摘要：通過(guò)介紹干法尾氣回收工藝流程、活性炭吸附塔的吸附原理，并分析影響活性炭吸附塔吸附效果的因素，并得出結(jié)論。

改良西門子法多晶硅生產(chǎn)中干法尾氣回收的主要作用是將還原尾氣中的氯硅烷、氫氣、氯化氫進(jìn)行分離回收，回收后的氫氣直接進(jìn)入還原爐，用于還原三氯氫硅生成多晶硅，因此回收氫氣的質(zhì)量與產(chǎn)量決定多晶硅的質(zhì)量與產(chǎn)量。目前行業(yè)中多采用活性炭吸附的方法進(jìn)行氫氣凈化，活性炭吸附塔的吸附效果和處理能力也就成為了影響多晶硅質(zhì)量與產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

1、干法尾回收工藝流程

干法尾氣回收系統(tǒng)有四級(jí)冷凝、壓縮、吸收、解析、吸附、再生氣回收等單元操作。四級(jí)冷凝將還原尾氣中大量的氯硅烷冷凝成液體被分離，回收的液體將用泵送入解析塔以解析出HCl。壓縮將經(jīng)過(guò)四級(jí)冷卻的氣體由0.35MPa提壓至1.2Mpa。然后進(jìn)入吸收塔用-40℃的氯硅烷液體吸收HCl，大約99.8%的HCl被吸收，吸收HCl的液體和四級(jí)冷卻出的液體在解析塔中蒸餾出HCl，大約99.9%回收的HCl從解析塔的頂部以-40℃液體形態(tài)流出。塔底氯硅烷進(jìn)入精餾分離出TCS進(jìn)入還原爐再使用。經(jīng)過(guò)吸收塔噴淋后的氫氣，還含有氯化氫、二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅以及硼和磷等物質(zhì)，通過(guò)活性炭吸附凈化后進(jìn)入還原爐回收利用。流程圖見(jiàn)圖1：

2、活性炭吸附塔的吸附原理

活性炭是一種多孔性的含炭物質(zhì)，它具有高度發(fā)達(dá)的孔隙構(gòu)造，活性炭的多孔結(jié)構(gòu)為其提供了大量的表面積，能與氣體（雜質(zhì)）充分接觸，從而賦予了活性炭所特有的吸附性能，使其非常容易達(dá)到吸收收集雜質(zhì)的目的。就像磁力一樣，所有的分子之間都具有相互引力。正因?yàn)槿绱耍�活性炭孔壁上的大量的分子可以產(chǎn)生強(qiáng)大的引力，從而達(dá)到將有害的雜質(zhì)吸引到孔徑中的目的。

多晶硅生產(chǎn)中，活性炭吸附塔利用了活性炭的物理吸附原理，將氫氣中氯化氫、氯硅烷及少量的雜質(zhì)吸附至活性炭的微孔內(nèi)，已達(dá)到除雜的目的。并且這種吸附是完全可逆的，雜質(zhì)從活性炭微孔內(nèi)脫附出來(lái)的過(guò)程，稱為再生過(guò)程。吸附塔在高壓常溫下吸附，在常壓高溫下完成脫附再生，三個(gè)吸附柱交替進(jìn)行上述過(guò)程，完成一個(gè)吸附周期，實(shí)現(xiàn)氫氣的連續(xù)純化，得到滿足要求的氫氣。

3、活性炭吸附塔的影響因素

活性炭在使用一定的時(shí)間后，需要進(jìn)行加熱再生，將吸附的物料脫附出來(lái)，并用干凈的氫氣吹掃帶出。此過(guò)程需要在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)完成，同樣活性炭吸附塔也需在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被加熱到再生所需溫度。通過(guò)活性炭吸附塔氫氣量越大，帶入氯化氫、氯硅烷物料多，脫附時(shí)所需熱量越多，活性炭吸附塔的升溫越慢，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到再生的溫度，影響再生效果。再生效果不佳，直接影響吸附塔的吸附效果及處理能力。影響再生溫度的因素如下：

（1）活性炭傳熱系數(shù)影響

活性炭因廠家、型號(hào)不同而存在差異，其導(dǎo)熱系數(shù)一般介于0.17-0.28W/m·k之間，傳熱性能差，致使再生時(shí)熱介質(zhì)所提供的熱量不能被充分吸收，加熱速率較慢。采購(gòu)時(shí)，盡可能選擇質(zhì)量好、性能優(yōu)的活性炭，根據(jù)處理量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的活性炭裝填量，并適當(dāng)放余量。

（2）活性炭吸附塔設(shè)計(jì)換熱面積不足

吸附塔設(shè)計(jì)中換熱面積不足，影響再生時(shí)的加熱溫度，進(jìn)而影響再生效果；主要表現(xiàn)在熱介質(zhì)溫度足夠高，而其進(jìn)出吸附柱的溫差較小時(shí)。總結(jié)分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖一、圖二），可以通過(guò)一定范圍內(nèi)提高熱介質(zhì)的溫度和流量來(lái)適當(dāng)彌補(bǔ)換熱面積不足的問(wèn)題。

吸附塔處理的氫氣量為15000Nm³/h，熱介質(zhì)對(duì)應(yīng)溫度為180℃的前提下，熱介質(zhì)流量變化與達(dá)到再生溫度所需時(shí)間的對(duì)照?qǐng)D如圖2：

吸附塔處理的氫氣量為15000Nm³/h，熱介質(zhì)對(duì)應(yīng)流量為60m³/h的前提下，熱介質(zhì)溫度變化與達(dá)到再生溫度所需時(shí)間的對(duì)照?qǐng)D如下：

（3）前端吸收塔吸收液組分的影響

氫氣中夾帶的氯化氫、氯硅烷主要被吸附柱在吸附柱下部，再生脫附時(shí)需要吸收大量的熱量，脫附吸熱基本上等同于汽化熱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于比熱（見(jiàn)表1）。再生過(guò)程中氯硅烷脫附所需熱量遠(yuǎn)大于溫升所需熱量。

表1 氯硅烷種介質(zhì)比熱和汽化熱值

生產(chǎn)證明，活性炭吸附柱處理還原尾氣的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處理氫化尾氣的量。主要原因在于，氫化尾氣處理系統(tǒng)中，氫氣進(jìn)入活性炭吸附柱前，在吸收塔用氯硅烷進(jìn)行噴淋時(shí)，氯硅烷中的四氯化硅含量居高，揮發(fā)度小，氫氣中夾帶進(jìn)入活性炭吸附塔的氯硅烷質(zhì)量也相應(yīng)較小，活性炭再生時(shí)易加熱，再生充分，處理能力也較大。而處理還原尾氣時(shí)，吸收塔的氯硅烷噴淋液中三氯氫硅、二氯二氫硅比重大，氫氣中夾帶多，造成活性炭再生時(shí)加熱速率慢，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)難以完成再生過(guò)程，為保證氫氣吸附效果，只能降吸附塔的處理量，造成處理能力降低。通過(guò)生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，還原尾氣吸附塔中氫氣夾帶氯硅烷的量較氫化尾氣高百分之六十，而對(duì)應(yīng)吸附塔的處理能力較氫化尾氣下降百分之四十。

4、活性炭吸附塔超負(fù)荷運(yùn)行對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

查找文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸附柱長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)下工作時(shí)，會(huì)使吸附柱的吸附能力降低，致使HCl對(duì)活性碳中的一些有害雜質(zhì)，如磷、硼、碳等元素析出，并通過(guò)氫氣一并帶入還原生產(chǎn)系統(tǒng)中。同時(shí)通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析證明，活性炭吸附塔的負(fù)荷較小，處理量在滿負(fù)荷的百分之八十以下時(shí)，氫氣處理量與多晶硅產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量是沒(méi)有相關(guān)性的；當(dāng)活性炭吸附塔處理量過(guò)大，影響再生效果時(shí)，氫氣處理量與多晶硅產(chǎn)品中的雜質(zhì)呈現(xiàn)明顯相關(guān)性。進(jìn)一步證明活性炭吸附塔有吸附氫氣中雜質(zhì)的能力，超負(fù)荷運(yùn)行直接影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。

5、結(jié)語(yǔ)

活性炭采購(gòu)時(shí)，選擇合適廠家及型號(hào)的活性炭，確保吸附性能；活性炭吸附塔在設(shè)計(jì)階段，為保證再生效果，應(yīng)考慮適當(dāng)增加活性炭吸附塔換熱面積，提高熱介質(zhì)溫度；尾氣回收中，在吸收塔噴淋環(huán)節(jié)進(jìn)量降低吸收液中的輕組分雜質(zhì)含量，較少吸附塔氯硅烷的帶入量；當(dāng)還原尾氣中的氫氣處理氣量過(guò)大時(shí)，應(yīng)增加吸附裝置，避免影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。