生态文明视域下探究多晶硅尾气处理与净化工艺的研究现状

彭潇 李章鹏 张正彪

作者简介：彭潇（1987—），男，硕士，助教，研究方向为环境工程。

摘  要：在社会经济快速发展的整体背景之下，太阳能光伏、半导体、电子信息等行业的发展速度也在不断提升，多晶硅作为以上产业不可或缺的材料，其需求量也在与日俱增。但是在多晶硅产生的过程中会产生大量的尾气，不仅含有大量的有毒有害物质，同时具有易燃易爆的特質，一旦处理不当则会产生严重的生产安全事故，造成重大经济损失的同时对人们的身心健康也具有严重的威胁。加之社会各界对环保工作的不断加强，对多晶硅尾气处理与净化工艺进行不断的调整与优化是势在必行的，以达到多硅晶生产质量提升和生态平衡的目标。

关键词：生态文明  多晶硅尾气  处理与净化  工艺研究

中图分类号：X143           文献标识码：A           文章编号：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： Under the overall background of rapid social and economic development， the development speed of solar photovoltaic， semiconductor， electronic information and other industries is also increasing. As an indispensable material for the above industries， the demand for polysilicon is also increasing day by day. However， a large amount of tail gas will be generated in the process of polysilicon production， which not only contains a large number of toxic and harmful substances， but also has the characteristics of flammability and explosion. Once it is not handled properly， it will produce serious production safety accidents， cause major economic losses， but also pose a serious threat to people's physical and mental health. In addition， with the continuous strengthening of environmental protection in all sectors of society， it is imperative to continuously adjust and optimize the polysilicon tail gas treatment and purification process， so as to achieve the goal of improving the production quality and ecological balance of polysilicon.

Key Words： Ecological civilization; Polysilicon tail gas; Treatment and purification; Process research

在现代社会发展与建设工作中，多硅晶由于其广泛的用途成为重要的原材料。多硅晶生产中产生的为其需要对其进行处理与净化，否则直接排放到空气中，会严重地损害生态环境，对人们的身体健康造成影响。但是现阶段尾气的处理工艺仍然存在一定的不足之处，要实现既保护生态环境又能够节约资源的双重目标，需要对现阶段处理工艺中存在的不足之处进行改进，为可持续发展战略的实施做出贡献。因此，该文着重对多晶硅尾气的处理工艺以及改造措施进行了阐述，对尾气的净化工艺进行了简要剖析，希望能够为相关从业者提供一定的参考。

1 多晶硅尾气产生原理

现阶段在多硅晶生产操作中，改良西门子法是常用的生产方式，在进行主体三氯氢硅的生产中，硅粉、氢气、氯化氢以及四氯化硅仍然是主要生产原料，随后再将三氯氢硅进行冷凝和提纯处理，与氢气进行还原反应，得到具有高浓度的硅单质，将硅单质放入到还原炉中得到多晶硅。在进行三氯氢硅的生产过程中，会残余一定的HCl气体、氯硅烷气体以及多余的氢气，其都在多晶硅的尾气范畴之内，由此可见尾气的腐蚀性与酸性是十分强烈的，同时易燃易爆属性明显，因此做好多晶硅尾气的处理工作是至关重要的[1]。

2 多晶硅尾气处理方式

2.1水洗法

在进行尾气中HCl和氯硅烷去除的过程中，主要利用的是水或碱溶液的吸收作用。使用水洗法进行多晶硅尾气处理时，需要设置多级淋洗塔，氯化硅在淋洗的过程中，通过水解反应会转变成为HCl气体，水体会对HCl气体进行吸附，进而使得尾气达到可以排放的标准[2]。但是HCl在水中的溶解度有限，因此使用水洗法进行尾气处理操作，水资源的使用量是巨大的，会造成资源浪费情况的产生。

2.2碱洗法

碱洗法与水洗法相比，其能够将水洗法中存在的不足进行有效的弥补，与水洗法的操作原理相同，其主要是利用碱液对HCl和氯硅烷气体进行吸收，但是HCl在碱液中的溶解度是十分可观的，因此使得尾气吸收效果得到了显著的提升，同时能够将用水量进行降低。现阶段碱洗法主要用在NaOH以及Ca（OH）2溶液的吸收处理中，利用水解中和反应对尾气进行操作，会生成Na2SiO3·9H2O、CaSiO3以及CaCl2，尾气中只剩下H2O、H2以及N2，进而能够满足排放的要求。虽然此种方式能够将尾气吸收效果增强，但是使用NaOH溶液进行操作，强碱溶液会对操作设备造成严重的腐蚀，而使用Ca（OH）2溶液进行操作时，产生的CaCl2和CaSiO3的溶解性较差，因此会使得设备的内部管路出现堵塞的情况[3]。同时使用水洗法和碱洗法，对尾气中的氯元素回收利用能力有限，会导致一定的浪费，同时对尾气的H2含量不能够有效降低，其易燃易爆属性依然存在，仍然具有安全隐患。

2.3燃烧法

燃烧法的操作原理主要是利用助燃原料，为尾气提供富氧环境，使其能够进行完全燃烧，在燃烧过后，多晶硅为其中的氯硅烷会分解为SiO2和HCl气体进而生成烟气，在后续的换热降温以及吸收中，烟气中的SiO2和HCl气体会被回收和利用，使得资源浪费的情况得到了有效地规避，经过处理后的尾气其可燃性被完全消除，使得多晶硅生产过程中的安全性得到了有效的保障。通过以上阐述可以得知，燃烧法与水洗法和碱洗法相比，其处理效果和优势是十分显著的，但是这对操作流程和操作设备的要求也是更加严苛的，其运行成本与二者相比也具有明显提升，其经济性能相对较差，所以在现阶段的多硅晶尾气处理中，燃烧法并没有被广泛地应用，只有在对尾气处理有特殊要求时才采用该种方式进行处理。

3 多晶硅尾气处理工艺的不足之处

原工艺在进行多晶硅尾气处理时，主要是通过两个气体储存塔完成尾气的处理。主要是将喷洒装置安装在A塔顶部，随后尾气集中汇到A塔中，从喷洒装置中将碱液喷出，使得碱液与尾气之间能够充分地进行化学反应，生成的物质通过碱液槽流入到碱液池中。H2O、H2以及N2等没有完全反应的物质，通过管道传输到B塔中，再与B塔中喷淋的碱液进行化学反应，最终使得尾气能够达到排放标准。

3.1工艺简单，浪费严重

多晶硅在生产操作中的多个环节中，都会产生一定的尾气，如氢化、还原等。在这些生产流程中产生的尾气会包含一定的氯化硅，在后续的其他操作中能够对其进行回收并重复利用。但是在原有工藝中，在这些气体处理时，将其统一划分为尾气进行处理，并没有对其进行回收利用，造成该部分气体资源的严重浪费，同时在处理的过程中，碱液的使用量大量消耗，还需要对固体废渣进行处理，使得处理成本增加，处理效率降低，这是十分不利的[4]。

3.2效果不佳

多硅胶的生产流程是十分繁杂的，其整个生产流程之间呈现的是闭环的状态，一旦在生产过程中，某一个环节出现生产问题，都有可能造成生产尾气的增加。原有工艺对生产尾气的处理能力有限，如果尾气排放量超过一定的指标，则无法对尾气进行充分的处理，这个时候会有大量的白色烟雾充斥在厂区，不仅造成了资源的严重浪费，同时对环境以及工作人员的健康都具有严重的威胁。

3.3安全系数低

通过以上阐述可以得知，多晶硅的尾气中含有大量的二氯加硅烷、Cl3HSi以及H2等易燃易爆物质，一旦与氧气之间进行了接触，爆炸的情况则极易发生。使用碱洗法进行处理，在反应的过程中，会释放大量的热量，反应炉内的温度会急速上升，而尾气中的可燃物质自燃的概率也随着提升，进而产生爆炸事故。

4 多晶硅尾气处理工艺改造措施

4.1工艺改造

该次多晶硅尾气处理工艺的改造研究以碱洗法为研究对象，对现阶段存在的问题进行调整与优化，以实现提升尾气处理的质量和效率以及安全性的目标，降低生态环境的污染性，进而促进多晶硅产业的积极发展。

首先是在A塔和B塔的基础上，增设C塔和D塔，其主要目的是在生产运行不稳定的情况下，能够满足尾气处理的要求。当多晶硅生产系统不能稳定运行时，尾气的排放量会急剧上升，在此背景下，将C塔和D塔投入到尾气处理工作中，能够处理更大的尾气排放量，同时能够将处理效率进行有效提升，使得多晶硅生产中尾气处理要求能够被充分地满足，进而保证生产活动能够顺利开展。

其次是进行冷凝分离装置的添设，在完成多晶硅尾气的汇集操作后，将其传输到冷凝分离装置当中，对装置的压力和温度进行调节，使得氯硅烷在冷凝操作后能够由气体转换为液体，此时再对其进行回收利用处理。完成冷凝处理后，将余下的尾气传输到A塔中进行碱液喷淋操作。

再次为了使得碱液淋洗操作的安全性得到有效保障，可以添加N2管道在A塔和C塔之间，在顶部进行管道的安装， 需要装压力控制在0.3～0.5MPa之间，使得N2管道能够处在相对安全的条件下，将空气进行塔内的情况进行有效规避，避免氧气与塔内尾气中可燃物质进行反应，保证了生产的安全性。

最后为了将着火和保障等安全事故进行规避，在原有工艺的基础上上，添加一套水封装置和一根曲管，曲管的长度控制在15 m左右即可。将B塔和D塔中产生的尾气，抽送到曲管中，使用水封装置对曲管进行冷却，进而对尾气气体的温度进行控制，再将其引入到水封装置中，对HCL、H2、N2以及H20等气体进行全面处理后，再将其排放到空气当中，使得操作工艺的效率和安全性得到增强。

4.2改造效果

首先，通过对原有工艺的改造，尾气的处理质量和效率得到了显著提升。通过冷凝装置，使得尾气中的氯硅烷得到了有效的回收，同时使得碱液的消耗量得到了降低。根据相关统计，在完成工艺改造后，氯硅烷的回收率达到了92%以上，碱液的消耗量每月减少了将近500 t，由此可见，尾气的处理成本得到了有效的控制，使得多晶硅企业的经济效益得到提升。

其次，通过对原有工艺的改造，对新废气处理系统的进、出口气体进行了采样分析。使用原有工艺对尾气处理后的气体中，HCl、氯硅烷等有毒有害的残存比例在18%左右。而采用改造后的工艺对尾气处理后的气体中，HCl、氯硅烷等有毒有害的残存比例不超过0.1%，由此可见，多晶硅尾气对环境污染的情况得到了显著的降低，甚至基本消除。

最后，通过对原有工艺的改造，对相关企业的生产安全事故进行统计后可以看出，爆炸事故问题基本得到了完全的解决，使得多硅晶企业的生产安全以及操作人员的生命安全得到有效保证，同时在一定程度上，提升了多晶硅产品的生产质量，对促进该行业的长远发展具有深刻意义。

5 多硅晶尾气的净化工艺

5.1电解氢气

在多晶硅的生产过程中，氢气不仅作为原料同时也是还原剂，其对氢气的纯度都要求达到99.999%。现阶段在高纯氢气的制取中，电解质氢是应用最为广泛的方式之一。水电解制氢主要是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，在进行直流电通电后，水会进行分解反应，在阳极析出氧气，阴极析出氢气。随后对氢气进行催化脱氧、冷却去湿以及吸附干燥的处理，将其杂质进行全面清除，以实现氢气的纯化，获取到99.999%的氢气，进而满足多硅晶的生产，但是该种方式的投资成本相对较大，后期的耗电量也无法掌控，其成本相对较高。

5.2膜过滤

膜过滤技术具有分离效率高、操作耗能低、对环境污染小等操作优点，在生态文明背景下，该种方式得到了广泛的关注。使用膜过滤技术进行操作时，首先要进行膜性能的选择，其透过性能是主要的衡量指标。聚合物膜其生产成本较低，但是器械强度低，HCl等气体会对其造成一定的腐蚀;金属膜虽然其分离效果好，机械性强，但是生产成本极高，所以没有广泛应用;陶瓷膜虽然与金属膜相比，其生产成本低，但是在操作过程中，容易受到损坏[5]。综上所述，由于多晶硅尾气中的构成成分相对复杂，同时具有腐蚀性，因此如果使用膜过滤方式进行净化，其操作难度会增加。

5.3变压吸附法

变压吸附（PSA）法的操作原理是利用氣体组分在固体材料上吸附特性的差异性和吸附量随压力变化而变化的特性，通过对压力进行周期性变换，使得尾气中的气体能够进行有效分离或提纯。变压吸附法在进行年中取得了较大的进步，在化工行业中，其装置的应用数量以及使用规模都在不断地提升中，同时应用范围也在不断扩大。在进行多晶硅尾气处理中，使用变压吸附法，不仅能够将投资成本进行有效控制，同时也操作难度小，弹性大，处理量在设计值的30%～100%范围内，都能够获取到高纯度的氢气，因此成为多晶硅尾气处理中使用广泛的方式[6-7]。

6结语

多晶硅作为新兴行业的重要材料，在对其进行生产的过程中，也要重视对环境的保护，对现有工艺的不足之处进行全面分析和调整，加强对多硅晶尾气的处理和净化，提升多晶硅生产质量和效率，进而实现经济效益与生态环境的协同发展。

参考文献

[1] 陈叮琳，张才刚，李有斌，等.电子级多晶硅生产尾气中无定型硅的产生原因及预防措施[J].化工管理，2020（34）：78-79.

[2] 胡爱新，胡光初.1 500 t/a系列多晶硅项目布置及管道设计特点探讨[J].化工设备与管道，2020，57（5）：76-79.

[3] 沈琛.多晶硅尾气吸附塔再生气回收工艺的节能优化及流程模拟[J].现代化工，2019，39（S1）：192-194.

[4] 夏进京，黄国强，陈朝霞，等.高纯晶体硅绿色关键工艺和材料的突破与应用[EB/OL].（2021-03-15）[2021-11-12].https：//kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx？dbname=SNAD&filename=SNAD000001867857.

[5] 李辉，宗凤云.气相色谱法测定硅烷法生产多晶硅的尾气中硅烷的含量[J].理化检验（化学分册），2019，55（4）：477-479.

[6] 张胜涛.基于数值模拟电子级多晶硅生长还原炉耦合工艺研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[7] 周叶明.电子级多晶硅循环氢中磷杂质的吸附脱除研究[D].天津：天津大学，2019.

3954500338208