多晶硅生产中废气处理探析

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1、多晶硅生产中废气处理探析-废气处理[摘要]多晶硅是太阳能和微电子产业的关键原材料，随着我国太阳能产业的快速发展，多晶硅的需求量也与日俱增。介绍了多晶硅的用途、分类，生产工艺进展，废气和残液的处理过程及缺点，指出了一种废气处理的新工艺。[关键词]多晶硅；废气；处理　　多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。　　1多晶硅的用途及分类　　当前，晶体硅材料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

2、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（MG）：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SiO2+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。一般认为含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99.99999

3、99%～99.999999999%（9～11个9）。　　2多晶硅的生产工艺进展　　多晶硅是通过干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。　　目前，多晶硅工艺技术空前活跃。主要有西门子法、冶金法、等离子法、硅烷法、流化床法、熔盐电解法、无氯工艺技术等。西门子法是通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅。为了提高原料利用率，在原基础上采用闭环式生产工艺即改良西门子法。改良西门子工艺生产的多晶硅产能约占世界总产能的80%。　　国内外对西门子法制备高纯多晶硅的研究较多。如张玉等人采用催化化学气相沉积法制备多晶硅薄膜；美国M.M.Dahl等人研究了多晶硅在

4、流化床中的微观结构和颗粒生长。此外，多晶硅的生产技术还有碳热还原法、区域熔炼法等。碳热还原法是利用高纯碳还原二氧化硅制取多晶硅，区域熔炼法是利用金属定向凝固原理将金属级硅提纯到、太阳能级硅的。　　3废气和残液的处理　　在多晶硅制备中有大量的废气和废液产生，国内多数单位通常先用水洗水解，然后通过NaOH中和处理废气和残液处理工序。　　3.1废气净化　　氯硅烷分离提纯工序各精馏塔顶排放的含氯硅烷、氮气的废气，及含氯硅烷、氢气、氮气、氯化氢的多晶硅还原炉置换吹扫气和多晶硅还原炉事故排放气等，被送进尾气洗涤塔组，用水（盐酸溶液）洗涤，废气中的氯硅烷与水发生以下反应而被除去

5、：　　SiHCl3+2H2O=SiO2+3HCl+H2　　SiCl4+2H2O=SiO2+4HCl　　SiH2Cl2+2H2O=SiO2+2HCl+H2　　出尾气处理塔顶含有氮气和氢气的废气经液封罐放空，出尾气处理塔塔底含有SiO2固体的盐酸溶液用泵送入工艺废料处理工序。　　3.2残液处理　　从氯硅烷分离提纯工序中排除的残液主要是含有四氯化硅和聚氯硅烷化合物的液体以及装置停车放净的氯硅烷液体，送到残液工序加以处理。　　需要处理的液体被送入残液收集槽。然后用氮气将液体压出，送进尾气洗涤塔组。被水（盐酸溶液）洗涤，废液中的氯硅烷与水发生反应生成含SiO2固体的盐酸溶液

6、，通过Na0H溶液和氯硅烷废液反应并转化成无害物质。　　废液中的氯硅烷与NaOH发生如下反应：　　SiCl4+4NaOH=H4SiO4+4NaCl　　Si2OCl6+6NaOH+H2O=2H4SiO4+6NaCl　　Si2Cl5H+5NaOH+3H2O=2H4SiO4+5NaCl+2H2　　Si2Cl6+6NaOH+2H2O=2H4SiO4+6NaCl+H2　　H4SiO4=SiO2+2H2O　　H4SiO4+2NaOH=Na2SiO3+3H2O　　水洗水解工艺的缺点：　　（1）工艺路线长，设备多，投资大；　　（2）工艺过程复杂，耗水耗碱量大，三废处理量大，不仅原

7、材料浪费多，而且须用大量的氢氧化钠处理盐酸，生产成本较高。　　（3）处理过程密闭性差，造成空气污染及不安全因素；NaCl水溶液是咸水。　　通过分析水洗水解工艺的缺点可知，多晶硅三废治理投资方向应按照安全性（Security）、无害化（Harmless）、零排放（ZeroLiquiddischarge）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）、经济性（Economical）的循环经济理念进行新工艺的设计和研究，这也是多晶硅产业可持续发展和环境保护的需要。　　4多晶硅废气处理工艺设计　　基于水洗水解工艺的缺点，进行新的设计：废气和处理工序残液处理工序合并，用石

8、灰乳代替N