CN105948059A - 回收处理氯硅烷尾气的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种回收处理氯硅烷尾气的系统及方法，该系统包括依次连接的尾气收集系统、反应系统及冷凝系统；其中反应系统包括反应塔，反应塔的上部及下部均装有填料层，中部设有催化剂层，底部还连接有再沸器和液相四氯化硅补充管。回收的尾气组分包括二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅以及极少量的氢气、氯化氢。其中二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅通过反应全部转化为三氯氢硅回到精馏单元再提纯，极少量的氢气、氯化氢最后送到三废处理；尾气物料回用率达到了95%以上，大幅减少了物料的损耗，同时大大减轻了三废的处理压力。

Description

回收处理氯硅烷尾气的系统及方法
技术领域
本发明属于多晶硅生产领域，具体涉及一种回收处理氯硅烷尾气的系统及方法。
背景技术
我国多晶硅工业起步于上世纪50年代，60年代中期实现了产业化。电子信息和太阳能光伏产业的发展带动了多晶硅需求的增长，特别是国内太阳能产业高速发展的大背景下，不断超出市场预期的光伏新增装机量带动组件需求旺盛，使得上游的原材料多晶硅需求大幅增长。
改良西门子法是当今生产多晶硅的主流工艺：冶金级硅粉和氯化氢（或者四氯化硅、氢气）在反应器中反应生成三氯氢硅，然后对三氯氢硅提纯精制，最后在还原炉中三氯氢硅与氢气通过还原反应得到高纯多晶硅，还原炉出来的尾气再进行分离，从而回收物料循环利用。由于在反应生成三氯氢硅的过程和还原炉沉积生成多晶硅的过程中，会产生一些轻组分的氯硅烷副产物，如二氯二氢硅，以及系统中少量的HCl、H2等带入氯硅烷，导致在氯硅烷回收单元以及精馏提纯单元，这些轻组分排出的同时，带出了大量的中间产品三氯氢硅，造成较大的物料损耗。
发明内容
本发明的目的提供一种回收处理氯硅烷尾气的系统及方法，能够很好的解决多晶硅生产过程物料损耗过大，三废处理压力大，环保难达标的难题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种回收处理氯硅烷尾气的系统，包括依次连接的尾气收集系统、反应系统及冷凝系统；其中反应系统包括反应塔，反应塔的上部及下部均装有填料层，中部设有催化剂层，底部还连接有再沸器和液相四氯化硅补充管。
所述的尾气收集系统设有连接氯硅烷储罐单元、回收单元、精馏单元和冷氢化单元的尾气及尾气冷凝液收集管道。
精馏单元包括冷氢化精馏系统、还原精馏系统和高低沸精馏系统。
回收单元的尾气即为还原干法回收系统中的尾气。
所述的尾气收集系统中收集的不仅仅有气态的尾气，还有液态形式的尾气冷凝液。
所述冷凝系统与反应塔的顶部连接，冷凝系统中还设有回路管道连接至反应塔。
所述冷凝系统采用多级冷凝器进行串联连接；所述尾气收集系统采用多台收集缓冲罐进行并联连接。
所述填料层中的填料为金属丝网规整填料、催化剂层所用的催化剂为弱碱性阴离子树脂催化剂，该催化剂是一种弱碱性阴离子类型，基体为苯乙烯-DVB，粒径为300~900μm，一般选用美国陶氏化学的产品。
所述冷凝系统中使用卧式固定管板式换热器，尾气走壳层，冷却介质走管程。
所述再沸器为立式固定管板式换热器，物料走管程，加热介质走壳层。
所述尾气收集系统中二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅合计占98%wt以上，氢气与氯化氢比例小于2%wt。
采用所述系统进行回收处理氯硅烷尾气的方法，具体步骤为：
将所有的尾气通过管道收集到尾气收集系统中储存，维持压力在0.1-0.2MPaG，然后将尾气及其产生的冷凝液分别送入到反应分离系统，同时，从液相四氯化硅补充管补充液相四氯化硅，控制反应分离系统的压力为0.05-0.08MPaG，尾气及冷凝液反应后经冷凝器冷凝后得到三氯氢硅，冷凝系统的压力也控制为0.05-0.08MPaG。在保证反应和分离效果的前提下，将反应系统和冷凝系统的压力控制在0.05-0.08MPaG的微正压，能使该系统有较好的节能效果。
所述冷凝系统还有氢气及氯化氢尾气。
尾气中组分主要包括副产物二氯二氢硅、副产物四氯化硅、中间产品三氯氢硅以及极少量的氢气、氯化氢。三氯氢硅是多晶硅生产过程中的中间产品，而二氯二氢硅、四氯化硅是多晶硅生产过程中的副产物。
该系统可将多晶硅生产过程中排放尾气中的二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅充分利用。通过该系统的处理，二氯二氢硅、四氯化硅在反应分离系统中全部转化为三氯氢硅，最后与尾气中的气相三氯氢硅一起冷凝后回到精馏单元再提纯利用，极少量的氢气与氯化氢不发生反应，经过冷凝系统后仍以气相形态出来，分开后送往三废处理。该系统将所有的含氯硅烷尾气全部收集后，平稳地送入反应分离系统，实现氯硅烷尾气基本全部回收利用，很好的解决了多晶硅生产过程物料损耗过大，环保难达标的难题。
本发明提供的系统及方法通过收集氯硅烷尾气，区别于传统的仅能转化液相纯组分二氯二氢硅的固定床反应器，其具备处理二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅混合物气液相的能力。通过进行反应分离，得到需要的中间产品三氯氢硅，再将极少量的氢气、氯化氢送往三废处理，系统连续高效运行周期内，尾气物料回用率达到了95%以上，大幅减少了物料的损耗，同时大大减轻了三废的处理压力。
附图说明
图1为回收处理氯硅烷尾气的系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
一种回收处理氯硅烷尾气的系统，包括依次连接的尾气收集系统1、反应系统2及冷凝系统3；其中反应系统2包括反应塔21，反应塔21的上部及下部均装有填料层22，中部设有催化剂层23，底部还连接有再沸器24和液相四氯化硅补充管25。
进一步的，所述的尾气收集系统1设有连接氯硅烷储罐单元、回收单元、精馏单元和冷氢化单元的尾气及尾气冷凝液收集管道。
进一步的，所述冷凝系统3与反应塔的顶部连接，冷凝系统3中还设有回路管道连接至反应塔。
进一步的，所述冷凝系统3采用多级冷凝器进行串联连接；所述尾气收集系统1采用多台收集缓冲罐进行并联连接。
进一步的，所述填料层22中的填料为金属丝网规整填料，该填料的分离能力强、分离效率高、操作弹性大；催化剂层23所用的催化剂为弱碱性阴离子树脂催化剂，该催化剂转化效率高，稳定性好，使用寿命长。
进一步的，所述冷凝系统中使用卧式固定管板式换热器，尾气走壳层，冷却介质走管程。冷却介质为30℃冷却水或7℃冷却水等。该冷凝系统将三氯氢硅全部冷凝下来，而氢气和氯化氢不冷凝，仍以气相形式从最后一级冷凝器输送出来。
进一步的，所述再沸器为立式固定管板式换热器，物料走管程，加热介质走壳层。加热介质为200kPaG饱和蒸汽，温度为133℃。该再沸器的作用是将液相的四氯化硅等蒸发到反应塔21中部的催化剂层23进行反应，将液相的三氯氢硅蒸发到分离反应塔21上部的填料层22进行分离。
进一步的，所述尾气收集系统中二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅合计占98%wt以上，氢气与氯化氢比例小于2%wt。
采用所述系统进行回收处理氯硅烷尾气的方法，具体步骤为：
将所有的尾气通过管道收集到尾气收集系统中储存，维持压力在0.1-0.2MPaG，然后将尾气及其产生的冷凝液分别送入到反应分离系统，同时，从液相四氯化硅补充管补充液相四氯化硅，控制反应分离系统的压力为0.05-0.08MPaG，尾气及冷凝液反应后经冷凝器冷凝后得到三氯氢硅，冷凝系统的压力也控制为0.05-0.08MPaG。
进一步的，所述冷凝系统还有氢气及氯化氢尾气。
反应分离系统主要接受尾气收集系统连续稳定输送过来的尾气以及尾气自身冷凝液，将气、液相的二氯二氢硅和四氯化硅转化成三氯氢硅。
将尾气收集系统中的气相组分通过阀门控制，靠压差将尾气稳定地送入反应塔的催化剂的下部，将尾气收集系统中的尾气冷凝液通过阀门控制，靠压差或通过泵输送将尾气冷凝液稳定地送入反应分离塔的催化剂的下部。尾气和尾气冷凝液中的二氯二氢硅、四氯化硅进入反应分离塔后，在大孔弱碱性胺型树脂催化剂的作用下，转化生成三氯氢硅。同时从反应塔下部填料层的下方补充一部分液相四氯化硅，以保证四氯化硅比二氯二氢硅过量，保证将二氯二氢硅全部转化成三氯氢硅，过量的四氯化硅与三氯氢硅在上部填料层进行分离，保证从上部填料层上出来的只有气相三氯氢硅以及少量的氢气、氯化氢，而不含四氯化硅。
转化生成的三氯氢硅和尾气收集系统中本来收集的三氯氢硅、氢气、氯化氢31进入冷凝系统，经过冷却介质冷凝后，三氯氢硅全部被冷凝下来，收集到的三氯氢硅的压力为0.05~0.08MPaG，温度为44℃~50℃，三氯氢硅全部输送到精馏单元，重新精馏利用；极少量的氢气和氯化氢仍以气相形式从尾气系统出来，收集到的氢气和氯化氢的压力为0.05~0.08MPaG，温度为20℃~50℃，直接输送至三废处理。
图中冷凝系统有管道再次回到反应塔，其管道中的成分是液相的三氯氢硅，用于回流，来提高分离出来的三氯氢硅的纯度。

Claims (10)

1.一种回收处理氯硅烷尾气的系统，其特征在于：包括依次连接的尾气收集系统（1）、反应系统（2）及冷凝系统（3）；其中反应系统（2）包括反应塔（21），反应塔（21）的上部及下部均装有填料层（22），中部设有催化剂层（23），底部还连接有再沸器（24）和液相四氯化硅补充管（25）。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的尾气收集系统（1）设有连接氯硅烷储罐单元、回收单元、精馏单元和冷氢化单元的尾气及尾气冷凝液收集管道。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述冷凝系统（3）与反应塔的顶部连接，冷凝系统（3）中还设有回路管道连接至反应塔。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述冷凝系统（3）采用多级冷凝器进行串联连接；所述尾气收集系统（1）采用多台收集缓冲罐进行并联连接。
5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述填料层（22）中的填料为金属丝网规整填料、催化剂层（23）采用弱碱性阴离子树脂催化剂。
6.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述冷凝系统中使用卧式固定管板式换热器，尾气走壳层，冷却介质走管程。
7.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述再沸器为立式固定管板式换热器，物料走管程，加热介质走壳层。
8.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述尾气收集系统中二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅合计占98%wt以上，氢气与氯化氢比例小于2%wt。
9. 采用权利要求1-8任意一项所述系统进行回收处理氯硅烷尾气的方法，其特征在于，具体步骤为：
将所有的尾气通过管道收集到尾气收集系统（1）中储存，维持压力在0.1-0.2MPaG，然后将尾气及其产生的冷凝液分别送入到反应分离系统，同时，从液相四氯化硅补充管补充液相四氯化硅，控制反应分离系统的压力为0.05-0.08MPaG，尾气及冷凝液反应后经冷凝器冷凝后得到三氯氢硅，冷凝系统的压力也控制为0.05-0.08MPaG。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述冷凝系统还有氢气及氯化氢尾气。
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