CN111498808A - 一种气相白炭黑尾气处理系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气相白炭黑尾气处理系统及其处理方法，包括依次相连的布袋除尘器、合成炉、冷却装置、干燥塔、气体压缩机、高压缓冲罐和变压吸附塔组，本发明通过将尾气与氯气和过量的氢气在高温下混合燃烧的方式将尾气中有毒的氯气全部转化为氯化氢气体，再通过脱水、变压吸附等步骤分离得到的高浓度的压缩氯化氢气体，同时排空的尾气仅仅为氮气和氧气；与现有技术相比，本发明不但排放的尾气不会产生环境污染，同时也不会产生大量的酸洗费液，大大降低了企业的环保压力；且本发明的产物为氯化氢气体，与浓度不稳定的盐酸相比，其经济价值和使用灵活度都更高，有利于提高企业的经济效益。

Description

一种气相白炭黑尾气处理系统及其处理方法

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体涉及一种气相白炭黑尾气处理系统及其处理方法。

背景技术

目前的气相白炭黑生产过程中会产生大量含有氯化氢气体的尾气需要进行处理，现有技术中针对上述尾气一般采用以下步骤进行处理：1.将气相白炭黑的尾气经过盐酸喷淋清除尾气中的粉尘；2.尾气中的氯化氢吸收，一般分为多级填料吸收塔使用稀盐酸吸收氯化氢；3.尾气水洗，水洗塔使用水为吸收剂吸收氯化氢；4.碱洗塔，使用氢氧化钠作为吸收剂吸收尾气中的氯气并副产次氯酸钠；5.尾气放空。

但是针对气相白炭黑生产领域而言，由于不同厂家的气相白炭黑配方不尽相同，即使同一生产商的配方也会发生调整，如果采用上述方式进行尾气处理将会导致尾气中氯化氢的浓度经常发生变化，盐酸及次氯酸钠的质量及浓度不稳定，不适合与回收再利用，其回收的产物无法进行处理；同时目前市面上副产物盐酸供应过剩，需要补贴才能进行后期处理，无形中增加了企业的经济负担。

发明内容

针对现有技术中存在的环境污染大、副产物不稳定的缺陷，本发明公开了 一种气相白炭黑尾气处理方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种气相白炭黑尾气处理系统，包括布袋除尘器，所述布袋除尘器的入口段连接有尾气增压风机，其出口端连接有用于焚烧合成氯化氢气体的合成炉；所述合成炉的出口端依次冷却装置、干燥塔、气体压缩机和高压缓冲罐，所述高压缓冲罐的出口端设置有用于分离出氯化氢气体的变压吸附塔组；所述冷却装置的出口端设置有氯气浓度检测仪。

优选的，冷却装置包括依次相连的余热锅炉和气体冷却器，所述氯气浓度检测仪位于余热锅炉和气体冷却器之间。

优选的，干燥塔与气体压缩机之间还依次设置有旋风分离器和低压缓冲罐，所述旋风分离机的液体排料口与干燥塔连通，其气体排料口则与低压缓冲罐相连。

优选的，气体压缩机与高压缓冲罐之间还依次连接有一级冷凝器和二级冷凝器，所述一级冷凝器和二级冷凝器的排料口均连接至硅烷冷凝罐。

优选的，变压吸附塔组的氮气和氧气排放口还连接有洗涤塔。

相应的，本发明还公开了一种使用上述装置对气相白炭黑尾气进行处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将尾气加压后通入除尘装置内去除尾气中含有的粉尘杂质；

S2、将经步骤S1除尘后的尾气与氯气和过量的氢气混合后通入到合成炉内，并将混合后的气体在合成炉内点燃，经充分燃烧后将尾气中的氯气全部转化为氯化氢气体；

S3、将步骤S2产生的燃烧尾气经冷却装置降温冷却后通入到干燥塔中，并通过氯硅烷去除尾气中的水分；

S4、将步骤S3产生的尾气加压通入到变压吸附塔组，通过变压吸附塔组分离得到高纯度的氯化氢气体。

优选的，步骤S2中氢气与氯气在标准状态下的体积比为(1.05-2):1；合成炉内的压力为2-6kpa，其反应温度为350℃-450℃。

优选的，步骤S3与步骤S4之间还包括降压与分离处理；所述步骤S4中混合气在加压前还将进行冷却处理。

优选的，步骤S4产生的氮气和氧气的混合气经过清水或氢氧化钠溶液洗涤后再排放；所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5-15％。

优选的，步骤S3中采用的氯硅烷包括四氯化硅、三氯氢硅、二氯乙硅烷、三氯氢硅合成的高沸混合物、一甲基三氯硅烷等含甲基的氯硅烷以及甲基氯硅烷的混合物；步骤S4中变压吸附塔内采用活性炭、活性氧化铝、分子筛、无定形二氧化硅种的一种或任意几种的混合物作为吸附剂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明包括依次相连的布袋除尘器、合成炉、冷却装置、干燥塔、气体压缩机、高压缓冲罐和变压吸附塔组，同时在冷却装置的出口端还设置有氯气浓度检测仪；本发明将除尘后的气相白炭黑尾气与氯气和过量的氢气混合后通入到合成炉，并在合成炉内将上述混合气点燃，从而将尾气中的有毒气体氯气全部转化为氯化氢气体，尾气中的水蒸气及氢气与氧气反应生成的水蒸气则在干燥塔中被去除，最后经增压和变压吸附得到高纯度的氯化氢气体，而尾气中的氮气和氧气则直接排放到空气中；

与现有技术相比，本发明的主要副产物是高浓度的压缩氯化氢气体，而现有技术的副产物是盐酸(浓度在20％-30％)，由于现有市场上盐酸严重过剩，同时其浓度较低且浓度稳定性差，因此本发明的高浓度氯化氢气体具有更高的经济附加值；同时氯化氢作为一种更加初级的化工原料，除了配置盐酸溶液外还有广泛的用途，其使用的灵活性更高；

其次，本发明通过燃烧的方式生产氯化氢气体，涉及到的其他原料少，且不会产生大量难以处理的副产物，而现有技术的氯化氢气体提取方式中会使用诸如盐酸、氢氧化钠溶液等原料，生产成本升高的同时还会产生大量经济价值低又难以处理的副产物，产生严重的环境污染；

同时在气相白炭黑生产领域，由于原料配方的变化，尾气中氯化氢气体的含量也会发生变化，这是导致副产物盐酸浓度波动较大的主要原因，本申请采用燃烧的方式生产氯化氢气体，无论尾气中氯气含量如何变化，其燃烧的最终产物都是氯化氢气体，生产配方的变化只会影响氯化氢气体的产量而不会影响其质量，因此本发明的副产物质量稳定、可靠；

最后，本发明采用的处理方式最终排放到大气中的是氮气和氧气，不会产生任何的污染气体，同时尾气处理也不会产生大量的工业废水，对环境有的友好度非常高，能够有效降低工厂的环保排放压力。

2、本发明的冷却装置包括依次相连的余热锅炉和气体冷却器，所述氯气浓度检测仪位于余热锅炉和气体冷却器之间，一方面通过余热锅炉和气体冷却器对完成燃烧的气体进行降温，保证后续脱水反应的顺利进行，另一方面对气体的热量进行回收再利用，降低设备能耗，提高工厂的经济效益。

3、本发明在干燥塔与气体压缩机之间还依次设置有旋风分离器和低压缓冲罐，旋风分离机的固体排料口与干燥塔连通，其气体排料口则与低压缓冲罐相连，通过旋风分离器对尾气中的氯硅烷液滴进行分离，并将其回流到干燥塔中，一方面提高氯硅烷的利用率，避免浪费，另一方面则能够避免大量的氯硅烷进行到后续设备中并与水发生水解反应，不但会带入不必要的杂质，同时也会引起后续设备温度的异常升高；同时低压缓冲罐通过其降压缓冲作业能够有效降低尾气的压力，一方面提高对尾气中液滴的降解分离作用，另一方面其还能够为后道工序提供持续不断的尾气流，在提高设备安全性的同时保证设备的连续、稳定生产。

4、本发明的气体压缩机与高压缓冲罐之间还依次连接有一级冷凝器和二级冷凝器，所述一级冷凝器和二级冷凝器的排料口均连接至硅烷冷凝罐，通过冷凝器的作用进一步回收尾气中的硅烷，既能提高尾气的纯度，同时也能够避免其在后道设备中发生水解反应影响设备的正常运行。

5、本发明在变压吸附塔组的氮气和氧气排放口还连接有洗涤塔，所述洗涤塔采用清水或碱溶液作为清洗剂，通过清洗剂将氮气和氧气中残留的氯化氢气体吸收或中和，既能够避免氯化氢气体引起的环境污染，同时也能够回收一定的副产物。

6、本发明的氢气和氯气在标准状态下的体积比为(1.05-2):1，有氢气与氯气反应生成氯化氢气体的反应方程式可知，氢气与氯气的反应体积比为1:1，由于尾气中含有部分氯气，因此适当过量的氢气能够保证该反应的氢气充足，从而确保将氯气全部转化；同时该比例的氢气在确保对氯气的转化效果的同时能够保证多余的氢气能够与尾气中含有的氧气反应生成水，避免氢气随尾气直接排放到空气中，进而引起不必要的安全隐患。

附图说明

图1为本发明尾气处理系统结构示意图；

附图标记：1、布袋除尘器，2、增压风机，3、合成炉，4、冷却装置，5、干燥塔，6、气体压缩机，7、高压缓冲罐，8、变压吸附塔组，9、氯气浓度检测仪，10、旋风分离器，11、低压缓冲罐，12、一级冷凝器，13、二级冷凝器， 14、硅烷冷凝罐，15、洗涤塔

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施方式。

实施方式1

本实施方式作为本发明的基本实施方式，其公开了一种气相白炭黑尾气处理系统，具体结构如图1所示，沿气流的流动方向，依次连接有增压风机2、布袋除尘器1、合成炉3、冷却装置4、干燥塔5、气体压缩机6、高压缓冲罐7和变压吸附塔组8，其中所述布袋除尘器1上的上下两侧分别设置有排气口和固态物料排出口，其侧壁设置有进气口，进气口与增压风机2相连，固态物料排出口则连接相应的粉尘回收设备；

所述合成炉3的上部设置有多个进料口，各个进料口与相对应的气源密闭相连，其底部为排料口，排料口连接有冷却装置4，所述冷却装置4包括余热锅炉41和气体冷却器42，沿气流方向，余热锅炉41位于气体冷却器42的前端，同时在余热锅炉41和气体冷却器42之间还设置有氯气浓度检测仪9，所述氯气浓度检测仪9既可以采用电子式也可以采用人工读数式；

所述干燥塔5的顶端设置有排气口，其侧壁上设置有进料口，所述进料口与气体冷却器42的出口端相连，其排气口与旋风分离器10的气体进口端相连，旋风分离器10顶部的气体出口端则与低压缓冲罐11的进口端连通，而旋风分离器10底部的液相物料排料口则通过管道回流至干燥塔5内；根据需要，干燥塔5中采用氯硅烷作为干燥剂，氯硅烷包括四氯化硅、三氯氢硅、二氯乙硅烷、三氯氢硅合成的高沸混合物、一甲基三氯硅烷等含甲基的氯硅烷以及甲基氯硅烷的混合物；

所述低压缓冲罐11顶部的出口端与气体压缩机6的进口端相连；根据需要，所述气体压缩机6采用无油螺杆压缩机和隔膜式压缩机等常规工艺气体压缩机，其出口端则依次连接有一级冷凝器12和二级冷凝器13，所述一级冷凝器12和二级冷凝器13底部的排料口同时连接于硅烷冷凝罐14，二级冷凝器13的进气口与一级冷凝器12的排气口相连，二级冷凝器13的排气口则直接连接至高压缓冲罐7，所述高压缓冲罐7的出口端连接变压吸附塔组8；根据需要，变压吸附塔组8中采用活性炭、活性氧化铝、分子筛、无定形二氧化硅种的一种或任意几种的混合物作为吸附剂，其中优选活性炭；

根据需要，所述变压吸附塔组8包括4-6组并联的变压吸附塔，变压吸附塔的顶部设置有氯化氢气体排出口，其通过管道连接相应的储存罐，同时其底部的氮气和氧气的排放口则连接洗涤塔15，所述洗涤塔15中采用清水或碱溶液作为清洗剂，若采用碱溶液作为清洗剂，则推荐使用浓度为0.5-15％的氢氧化钠溶液。

实施方式2

本实施方式作为本发明的又一较佳实施方式，其公开了一种气相白炭黑尾气处理方法，其包括以下步骤：

S1、将尾气融入增压风机，经过增加风机增压后尾气被通入到加压后通入到布袋除尘器内，布袋除尘器内的过滤袋推荐采用PTFE覆膜氟美斯针刺毡材质的过滤袋；

S2、经步骤S1除尘后的尾气通入到合成炉内，同时向合成炉内通入氯气和氢气，根据尾气中氯气的含量变化，在标准状态下，通入的氢气和氯气的体积比为1.05:1，并将上述气体充分混合后再合成炉内点燃，使其持续燃烧，经充分燃烧后将尾气中的氯气及通入的氯气全部转化为氯化氢气体；

S3、将步骤S2产生的燃烧尾气经余热锅炉和气体冷却器进行降温处理，其中余热锅炉出口端的温度控制在120℃-180℃，而气体冷却装置出口的温度控制在100℃-120℃，同时通过位于余热锅炉和气体冷却器之间的氯气浓度检测仪实施监控尾气中氯气的含量，以实时调整向合成炉内输送的氢气的量，经过冷却后的尾气直接送入到干燥塔内，通过干燥塔顶部的喷淋管喷射氯硅烷去除尾气中的水分；

S4、将步骤S3产生的尾气直接送入到气体压缩机内，控制气体压缩机出口端气体压力为300kpa-1300kpa，加压后的气体直接进入到高压缓冲罐，并最终融入到变压吸附塔组，通过变压吸附塔组分离得到氧气、氮气和高纯度的氯化氢气体，所述氯化氢气体直接输送到相应的储存罐，氧气和氮气则直接排空。

实施方式3

本实施方式作为本发明的又一较佳实施方式，其公开了一种气相白炭黑尾 气处理方法，其包括以下步骤：

S1、将尾气融入增压风机，经过增加风机增压后尾气被通入到加压后通入到布袋除尘器内，布袋除尘器内的过滤袋推荐采用PTFE覆膜氟美斯针刺毡材质的过滤袋；

S2、经步骤S1除尘后的尾气通入到合成炉内，同时向合成炉内通入氯气和氢气，根据尾气中氯气的含量变化，在标准状态下，通入的氢气和氯气的体积比为2:1，并将上述气体充分混合后再合成炉内点燃，使其持续燃烧，经充分燃烧后将尾气中的氯气及通入的氯气全部转化为氯化氢气体；

S3、将步骤S2产生的燃烧尾气经余热锅炉和气体冷却器进行降温处理，其中余热锅炉出口端的温度控制在120℃-180℃，而气体冷却装置出口的温度控制在100℃-120℃，同时通过位于余热锅炉和气体冷却器之间的氯气浓度检测仪实施监控尾气中氯气的含量，以实时调整向合成炉内输送的氢气的量，经过冷却后的尾气直接送入到干燥塔内，通过干燥塔顶部的喷淋管喷射氯硅烷去除尾气中的水分；

S4、经过干燥处理的尾气从干燥塔顶部的出气口在旋风分离器和低压缓冲罐中将其残留的氯硅烷、二氧化硅粉末和水分等杂质分离；

S5、将步骤S4产生的尾气直接送入到气体压缩机内，控制气体压缩机出口端气体压力为300kpa-1300kpa，加压后的气体依次经过一级冷凝器和二级冷凝器中进行降温冷凝，冷凝后的氯硅烷回流到硅烷冷凝罐中储存备用；

S6、步骤S5中经过冷凝处理的尾气从二级冷凝器的出气口直接进入到高压缓冲罐，并最终融入到变压吸附塔组，通过变压吸附塔组分离得到氧气、氮气和高纯度的氯化氢气体；

S7、步骤S6产生的氯化氢气体直接输送到相应的储存罐，氧气和氮气则通入到洗涤塔内进行洗涤，完成洗涤后的氧气和氮气直接排空。

本发明通过将尾气与氯气和过量氢气燃烧的方式将尾气中的有毒气体氯气转化为氯化氢气体，再通过干燥塔脱去尾气中的水分，最后通过变压吸附将尾气中的氯化氢与氮气和氧气分离，从而得到具有较高经济和实用价值的氯化氢气体；

本发明通过燃烧的方式将氯气转化为氯化氢气体，其得到的主要产物是高浓度的压缩氯化氢气体，而传统的尾气处理方式则是浓度不稳定的低浓度盐酸，与其相比，高浓度的压缩氯化氢气体具有更高的经济价值和实用价值，能够有效提高企业的经济效益；

同时本发明需要的各种化工原料更少，且不会产生大量的诸如次氯酸钠等副产物，且本发明排放的尾气是氮气和氧气，因此企业的环保排放压力被大大降低，进一步提高了企业的经济效益；

在气相白炭黑生产领域，由于原料配方的变化，尾气中氯化氢气体的含量也会发生变化，这是导致副产物盐酸浓度波动较大的主要原因，本申请采用燃烧的方式生产氯化氢气体，无论尾气中氯气含量如何变化，其燃烧的最终产物都是氯化氢气体，生产配方的变化只会影响氯化氢气体的产量而不会影响其质量，因此本发明的副产物质量稳定、可靠。

Claims (10)

1.一种气相白炭黑尾气处理系统，包括布袋除尘器(1)，其特征在于：所述布袋除尘器(1)的入口段连接有尾气增压风机(2)，其出口端连接有用于焚烧合成氯化氢气体的合成炉(3)；所述合成炉(3)的出口端依次设置有冷却装置(4)、干燥塔(5)、气体压缩机(6)和高压缓冲罐(7)，所述高压缓冲罐(7)的出口端设置有用于分离出氯化氢气体的变压吸附塔组(8)；所述冷却装置(4)的出口端设置有氯气浓度检测仪(9)。

2.根据权利要求1所述的一种气相白炭黑尾气处理系统，其特征在于：所述冷却装置(4)包括依次相连的余热锅炉(41)和气体冷却器(42)，所述氯气浓度检测仪(9)位于余热锅炉(41)和气体冷却器(42)之间。

3.根据权利要求1所述的一种气相白炭黑尾气处理系统，其特征在于：所述干燥塔(5)与气体压缩机(6)之间还依次设置有旋风分离器(10)和低压缓冲罐(11)，所述旋风分离器(10)的液体排料口与干燥塔(5)连通，其气体排料口则与低压缓冲罐(11)相连。

4.根据权利要求1所述的一种气相白炭黑尾气处理系统，其特征在于：所述气体压缩机(6)与高压缓冲罐(7)之间还依次连接有一级冷凝器(12)和二级冷凝器(13)，所述一级冷凝器(12)和二级冷凝器(13)的排料口均连接至硅烷冷凝罐(14)。

5.根据权利要求1所述的一种气相白炭黑尾气处理系统，其特征在于：所述变压吸附塔组(8)的氮气和氧气排放口还连接有洗涤塔(15)。

6.一种气相白炭黑尾气处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将尾气加压后通入除尘装置内去除尾气中含有的粉尘杂质；

S2、将经步骤S1除尘后的尾气与氯气和过量的氢气混合后通入到合成炉内，并将混合后的气体在合成炉内点燃，经充分燃烧后将尾气中的氯气全部转化为氯化氢气体；

S3、将步骤S2产生的燃烧尾气经冷却装置降温冷却后通入到干燥塔中，并通过氯硅烷去除尾气中的水分；

S4、将步骤S3产生的尾气加压通入到变压吸附塔组，通过变压吸附塔组分离得到高纯度的氯化氢气体。

7.根据权利要求6所述的一种气相白炭黑尾气处理方法，其特征在于：所述步骤S2中氢气与氯气在标准状态下的体积比为(1.05-2):1；合成炉内的压力为2-6kpa，其反应温度为350℃-450℃。

8.根据权利要求6所述的一种气相白炭黑尾气处理方法，其特征在于：所述步骤S3与步骤S4之间还包括降压与分离处理；所述步骤S4中混合气在加压前还将进行冷凝处理。

9.根据权利要求6所述的一种气相白炭黑尾气处理方法，其特征在于：所述步骤S4产生的氮气和氧气的混合气经过清水或氢氧化钠溶液洗涤后再排放；所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5-15％。

10.根据权利要求6所述的一种气相白炭黑尾气处理方法，其特征在于：所述步骤S3中采用的氯硅烷包括四氯化硅、三氯氢硅、二氯乙硅烷、三氯氢硅合成的高沸混合物、一甲基三氯硅烷等含甲基的氯硅烷以及甲基氯硅烷的混合物；步骤S4中变压吸附塔内采用活性炭、活性氧化铝、分子筛、无定形二氧化硅中的一种或任意几种的混合物作为吸附剂。

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