多晶硅生產(chǎn)中廢氣處理工藝改造

張健

摘要：多晶硅生產(chǎn)中廢氣的處理方法主要有水洗法、焚燒法和堿液淋洗法。水洗法是多晶硅廠最傳統(tǒng)的廢氣處理方法，是通過大量的噴淋水吸收廢氣中氯化氫和氯硅烷，該方法資源浪費(fèi)量巨大，同時(shí)存在重大的安全隱患，現(xiàn)在已基本不使用。焚燒法是將廢氣進(jìn)行高溫燃燒和水解，得到=氧化硅和鹽酸，該方法因前期投資過大、設(shè)備要求過高、工藝復(fù)雜、運(yùn)行成本高等原因，其應(yīng)用受到限制。堿液淋洗法因其工藝簡(jiǎn)單、投資和運(yùn)行成本較低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前多晶硅廠最常用的廢氣處理方法。

關(guān)鍵詞：多晶硅；廢氣處理；環(huán)保

1多晶硅的用途及分類

當(dāng)前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場(chǎng)占有率在90%以上，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期也依然是太陽能電池的主流材料。多晶硅具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大影響其導(dǎo)電性。多晶硅需求主要來自于半導(dǎo)體和太陽能電池。多晶硅按純度可以分為冶金級(jí)（工業(yè)硅）、太陽能級(jí)、電子級(jí)。（1）冶金級(jí)硅（MGl：石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業(yè)硅，其化學(xué)反應(yīng)Si02+C-Si+CO2↑一般含si為90%-95%以上。（2）太陽能級(jí)硅（SG）：純度介于冶金級(jí)硅與電子級(jí)硅之間，至今未有明確界定。一般認(rèn)為含si在99.99%-99.9999%（4～6個(gè)9）。（3）電子級(jí)硅（EG）：一般要求含si>99.9999%以上，超高純達(dá)到99.9999999%-99.999999999%（9-11個(gè)9）。

2原工藝流程及存在的問題

現(xiàn)國(guó)內(nèi)多數(shù)多晶硅生產(chǎn)廠廢氣和廢液一般通過堿液淋洗進(jìn)行處理，這樣會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽廢水，不僅對(duì)環(huán)境有污染，還造成大量的資源浪費(fèi)。而采用焚燒工藝處理廢氣及廢液，就可以變廢為寶，節(jié)能降耗。采用焚燒工藝可回收二氧化硅和鹽酸，余熱還可副產(chǎn)蒸汽用于廢水的蒸發(fā)結(jié)晶，既實(shí)現(xiàn)了廢水的零排放，又可以回收NaCl、CaCl2等鹽類作副產(chǎn)品出售，最后少量的廢氣經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放，這樣一方面減少環(huán)境污染，另一方面做到節(jié)能減排，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2.1廢氣焚燒工藝及原理

采用焚燒工藝處理含氯廢氣已經(jīng)在化工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，焚燒處理能最大限度地減容、減量并消除廢物對(duì)地下水、大氣和土壤的污染，而且廢物焚燒產(chǎn)生的熱能還可用于熱能回收，含氯廢氣焚燒可對(duì)其產(chǎn)生的氯化氫進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。焚燒處理技術(shù)已在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用，如美國(guó)已建成200多套焚燒裝置，其焚燒處理的有害廢棄物占廢棄物總量的23.6%；日本、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭和韓國(guó)等焚燒處理廢棄物的量也在本國(guó)廢棄物處理總量中占有相當(dāng)大的比例。廢氣、廢液焚燒的工作原理是將有機(jī)廢水霧化、廢氣噴入焚燒爐，通入供給氧氣（空氣）和助燃燃料后點(diǎn)火燃燒，完成廢棄物的氧化熱解處理。在多晶硅廢氣、廢液處理中，采用高溫焚燒將廢氣、廢液轉(zhuǎn)化為HCl、SiO2、CO2及水蒸汽等產(chǎn)物，再通過對(duì)焚燒產(chǎn)物的深度處理和物料收集，實(shí)現(xiàn)無害化、資源化處理。

2.2原工藝流程

原廢氣處理工藝流程如圖1所示。來自精餾工序、還原工序、CDI工序、氫化工序及其他工序的廢氣匯總后進(jìn)人A塔內(nèi)，與A塔塔頂噴頭噴淋出來的堿液充分混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的NaCl、HCl、H20等通過堿液槽排人堿液池，固體沉淀經(jīng)處理后外運(yùn)，而H2、N2、H2O（水蒸汽）以及沒有反應(yīng)完全的SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、HCl氣體通過連通管進(jìn)入B塔，進(jìn)一步與B塔塔頂噴淋出來的堿液發(fā)生反應(yīng)，H2、N2和H2O（水蒸汽）直接放空，其他物質(zhì)排入堿液池。同時(shí)，通過不斷加入堿（NaOH或Ca0H）使堿液槽內(nèi)的pH維持在6-8。

3改造后的工藝

鑒于原工藝中所存在的問題，對(duì)其進(jìn)行以下改造。（1）增設(shè)2臺(tái)備用塔——C塔和D塔。當(dāng)多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，開啟A塔和B塔即可；當(dāng)多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定，且廢氣量劇增時(shí)，增開c塔和D塔。（2）增設(shè)1套冷凝分離裝置。來自精餾工序、還原工序、CDI工序、氫化工序及其他工序的廢氣匯總后進(jìn)入冷凝分離裝置，控制其壓力在0.3-0.5MPa，溫度約-40℃，使氯硅烷（SiHCl3、SiCl4和SiH2C12）冷凝為液體并回收利用，而H2、N2、HCl和極少量殘留的氯硅烷氣體直接進(jìn)入A塔和c塔內(nèi)噴淋。（3）出于安全考慮，在A塔和c塔的頂部分別增設(shè)N2管道，并通入0.3-0.5MPa的保護(hù)N2，避免空氣進(jìn)入塔內(nèi)與SiHCl3、SiH2Cl2、H2接觸。（4）為了徹底解決原工藝中時(shí)常發(fā)生著火和爆炸的安全問題，增加1套水封裝置和1根長(zhǎng)約15m的曲管。從B塔和D塔出來的H2、N2、殘留HCl和少量H2O（水蒸汽）通過放空管進(jìn)入曲管，并通過水封裝置對(duì)曲管進(jìn)行冷卻，然后將氣體排入水封裝置內(nèi)除掉殘留HCl，H2、N2和少量H2O（水蒸汽）再經(jīng)鼓泡后直接放空。

綜上所述，多晶硅廢氣、廢液的有效處理是確保多晶硅行業(yè)節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。企業(yè)應(yīng)增強(qiáng)自身的環(huán)保意識(shí)，加大對(duì)環(huán)保的投入，推廣廢氣焚燒處理工藝，做到對(duì)廢氣、廢液徹底有效治理。焚燒處理工藝不僅能夠回收副產(chǎn)物產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，降低廢氣、廢液的處理成本，減少資源浪費(fèi)，而且可避免污染物的轉(zhuǎn)移，將對(duì)環(huán)境的影響降至最低。