多晶硅生产中废气处理工艺改造

吴 伟

（新疆协鑫新能源材料科技有限公司，新疆 昌吉 830000）

关键字：工艺改造；废气处理；多晶硅

多晶硅作为太阳能光伏产业的重要原料，随着全球经济的发展，光伏产业的迅速扩大，对多晶硅的需求量日益增加。在生产多晶硅期间形成的废气不仅属于有毒有害气体，并且还带有易燃易爆的特点，假如不进行有效处理便随意排放，将会严重破坏生态环境，并且还会引发不必要的爆炸与火灾等事故，进而带来严重的经济损失，危及人们的身心健康。所以，积极采取合理措施对废气进行高效处理，能够有效保证多晶硅的正常生产，维护生态平衡。

1 多晶硅生产废气处理现状

1.1 多晶硅废气的产生原理

当前我国通常会选用改良西门子法生产多晶硅，在主体生产期间仍然是使用硅粉、氢气、氯化氢及四氯化硅来生产三氯氢硅，然后在再将其进行冷凝、提纯后与氢气经过还原反应得出高浓度的硅单质，然后再经由还原炉中产出多晶硅。在这一反应期间，生产三氯氢硅过程中残余的氯化氢气体、氯硅烷气体和富余的氢气都属于废气，所以生产多晶硅所带来的的废气有着极强的腐蚀性与酸性，属于易燃易爆气体，因此有必要加以处理。

1.2 处理多晶硅生产废气的方法

处理生产多晶硅废气的目的即去除废气当中的氯硅烷以及氯化氢，这对这些气体的处理方法目前采用最多的为燃烧法、碱洗法以及水洗法。其中碱洗法与水洗法原理类似，即利用碱与水的吸收作用来去除废气当中的氯硅烷以及氯化氢。如果选用水洗法处理废气一般会设置多级的淋洗塔，废气经过淋洗塔，其中的氯硅烷就会经过水解反应生产氯化氢，氯化氢又溶于水进而使得废气满足排放标准。但氯化氢的溶解度较低，所以选用这一方法将会耗费大量的水，进而造成水资源浪费[1-2]。

其次碱洗法处理废气，这一方法能够很好的弥补水洗法的缺陷，其原理是碱液可以吸收废气当中的氯硅烷以及氯化氢，氯化氢和碱液经过化学反应被吸收，不仅提高了废气吸收效果，并且还大大降低了用水量。目前主要使用的碱液一般为氢氧化钙与氢氧化钠两种，废气与碱液经过中和生产氯化钙与硅酸钙和硅酸钠，这样废气中就只剩下氮气、氢气以及水蒸气，进而达到排放标准。但如果是氢氧化钠等高碱性溶液时其对设备的腐蚀程度也较高，可使用氢氧化钙碱性溶液，但反应生成的硅酸钙以及氯化钙溶液的溶解性低，很容易导致内部管路堵塞的问题。并且采取水洗法以及碱洗法对废气进行处理期间无法更有效的回收废气当中的氯元素，进而也就形成了浪费，并且还无法降低废气中氢气含量，废气易燃易爆的特点仍然不能解决，存在一定的安全隐患。

最后燃烧法处理废气，其原理不同于以上两种，主要是通过添加助燃材料使得废气再有氧环境下充分燃烧，经过燃烧废气当中的氯硅烷分解为氯化氢与二氧化硅，然后再经过降温与吸收系统将氯化氢以及二氧化硅气体进行回收再利用，不仅减少了资源浪费，并且还解决了废气易燃易爆的问题，大大提高了多晶硅生产过程的安全系数。尽管这一方法要明显优于以上两种，但其对设备的工艺标准要求相当高，且操作复杂，成本高，所以经济效益差，当前还未得以广泛应用。

除此之外还有酸洗处理发。这一方法与水洗处理法原理类似。它是将水作为氯硅烷与高浓度盐酸反应的水解反应物，避免了杂质的进入，确保了浓盐酸与二氧化硅的质量。经过反应生成的浓盐酸最后经过挥发以气态的形式流入三氯氢硅合成系统当中，经过淋洗以后氯硅烷融入水，其形成的渣水混合物，再经由压滤机实现固液的分离，固体经过洗涤干燥，形成水和白炭黑，而液体则返回淋洗塔重新利用。这一方法实现了氯离子的回收利用，减少了结晶、中和的成本，但最终生成的氯化钠因掺有大量杂质致使无法加以利用。

2 原工艺流程及其存在的不足

2.1 原工艺流程

原工艺当中的废气是通过两个气体存储塔完成废气处理。其具体操作是将废气汇总到A塔当中，然后在顶部安装喷洒装置，碱液从喷洒装置中喷出与废气充分混合，发生化学反应，反应产物经过碱液槽流入碱液池中。但氮气、氢气以及水蒸气等未完成化学反应的其它，经过管道进入B塔，在B塔当中再喷淋碱液进行化学反应，使得气体满足排放标准。

2.2 存在的不足

1）工艺过于简单，浪费现象严重。生产多晶硅产生的废气源于多个环节，比如氢化、还原等。这些工序当中产生的废气有一些氯硅烷，它属于可回收利用气体。而在原工艺当中只将其看作废气进行处理，并没有对其进行回收利用，这不仅造成了严重的资源浪费，同时还耗费了大量的碱液，并且还增加了对固体废渣的处理成本，降低了废气处理效率，经济效益不高。

2）原工艺处理效果差。在生产多晶硅期间涉及到多道工序，这些工序共同组成一个闭环系统，这一系统当中的任何一个环节出现问题，都可能增加废气的排放量。加之原工艺对废气处理的能力有限，不能实现对废气的充分处理，这就造成厂区出现大量的白色烟雾，不仅污染环境，还浪费了资源。

3）原工艺安全系数低。生产多晶硅的废气当中含有大量的二氯甲硅烷、三氯氢硅以及氢气等易燃物质，一旦与氧气接触很容易引发爆炸。但如果使用碱液对其进行喷淋，发生化学反应释放大量的热量，炉内温度迅速上升，很容易导致气体当中的可燃物质自然，进而引发爆炸。

3 工艺改造及其效果

3.1 碱洗法的改造

介于原工艺中碱洗法的缺陷，尤其是存在的安全隐患，很难满足多晶硅高速发展的需求。所以有必要对原工艺进行合理改造，以便更好的处理废气，提高废气处理的安全性，进而推动多晶硅生产的进步一发展。

首先在保留原工艺设备的基础上添加两台备用塔，分别为C、D塔。其目的是在生产多晶硅期间不稳定的基础上对工艺提出更高的标准。当生产多晶硅期间系统运行不稳定时，废气量将会大幅度增加，此时打开C、D塔，提高废气处理的效率及速度，进而满足多晶硅生产中废气处理的要求，确保系统正常运行。

然后，添加一套冷凝分离装置。对多晶硅生产废气进行收集以后，先将其引入冷凝装置，通过温度与压力的调节，将氯硅烷有气体转为液体，实现分离机回收利用。走出冷凝装置以后废气再经过A塔进行喷淋处理。

再然后，为了保证碱液处理的安全性，在A、C塔之间添加N2管道，将管道安装到顶部，并安装压力调控装置，将压力控制在0.3～0.5MPa，进而实习对N2管道的保护，严禁空气流入管道，引发不必要的爆炸与火灾等事故。

最后，针对原工艺当中的易燃易爆问题，可在之前设备的基础上添加一套水封装置以及一根曲管，曲管约长15m。从B、D塔出来的废气经过曲管，待适当冷却以后，气体温度得到很好控制，然后再经过水封装置，这样废气当中的氮气、氢气、氯化氢以及水蒸气待充分处理以后再进行排放，大大提高了废气处理效率，保证了系统的安全运行。

3.2 改造效果

首先，原工艺经过改造以后，废气处理的质量以及效率都得到了明显的改善。废气当中的氯硅烷经过冷凝以后实现高效回收，并且还很好的减少了碱液的用量。经调查发现，在对碱液淋洗法经过改造以后，氯硅烷的回收率达到了92.1%。并且碱液的用量也大大降低，大大控制了废气处理成本，提高了多晶硅的生产效益。

其次，在经过改造之后，通过对废气进出系统的采样分析，其结果表明，原工艺中废气排放中有毒气体的残余量高达17.6%，但经过改造以后废气经过系统处理，其中残留有害气体的量达到规范标准，基本解决了生产多晶硅期间给环境带来的影响问题。

最后，原工艺经过改造，以往的废气易燃易爆现象彻底消除，多晶硅生产中基本不再出现爆炸、着火等事故，很好的保证了多晶硅生产的安全性，并且大大提高了多晶硅生产质量及产量，有效促进了多晶硅产业的发展。

4 结语

通过假如冷凝、加压以及备用塔等装置，确保了废气处理的安全性及稳定性，很好的满足了多晶硅高质量与产量的要求。