探究吸附装置安装位置对多晶硅除硼磷的影响

贺玉刚，王 芳，孙 强，张晓伟，时庆合，付 强

（洛阳中硅高科技有限公司，河南洛阳471023）

随着世界工业的大发展， 环境和能源问题越来越严重，已经开始严重影响人们的生活，因此如何降低环境污染、减少能源消耗，成为实现经济可持续发展的重要课题［1］。面对这一重大课题，世界各国开始新型能源的开发利用， 太阳能光伏行业发展势头最为突出［2-3］。 多晶硅作为光伏产业重要的基础材料，市场需求量剧增， 多晶硅的品质成为企业决胜的关键因素。三氯氢硅是沉积生成多晶硅的主要原料，其纯度的高低决定着多晶硅产品的品质。 多晶硅的品质会直接影响光伏产品的功能和质量［4-5］。多晶硅生产中最难去除的杂质是硼、磷，这两种杂质在多晶硅生产的冷氢化阶段会与物料发生反应， 生成种类繁多的硼系和磷系化合物，硼系化合物与氯硅烷的物化性质接近，极难去除［6-10］。 如何高效去除硼、磷杂质提高三氯氢硅纯度，成为多晶硅企业发展中的一大难题。 面对这一问题， 国内外学者做了众多尝试和研究，主要工艺包括萃取法［11］、络合法［12-15］、吸附法［16-17］、部分水解法［18-19］和精馏法等［20］。其中对吸附法除硼、磷工艺的研究最为广泛，通过考察吸附剂、吸附压力、进料温度、进料量等因素对吸附效果的影响确定最佳吸附工艺参数。 但是，在多晶硅生产系统中物料自身杂质含量对吸附装置的吸附效果以及装置的使用寿命都有较大的影响， 此类研究鲜见报道。笔者针对吸附除杂的工艺过程进行研究，讨论了系统中不同阶段的物料进入硼、磷吸附装置的除杂效果，确定了硼、磷吸附装置在系统中的最佳安装位置。

1 实验方法

以洛阳中硅公司多晶硅系统中硼、磷杂质吸附装置为基础，对多晶硅系统中吸附除杂工艺进行研究。 将吸附装置安装在系统中的不同位置；见图1。位置①为回收塔低沸物料进入分离塔的中间管道处；位置②为回收塔产品进入精馏塔的中间管道处，位置③为氢化粗镏塔产品进入回收塔的中间管道处；位置④为精馏塔高低沸物料进入回收塔的中间管道处。 对以上4 个位置的物料进行吸附除杂。 投用前对系统进行调试，确保系统按照最佳工艺参数正常运行，调试合格后连续运行2 周时间。 通过吸附后物料中的杂质含量、杂质吸附率以及吸附装置反冲洗情况等，确定吸附装置在系统中的最佳安装位置。

图1 吸附装置在提纯系统中的安装位置

2 结果与讨论

吸附装置安装在系统中不同位置对物料中硼、磷杂质的吸附效果见图2。从图2 看出，吸附装置安装在4 个位置，吸附后物料中B、P 杂质含量均明显减少，但是位置①处吸附后物料中杂质含量仍然很高，其他3 个位置吸附后物料中杂质质量分数均降到5×10-9以下，其中位置②处吸附后物料中杂质含量总和最小，吸附效果最好。

根据吸附前后物料中杂质含量的变化，对吸附装置安装在不同位置对B、P 杂质的吸附率进行统计，结果见图3。 由图3 看出，当吸附装置安装在位置④时对B、P 的吸附效果最差，吸附率分别为22.8%和19.4%； 当吸附装置安装在位置②时对B、P 的吸附效果均达到最佳，吸附率分别为87.4%和54.3%。

图3 吸附装置安装在不同位置对B、P 的吸附率

吸附装置安装在系统的不同位置， 在系统运行过程中，由于进料中含有硼、磷杂质以及其他金属杂质，同时树脂含有少量水分以及氯硅烷的水解物，会堵塞吸附剂通道。因此，当冷却器出口压力超过规定值时，需要将系统反向运行2 h（反冲洗），再恢复正常进料。 反冲洗次数的多少可以在一定程度上说明吸附装置的实际运行状况， 是判断吸附装置在系统中位置合理性的一个重要衡量标准。 吸附装置在系统中不同位置运行时的反冲次数见图4。 由图4 看出，系统运行2 周，当吸附装置在位置①时，装置的反冲洗次数最高，为15 次；当吸附装置在位置②和位置③时，装置的反冲洗次数为3 次；当吸附装置在位置④时，装置的反冲洗次数为2 次。物料中杂质含量越高，吸附装置内的树脂越容易达到饱和，反冲洗的频率就越高。 反冲洗过程不仅会对整个系统的运行产生影响，还会降低树脂的使用寿命，影响吸附效果。 反之，物料中杂质含量较低时，装置反冲洗次数明显降低，这有利于系统的稳定运行，同时也可以提高装置的吸附效果和使用寿命。

图4 吸附装置安装在不同位置时的反冲洗次数

3 结论

采用相同的吸附装置对不同位置的物料进行吸附，对吸附后的杂质含量、杂质吸附率以及装置的反冲洗频率等进行分析。结果表明：1）当吸附装置安装在回收塔产品进入精馏塔的中间管道处（位置②）时，吸附后物料中杂质含量最低，B、P 杂质吸附率最高，且吸附装置反冲洗频率较低；2）当物料中杂质含量较高时，会影响装置的运行稳定性；3）当杂质质量分数低于1×10-8时，该装置对物料的除杂效果不明显。