多晶硅生产中废气处理工艺改造

张健

摘要：多晶硅生产中废气的处理方法主要有水洗法、焚烧法和碱液淋洗法。水洗法是多晶硅厂最传统的废气处理方法，是通过大量的喷淋水吸收废气中氯化氢和氯硅烷，该方法资源浪费量巨大，同时存在重大的安全隐患，现在已基本不使用。焚烧法是将废气进行高温燃烧和水解，得到=氧化硅和盐酸，该方法因前期投资过大、设备要求过高、工艺复杂、运行成本高等原因，其应用受到限制。碱液淋洗法因其工艺简单、投资和运行成本较低、处理效果好等优点，成为目前多晶硅厂最常用的废气处理方法。

关键词：多晶硅；废气处理；环保

1多晶硅的用途及分类

当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可大大影响其导电性。多晶硅需求主要来自于半导体和太阳能电池。多晶硅按纯度可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级。（1）冶金级硅（MGl：石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，其化学反应Si02+C-Si+CO2↑一般含si为90%-95%以上。（2）太阳能级硅（SG）：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般認为含si在99.99%-99.9999%（4～6个9）。（3）电子级硅（EG）：一般要求含si>99.9999%以上，超高纯达到99.9999999%-99.999999999%（9-11个9）。

2原工藝流程及存在的问题

现国内多数多晶硅生产厂废气和废液一般通过碱液淋洗进行处理，这样会产生大量的高盐废水，不仅对环境有污染，还造成大量的资源浪费。而采用焚烧工艺处理废气及废液，就可以变废为宝，节能降耗。采用焚烧工艺可回收二氧化硅和盐酸，余热还可副产蒸汽用于废水的蒸发结晶，既实现了废水的零排放，又可以回收NaCl、CaCl2等盐类作副产品出售，最后少量的废气经处理后达标排放，这样一方面减少环境污染，另一方面做到节能减排，增加经济效益。

2.1废气焚烧工艺及原理

采用焚烧工艺处理含氯废气已经在化工行业中得到广泛应用，焚烧处理能最大限度地减容、减量并消除废物对地下水、大气和土壤的污染，而且废物焚烧产生的热能还可用于热能回收，含氯废气焚烧可对其产生的氯化氢进行回收，实现变废为宝。焚烧处理技术已在发达国家广泛应用，如美国已建成200多套焚烧装置，其焚烧处理的有害废弃物占废弃物总量的23.6%；日本、德国、法国、荷兰和韩国等焚烧处理废弃物的量也在本国废弃物处理总量中占有相当大的比例。废气、废液焚烧的工作原理是将有机废水雾化、废气喷入焚烧炉，通入供给氧气（空气）和助燃燃料后点火燃烧，完成废弃物的氧化热解处理。在多晶硅废气、废液处理中，采用高温焚烧将废气、废液转化为HCl、SiO2、CO2及水蒸汽等产物，再通过对焚烧产物的深度处理和物料收集，实现无害化、资源化处理。

2.2原工艺流程

原废气处理工艺流程如图1所示。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人A塔内，与A塔塔顶喷头喷淋出来的碱液充分混合并发生化学反应，生成的NaCl、HCl、H20等通过碱液槽排人碱液池，固体沉淀经处理后外运，而H2、N2、H2O（水蒸汽）以及没有反应完全的SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、HCl气体通过连通管进入B塔，进一步与B塔塔顶喷淋出来的碱液发生反应，H2、N2和H2O（水蒸汽）直接放空，其他物质排入碱液池。同时，通过不断加入碱（NaOH或Ca0H）使碱液槽内的pH维持在6-8。

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SiH2C12）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。

综上所述，多晶硅废气、废液的有效处理是确保多晶硅行业节能减排、清洁生产和可持续发展的重要一环。企业应增强自身的环保意识，加大对环保的投入，推广废气焚烧处理工艺，做到对废气、废液彻底有效治理。焚烧处理工艺不仅能够回收副产物产生一定的经济效益，降低废气、废液的处理成本，减少资源浪费，而且可避免污染物的转移，将对环境的影响降至最低。