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光伏行業—多晶硅生產過程中的廢氣處理
摘要
隨著光伏行業的欣欣發展, 一些問題也逐漸顯露出來。科學合理的處理常見太陽能電池, 包括晶體硅、非晶硅、銅銦鎵硒、砷化鎵、碲化鎘和染料敏化納米晶太陽能電池在生產過程中產生的各種可能污染物，如微米/納米顆粒的粉塵和固體廢棄物; 酸堿廢液、重金屬離子、有機溶劑和納米粒子的液體產物; 粉塵、煙氣、納米顆粒和化學氣體的尾氣產物等，對維護環境，維持行業的健康發展有非常重大的現實意義。本文將簡要的探討多晶硅生產工藝中廢氣的處理問題。
一、多晶硅生產工藝中廢氣與來源
多晶硅主要的生產工藝，是通過工業硅與氣態氯化氫的反應，將其轉化為由三氯氫硅、四氯化硅、二氯氫硅、聚氯硅烷、金屬雜質等組成的混合蒸汽并將其冷凝，用精餾的方法從冷凝液中分離出高純度的三氯氫硅，再將汽化的三氯氫硅，與氫氣按一定比例混合引入多晶硅還原爐。在置于還原爐內的棒狀硅芯兩端加以電壓，產生高溫。在高溫硅芯表面，三氯氫硅被氫氣還原成元素硅，并沉積在硅芯表面，逐漸生成所需規格的多晶硅棒。
（1）含氯空氣：主要來源是從液氯鋼瓶或汽化系統設備、管線泄漏出來的氯氣
- 入廢氣處理塔的含氯空氣，在填料層與自上而下的堿液逆流接觸，氯氣與堿液中的NaOH反應生成NaClO、NaCl和H2O而被吸收。因反應放熱，塔內液體和氣體的溫度均有升高。用事故風機抽出塔頂經處理達標的氣體放空；出塔底的液體靠位差流入堿液循環槽，再用堿液循環泵抽出，經堿液循環冷卻器用循環冷卻水冷卻后，送入廢氣處理塔頂用作吸收劑。當循環堿液中NaOH濃度降至2~3%（w）時，停止使用工作槽中的堿液，切換至堿液循環備用泵，將備用槽中貯存的濃度為15%（w）的新鮮NaOH溶液送入廢氣處理塔吸收氯氣。在備用泵、備用槽系統作吸收操作期間，原工作泵、工作槽系統需完成以下工作：用泵將槽內含10%NaClO的液體排至次氯酸鈉溶液貯槽貯存，然后將配制好的NaOH溶液送入槽內貯存，以備隨后用于氯氣的吸收次氯酸鈉溶液貯槽內貯存的10%NaClO溶液，用泵裝車，作為商品外售。必要時，亦可將其送至工藝廢料處理工序處理。15%NaOH溶液的配制，是將從35%NaOH貯槽送來的濃堿液放入15%堿液配制槽內。向槽中通入一次水，將堿液稀釋至所需濃度。事故風機、廢氣處理塔、堿液循環系統保持連續運轉。
（2）三氯氫硅合成系統廢氣：
- 出三氯氫硅合成爐的夾帶有硅粉的汽氣混合氣依次進入一、二、三級旋風除塵器，氣體中的大部分硅粉被分離下來，隨即落入安裝于下方的三個小集塵罐。定期把硅塵從小集塵罐中卸到集塵罐中。定期將罐中硅粉卸出，送去處理。
- 經“干法”除塵后的汽氣混合氣進入濕氫處理塔頂部，與同樣從頂部注入的四氯化硅液體混合，自上而下流動。從塔下部送入用脫鹽水增濕的氫氣，與塔內的氣液混合物接觸，促使汽氣混合氣中所含的金屬氯化物發生部分水解，同時，汽氣混合氣中的部分細小硅塵被液體四氯化硅洗下，混合氣亦被四氯化硅冷卻。
- 從濕氫處理塔下部出來，含固態雜質的汽氣液混合物進入鼓泡蒸餾釜并被引至液下。氣體鼓泡溢出，隨后由下而上進入泡塔，與從塔頂流下的液體四氯化硅逆流接觸，被進一步冷卻并最終除去細小的硅塵和金屬雜質。
- 出鼓泡塔，除去了固態雜質的冷卻汽氣混合氣，壓力為0.2～0.25MPa，溫度為50～90℃，被送入汽氣混合氣分離系統（CDI-3）。在該系統內，汽氣混合氣中的氯硅烷被冷凝分離出來，送入三氯氫硅儲槽（氯硅烷儲槽），然后被送往三氯氫硅提純工序粗精餾部分的一級精餾塔。同時，氫氣和氯化氫氣體也從CDI-3系統中分離出來，兩種氣體分別被送回氯化氫合成工序的氫氣緩沖罐和氯化氫緩沖罐，循環用于氯化氫合成和三氯氫硅合成。
- 鼓泡塔底引出的含四氯化硅、三氯氫硅、聚氯硅烷、硅渣和其它雜質的液體，被泵送至三氯氫硅提純工序粗精餾部分六級精餾塔。
- 貯存于四氯化硅儲槽的四氯化硅，由泵送至濕氫處理塔和鼓泡塔頂，用作濕法除塵的洗滌液。
（3）提純工藝中的廢氣處理
- 三氯氫硅提純工序各精餾塔頂排放的含氯硅烷、氮氣的廢氣，及含氯硅烷、氫氣、氮氣、氯化氫的多晶硅還原爐置換吹掃氣和多晶硅還原爐事故排放氣，被送進尾氣洗滌塔，用10%石灰水洗滌，廢氣中的氯硅烷（以SiHCl3為例）和氯化氫與石灰水中的CaO發生以下反應而被除去：
- SiHCl3+3H2O=H2SiO3+3HCl+H2
- H2SiO3+CaO=CaSiO3+ H2O
- 2HCl+CaO=CaCl2+H2O
- 出塔底洗滌液用泵送入帶攪拌的石灰漿液槽，隨后用泵送回尾氣洗滌塔頂循環使用。當槽內的石灰漿濃度下降至2%時，將含有CaCl2、CaSiO3和未反應CaO的部分液體抽出送往工藝廢料處理工序處理，隨即向槽內補充新鮮石灰漿。
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