多晶硅殘液工業(yè)化處理方式的探討

董麗萍 張升學(xué)

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 引言

改良西門子法多晶硅生產(chǎn)中的渣漿殘液主要來源于三個單元：冷氫化急冷塔塔底殘液、氫化反應(yīng)器冷凝殘液和精餾裝置的塔底殘液，主要成分為四氯化硅、三氯氫硅、硅粉、金屬氯化物和其他高沸物如六氯二硅烷、五氯硅烷等。見諸報道的多晶硅殘液的處理方法有干燥法、過濾法、燃燒法、萃取法、裂解回收法等[1]。其中燃燒法是將氯硅烷殘液燃燒生成二氧化硅，此方法不能有效回收殘液中的有效組分，且生成的二氧化硅純度不高，不能外售，因此燃燒法并未能工業(yè)化應(yīng)用；萃取法是在殘液中加入萃取劑，將殘液中的氯硅烷萃取出來，再經(jīng)過精餾將萃取劑與氯硅烷分離回收萃取劑，萃取法在處理有機硅殘液中得到廣泛應(yīng)用，但處理多晶硅殘液僅停留在研究階段，未見工業(yè)化應(yīng)用；裂解回收法是將殘液中的高沸物經(jīng)催化裂解生成低沸氯硅烷進行回收利用的方法，此方法可有效提高殘液中氯硅烷的回收率，但是流程復(fù)雜，操作困難，僅在少數(shù)多晶硅企業(yè)有應(yīng)用；而干燥法、過濾法因為其操作性強，氯硅烷回收率高，更適用于工業(yè)化，因此應(yīng)用較為廣泛。

1 干燥法

干燥法是利用殘液中各組分的沸點差異對其進行分離，將殘液通入干燥機，由干燥機的蒸汽夾套加熱，將其中沸點底的氯硅烷蒸發(fā)出來，通過收塵器收集蒸出氣體中的固體顆粒，然后冷凝為氯硅烷液體送至氫化系統(tǒng)回收利用，不凝氣送至淋洗系統(tǒng)洗滌后排空；干燥機排出的固體殘渣送至堿性水解系統(tǒng)進行無害化處理。國內(nèi)干燥法處理多晶硅渣漿主要有間歇耙式干燥和連續(xù)旋轉(zhuǎn)干燥兩種形式。間歇耙式干燥法來源于國外多晶硅生產(chǎn)工藝包，早期國內(nèi)對于多晶生產(chǎn)技術(shù)不掌握，都是引進國外工藝包，間歇耙式干燥是工藝包配套推薦的渣漿處理技術(shù)，其缺點很明顯，處理能力小；間歇操作，工人的勞動強度大；蒸發(fā)后的固體漿料一次性倒入水解設(shè)備，致使水解設(shè)備瞬間處理量大，易造成水解罐爆沸，使固體顆粒和酸性氣體進入上游干燥機，造成堵塞和設(shè)備腐蝕。因此間歇干燥逐漸被連續(xù)干燥技術(shù)所取代，連續(xù)旋轉(zhuǎn)干燥機是國內(nèi)設(shè)備廠家設(shè)計并開發(fā)，在多晶硅廠家多有運用，可實現(xiàn)渣漿處理的連續(xù)操作，處理能力也大大提高。但由于多晶硅渣漿中氯化鋁易揮發(fā)，因此實際操作中干燥蒸發(fā)的溫度極難控制，溫度過高氯化鋁易蒸出；溫度低則蒸發(fā)速度慢，且氯硅烷殘留量大。根據(jù)文獻報道，連續(xù)槳葉干燥機可實現(xiàn)將進入水解系統(tǒng)的渣漿中揮發(fā)分濃縮至20%～30%，處理量最大為6t/h[2]。為減少干燥機的負荷，可在上游配套閃蒸系統(tǒng)，將部分輕組分氯硅烷閃蒸后再進入干燥機，閃蒸單元要控制閃蒸的溫度和壓力，要保證盡量多的輕組分氯硅烷氣化，也不能減至壓力過低，致使含固液相粘度太大堵塞管道。連續(xù)旋轉(zhuǎn)干燥法的具體流程如圖1。

圖1 連選旋轉(zhuǎn)干燥法工藝流程框圖

2 過濾法

過濾法是傳統(tǒng)的渣漿處理方法，而過濾裝置多采用燭式過濾器或壓濾機，由于殘液中含有重金屬組分，容易粘在設(shè)備壁上，操作有諸多不便。真空轉(zhuǎn)鼓過濾是一種連續(xù)式真空過濾設(shè)備，近幾年被開發(fā)使用在處理多晶硅殘液，其采用預(yù)涂型真空轉(zhuǎn)鼓過濾器，該方法解決了傳統(tǒng)過濾法易堵塞、濾布需要經(jīng)常更換、產(chǎn)品純度低等難題，且技術(shù)穩(wěn)定可靠、回收效率高、能耗低。預(yù)涂型真空轉(zhuǎn)鼓過濾機可將進入水解系統(tǒng)的渣漿中揮發(fā)分濃縮至～10%，處理量可達6t/h。其流程為來自上游的渣漿進入真空過濾系統(tǒng)，過濾使用的預(yù)涂型真空轉(zhuǎn)鼓過濾機，先使用多孔材料進行預(yù)涂，在濾布上形成過濾層，過濾物料時，在真空泵的抽吸作用下，渣漿中的固體顆粒會截留在預(yù)涂層的表面或滲透到預(yù)涂層的表層，然后由刮刀刮下。由于預(yù)涂層是由微細顆粒構(gòu)成的，因而構(gòu)成無數(shù)微孔與網(wǎng)眼較稀的濾網(wǎng)共同完成過濾介質(zhì)的工作，在真空作用下，可以得到澄清度較高的濾液；過濾產(chǎn)生的濾渣直接排至水解系統(tǒng)。在水解槽中，用堿液對其中的氯硅烷進行中和水解，水解槽頂部的廢氣排至淋洗塔洗滌其中的酸性氣后排至大氣。真空轉(zhuǎn)鼓過濾法具體流程如圖2。

以某裝置多晶硅渣漿處理量為6t/h 為例，將連續(xù)旋轉(zhuǎn)干燥機和真空轉(zhuǎn)鼓過濾經(jīng)濟性進行對比如表1。

圖2 真空轉(zhuǎn)鼓過濾法工藝流程框圖

表1 連續(xù)干燥機和真空轉(zhuǎn)鼓過濾器經(jīng)濟性對比

3 結(jié)語

總之，干燥法和過濾法是目前廣泛采用的多晶硅渣漿的處理方法，連續(xù)旋轉(zhuǎn)干燥和真空轉(zhuǎn)鼓干燥作為兩種方法的改進形式，在操作性和經(jīng)濟性上更具優(yōu)勢，而其中真空轉(zhuǎn)鼓過濾形式能耗低、氯硅烷的回收率高。然而，真空轉(zhuǎn)鼓過濾不能將高沸物與氯硅烷進行分離，需要在下游配套提純裝置以提高回收氯硅烷的純度。由于真空轉(zhuǎn)鼓過濾裝置，在預(yù)涂和過濾過程中需要配合轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整系統(tǒng)的真空度，在實際生產(chǎn)中對操作者的要求較高；其次干燥法和過濾法都將殘液中的高沸物與其它重組分一起進行水解，造成一定程度的資源浪費，因此，回收高沸物中的六氯二硅烷或?qū)⒏叻形锪呀鉃榈头械穆裙柰榈牧鞒萄芯窟M一步完善，使其具有工業(yè)可操作性，滿足大型多晶硅裝置的渣漿處理要求，可為在殘酷競爭中求生存的多晶硅企業(yè)提供創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。