好的效果。

多晶硅作为重要的工业材料,目前应用范围极为广泛,但是在多晶硅生产过程中会产生大量易燃、易爆且腐蚀性较强的废气,这些废气不仅会对环境造成破坏,还可能引起着火、爆炸等一系列生产安q事故。现阶段多晶硅生产废气处理的主要方法都具有一定的局限性,不能真正有效地清除废气且废气中的氯、硅等元素,也不能得到充分回收从而造成资源的浪费,本文也将结合多晶硅生产废气处理实际对其工艺改造加以探讨。

多晶硅生产尾气处理现状分析

我国在多晶硅生产过程中大多采用西门子法,虽然做出了一定的改良但是主体生产过程依旧是先使用氯化氢及硅粉制备三氯氢硅,随后将冷凝析出的三氯氢硅与氢气发生还原反应制得高纯度的硅单质并在还原炉的炉壁上经由气相沉积析出多晶硅。在这一反应过程中,在三氯氢硅制备过程中残余的氯化氢气体及副产物氯硅烷都会形成废气,而在还原反应时作为原料的氢气也会进入废气之中,因此多晶硅生产废气具有较强的酸性及腐蚀性,而且易燃易爆,必须及时加以处理。

多晶硅生产废气的处理主要目的是去除废气中的氯化氢及氯硅烷气体,现阶段主要使用的处理工艺有水洗法.碱洗法及燃烧法。水洗法与碱洗法原理类似,是通过水或者碱溶液的吸收作用去除废气中的氯化氢及氯硅烷。使用水洗法处理废气时通常会设置多级的淋洗塔,在淋洗过程中废气中个氯硅烷会发生水解形成氯化氢气体,而氯化氢气体会被水体吸收从而保z废气达到排放标准。但是由于氯化氢在水中的溶解度并不高,因此使用水洗法进行废气处理时用水量十分惊人,这也会导致资源的浪费。

碱洗法则可以有效弥补水洗法存在的不足,碱洗法是利用碱液吸收多晶硅生产废气中的氯化氢及氯硅烷气体,氯化氢气体可以与碱液发生反应从而大大提升废气吸收效果,因此使用碱洗法可以有效降低吸收水用量。目前在使用碱洗法处理多晶硅生产废气时主要使用氢氧化钠及氢氧化钙溶液进行吸收,废气经过水解中和后生成硅酸钠,硅酸钙及氯化钙,废气中则只剩余氢气、氮气及水蒸气从而满足排放要求。但是使用氢氧化钠等强碱性溶液进行废气处理时设备腐蚀情况较为严重,而使用氢氧化钙溶液处理时其形成的氯化钙及硅酸钙溶解性较差,极易造成内部管路的堵塞。而且使用碱洗法及水洗法进行废气处理时都不能有效回收利用废气中含有的氯元素,造成了一定的浪费,而且废气中的氢气含量不能得到降低,这也导致处理后的废气依然具有易燃易爆的特性,存在一定的a全隐患。

燃烧法的处理原理与水洗法及碱洗法有着明显的差异,其主要是通过助燃材料的添加使废气在富氧环境下完q燃烧,经过燃烧后多晶硅生产废气中的氯硅烷会分解为二氧化硅及氯化氢气体从而生成烟气,烟气再经过后续的换热降温及吸收其中的二氧化硅及氯化氢气体会被分别回收并重复利用,有效避免了资源浪费问题,同时处理后的废气也不再具有可燃性,可以提升多晶硅生产过程的安q性。虽然使用燃烧法处理多晶硅生产废气其效果明显优于另两种方法,但是处理工艺对设备的要求也更加严苛同时处理流程也更加复杂,运行成本远远高于另两种处理工艺,因此经济效益较差,目前并未得到广泛应用,只在对废气处理有着特殊要求时使用。

多晶硅生产中废处理工艺改造措施分析

结合前文的分析,我们可以看出当前碱洗法依旧是多晶硅生产废气处理的主流工艺,其不仅成本低廉而且可以有效吸收废气中的氯化氢及氯硅烷等组分,所以废气处理工艺改造也主要针对碱洗法进行。

s先目前使用碱洗法进行多晶硅生产废气处理不能有效回收并利用废气中的氯化氢及氯硅烷组分从而造成资源的浪费,而且废气中氯硅烷及氯化氢含量过高还会导致碱液用量的增加,同时碱洗处理后生成的固体废渣量也会变多,这都会导致废气处理成本的增加。针对这一问题,技术人员结合氯硅烷自身的特点在碱洗处理之前加入了深冷工序,通过降温使氯硅烷液化,而废气中的其他组分均较难在常温下液化,因此分离出的氯硅烷纯度较高可以回收利用,同时随着氯硅烷的前期分离后续中和所使用的碱溶液量也得以减少从而提升了废气处理效率。

加入深冷工序可以显著提升多晶硅废气处理中硅元素的回收率,但是废气中的氯依旧难以得到充分的回收利用,现阶段碱洗法使用氢氧化钠溶液吸收中和废气后,剩余溶液大多直接进行后续处理排放。经过处理工艺改造后,废气吸收后的碱溶液经过沉降得到富含氯离子的上清液,随后电解上清液便可以得到氢气.氯气及氢氧化钠等电解产物,废气处理人员分别加以回收便可以实现对氯元素的重复利用”。但是碱洗过程中生成的硅酸钠仍旧难以回收,目前研究人员利用膜技术实现了废液中硅酸钠的分离,但是成本较高难以运用于实际废气处理之中。而在使用氢氧化钙溶液进行多晶硅生产废气处理时,其z大的问题在于其产生的不溶物会堵塞淋洗塔内的管路,影响废气处理效率。针对这一问题,技术人员对现有的废气处理工艺进行了改造,使用石灰乳吸收中和废气,与此同时还在废气吸收中和过程中向石灰乳中持续通入低压水蒸气,这样水蒸气会参与到废气吸收中和反应之中,这样废气中的硅将转化为二氧化硅,在后续处理中便于分离并重复利用"。而当废气处理所使用的石灰乳吸收效果下降之后,工作人员可以向反应器中通过量氯化氢气体,这样石灰乳中的钙离子将全部转化为氯化钙并;加以回收利用。

但是以上的废气处理工艺改进均不能有效改善处理后废气的安q性,由于碱洗法对废气中的氢气不具备分离能力,因此为了提升多晶硅生产废气处理的a全性。目前在废气处理过程中向各个淋洗塔内通入一定比例的氮气,这样可以有效避免废气中的氢气与空气直接接触,其内部的浓度也无法达到氢气的爆炸极限,可以有效避免废气处理中的着火爆炸等安q问题的发生,保障多晶硅生产过程的a全。

另外随着多晶硅市场需求量的不断攀升,多晶硅生产规模也在不断扩大,这也对废气处理能力提出了较高的要求,但是当前的多晶硅生产废气处理系统大多不能及时应对废气处理任务的变化,当废气量增加时难以有效完成废气处理工作。因此,设计人员在现有的废气处理系统的基础上增设了备用淋洗塔,这样当废气处理量突然增大时可以及时启用备用塔进行处理,而且当淋洗塔出现故障时也可以利用备用塔完成废气处理工作。

 

随着多晶硅需求量的增加,人们对多晶硅生产废气处理工作的要求也日益严格,设计人员也结合现阶段废气处理工作存在的问题对碱洗法处理工艺进行了改进。s先通过引入深冷及电解工序实现对废气中硅.氯的回收利用,同时优化氢氧化钙处理工艺避免堵塞问题的发生,另外在淋洗塔中引入氮气保护并增设备用塔,保障了废气处理的稳定性及安q性,有效满足当前多晶硅生产废气处理要求。

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