多晶硅生产中废气处理工艺改造

(2)适用能力较差。

多晶硅生产工艺是一个连续、完整的闭路循环过程，如果生产过程中的某一工序或某一个环节出现了问题，都有可能对多晶硅生产系统的稳定性造成影响，从而造成废气量剧增，例如:

①由于天然气压力的波动，水蒸汽压力可能会瞬间升高，导致精馏工序精馏塔塔顶温度和压力升高而出现“跑料”现象;②由于夏季温度较高，若此时罐区氯硅烷储罐顶部的冷凝器发生故障，氯硅烷的泄漏量将会明显增加;③由多种原因引起的CDI工序超负荷运行，造成废气量剧增;④当合成炉或氢化炉出现故障时，停车和开车都会使得废气排放量增加;⑤在检修或重大设备故障维修期间，也会产生大量的废气;⑥其他生产案例。

由于原工艺的处理能力有限，不能应对由多晶硅生产系统发生波动引起废气量剧增的情况发生，厂区内也将会因废气处理不充分而导致大量白色烟雾的产生，不仅造成资源浪费，还对环境造成了严重的污染。

(3)安全性差。

由于原工艺存在较大的缺陷，在多晶硅实际生产过程中，时常发生着火和爆炸事故，不仅对多晶硅生产的正常运行产生影响，还对生产安全造成了极大的威胁。发生着火和爆炸主要原因:①由于废气中所含的SiHCl3、SiH2Cl2、H2均属于易燃易爆物质，其中SiH2Cl2的自燃点为(44±3)℃，属于极易燃烧的物质;②在废气处理工艺过程中，碱液和废气反应后会产生大量的热量，温度会迅速升高;③在一定的温度下，SiHCl3、SiH2Cl2、H2可燃物与空气中的助燃剂O2接触容易着火和发生爆炸[5]。

(4)由于着火和爆炸事故的发生过于频繁，多晶硅生产系统的稳定性受到严重的影响，时常需要对各工序进行减量调整，因此，多晶硅产量和产品质量均受到较大的影响。

3改造后的工艺

鉴于原工艺中所存在的问题，对其进行以下改造。

(1)增设2台备用塔———C塔和D塔。当多晶硅生产系统正常稳定运行时，开启A塔和B塔即可;当多晶硅生产系统不稳定，且废气量剧增时，增开C塔和D塔。

(2)增设1套冷凝分离装置。来自精馏工序、还原工序、CDI工序、氢化工序及其他工序的废气汇总后进入冷凝分离装置，控制其压力在0.3～0.5MPa，温度约-40℃，使氯硅烷(SiHCl3、SiCl4和SiH2Cl2)冷凝为液体并回收利用，而H2、N2、HCl和极少量残留的氯硅烷气体直接进入A塔和C塔内喷淋。

(3)出于安全考虑，在A塔和C塔的顶部分别增设N2管道，并通入0.3～0.5MPa的保护N2，避免空气进入塔内与SiHCl3、SiH2Cl2、H2接触。

(4)为了彻底解决原工艺中时常发生着火和爆炸的安全问题，增加1套水封装置和1根长约15m的曲管。从B塔和D塔出来的H2、N2、残留HCl和少量H2O(水蒸汽)通过放空管进入曲管，并通过水封装置对曲管进行冷却，然后将气体排入水封装置内除掉残留HCl，H2、N2和少量H2O(水蒸汽)再经鼓泡后直接放空。改造后的其他部分与改造前相同(见图2)。

4改造结果

(1)与原工艺相比，改造后的工艺更完善，废气中的绝大部分SiHCl3、SiCl4和SiH2Cl2通过冷凝分离装置回收利用，同时碱的消耗量也大幅度减少，综合成本有效降低。据生产数据统计，在改造后的1年内，氯硅烷的总回收量约305.3t/月(SiCl4约61.2t/月，SiHCl3约80.6t/月，SiH2Cl2约163.5t/月)，总回收率约为92.1%(SiCl4约为97.7%，SiHCl3约为92.6%，SiH2Cl2约为91.9%)，碱液消耗量减少约500t/月，如表1所示。

表1改造后1年内氯硅烷的回收量及碱液消耗量

(2)对废气处理系统的进、出口气体分别进行采样分析，其检测结果如表2所示。

表2改造前后进、出口气体中各组分的质量分数%

由表2可知，改造前，废气处理系统的放空气体中氯硅烷、HCl等有毒有害气体的总质量分数高达17.60%，其中SiCl4约占1.38%，SiHCl3约占4.30%、SiH2Cl2约占7.81%、HCl约占3.67%，因此对环境造成了相当大的破坏;改造后，放空气体中的H2、N2和H2O的质量分数占到99.9%以上，有害气体的质量分数不到0.1%，其中SiCl4、SiHCl3和SiH2Cl2的质量分数为零，排放量减少100%，HCl的质量分数为0.08%，排放量减少97.5%，基本上消除了对环境的污染。

(3)根据实际生产数据统计:在改造后的1年内，废气处理系统未发生着火和爆炸事故，安全问题得到彻底解决;由于多晶生产系统的安全性和稳定性得到提升，多晶硅产量及产品质量均得到明显提高。

如表3所示，在改造后的1年内，废气处理系统月平均着火由247.5次降至0次;月平均爆炸事故由43.2次降为0次;多晶硅月平均产量由229.0t提高至261.7t，提高约13.8%;多晶硅产品合格率由92.1%提高至96.8%，提高约4.7%。

5结论

(1)据生产数据统计，在改造后的1年内，氯硅烷的总回收量约为305.3t/月，其中SiCl4约61.2t/月，SiHCl3约80.6t/月，SiH2Cl2约163.5t/月;氯硅烷的总回收率约为92.1%，其中SiCl4约为97.7%，SiHCl3约为92.6%，SiH2Cl2约为91.9%;由于绝大部分氯硅烷被回收利用，碱液消耗量减少约500t/月。

(2)经分析检测，改造后放空气体中有毒有害成分的总质量分数由17.60%降低至0.08%，其中SiCl4、SiHCl3和SiH2Cl2的质量分数分别由1.38%、4.30%和7.81%降为零，排放量减少100%，HCl的质量分数由3.67%降为0.08%，排放量减少97.5%，基本上消除了对环境的污染。

(3)在改造后的1年内，废气处理系统发生着火和爆炸事故的次数已降低至0次，安全问题得到彻底解决。同时，由于多晶硅生产系统的安全性和稳定性得到提升，多晶硅月平均产量由229.0t提高至261.7t，提高约13.8%，多晶硅产品合格率由92.1%提高至96.8%，提高约4.7%。

来源：现代化工，作者：胡小冬，王丽，张东，贾曦，王恒孝

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