氯硅烷填料式冷凝儲(chǔ)存設(shè)備的應(yīng)用探索

王 金，劉 林，余虹呈，周云山

（1.云南省光電子硅材料制備技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南 曲靖 655011；2.昆明冶研新材料股份有限公司 云南 曲靖655011）

·探索應(yīng)用·

氯硅烷填料式冷凝儲(chǔ)存設(shè)備的應(yīng)用探索

王 金1，2，劉 林2，余虹呈2，周云山2

（1.云南省光電子硅材料制備技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南 曲靖 655011；2.昆明冶研新材料股份有限公司 云南 曲靖655011）

在多晶硅生產(chǎn)中，應(yīng)用填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備對(duì)含氯硅烷的尾氣進(jìn)行回收。該冷凝儲(chǔ)存設(shè)備可以起到一定的除雜作用，提高冷媒冷量的利用率，降低設(shè)備的制造成本，最終降低尾氣中氯硅烷的回收成本。同時(shí)，還起到一定的精餾提純作用。設(shè)備主要由冷凝器、儲(chǔ)存罐、填料式塔板以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，通過 DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

填料式；冷凝儲(chǔ)存；氯硅烷

氯硅烷是生產(chǎn)多晶硅的主要原料，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)廠家采用改良西門子法生產(chǎn)高純多晶硅，還原、氫化、三氯氫硅合成、氯硅烷精餾提純工序均會(huì)產(chǎn)生含氯硅烷尾氣。該方法采用干法尾氣回收系統(tǒng)對(duì)三氯氫硅合成、還原和氫化尾氣中的氯硅烷進(jìn)行回收，但未對(duì)精餾尾氣中的氯硅烷進(jìn)行回收利用［3］。對(duì)于產(chǎn)能3 000 t／a的裝置而言，僅精餾尾氣中的氯硅烷排放量就高達(dá) 2 000～4 000 t／a，如不對(duì)其進(jìn)行回收利用，勢(shì)必會(huì)造成氯硅烷的浪費(fèi)，也會(huì)增加后續(xù)系統(tǒng)處理的負(fù)荷和難度，甚至?xí)?yán)重污染環(huán)境。

通過冷凝器可以將精餾尾氣冷凝為液體對(duì)氯硅烷進(jìn)行回收利用。然而，絕大多數(shù)冷凝器的功能就是利用冷媒對(duì)含氯硅烷尾氣進(jìn)行降溫，暫不具備直接儲(chǔ)存氯硅烷冷凝液的作用，還需要配備專門的氯硅烷儲(chǔ)罐以及相應(yīng)的管道、閥門等對(duì)冷凝液進(jìn)行儲(chǔ)存和輸送，勢(shì)必會(huì)增加設(shè)備成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

在目前的設(shè)備中，有一種氯硅烷冷凝儲(chǔ)存器，雖然解決了含氯硅烷尾氣冷凝和儲(chǔ)存一體化的問題，但該存儲(chǔ)器只是將冷凝器內(nèi)嵌于儲(chǔ)存罐中，需要較大的冷凝換熱面積和冷媒量，造成了設(shè)備本體的增大，增加設(shè)備制造成本，也增加了檢修維護(hù)成本。本文所述的填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備不但實(shí)現(xiàn)了尾氣冷凝和儲(chǔ)存，而且制造成本低，外觀美觀，便于檢修維護(hù)。

1 填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備的組成及相關(guān)作用

填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備包括：冷凝器、儲(chǔ)存罐、填料式塔板及相應(yīng)的控制系統(tǒng)［1］。冷凝器的上部設(shè)置冷媒入口，下部設(shè)置冷媒出口，頂部設(shè)置不凝性氣體出口；儲(chǔ)存罐設(shè)在冷凝器下方且與冷凝器連通，中部設(shè)置用于通入尾氣的熱媒入口，底部設(shè)置冷凝液出口，下部設(shè)置氮?dú)饨涌?，氮?dú)饨涌谖挥诶淠撼隹谏戏?；填料式塔板設(shè)在儲(chǔ)存罐內(nèi)且位于熱媒入口的上方。

該設(shè)備設(shè)置有填料式塔板，新進(jìn)的含氯硅烷的尾氣經(jīng)過與塔板上的氯硅烷冷凝液淋洗而降溫，隨后已降溫的含氯硅烷尾氣經(jīng)過冷凝器冷凝而成為氯硅烷液體。同時(shí)，夾雜在氯硅烷冷凝液中少量的低沸物，在塔板上與含氯硅烷尾氣發(fā)生傳熱而變成氣態(tài)分離出去，起到一定的除雜作用。填料式塔板的外徑小于儲(chǔ)存罐的內(nèi)徑，通過螺 釘固定在儲(chǔ)存罐內(nèi)［2］。冷 凝器底部與儲(chǔ)存罐頂部通過法蘭連接，使得冷凝器與儲(chǔ)存罐的一體化制造更加便利，且連接美觀，另外還方便了冷凝器的檢修和塔板填料的更換與

清洗。填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備還包括上部封頭和氮?dú)夤?，上部封頭設(shè)在冷凝器的頂部，其中不凝性氣體出口在上部封頭上。氮?dú)夤芘c氮?dú)饨涌谙噙B，利用氮?dú)饧訅旱臍饬斔头绞綄?chǔ)存罐內(nèi)的氯硅烷冷凝液輸送至對(duì)應(yīng)管道、設(shè)備和系統(tǒng)中，從而減少了動(dòng)力設(shè)備的投入成本和維護(hù)成本。另外，還便于檢修置換以及壓料操作。設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖1。

該設(shè)備還包括用于控制尾氣回收儲(chǔ)存的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分別與冷凝器、儲(chǔ)存罐相連。

壓力控制系統(tǒng)：儲(chǔ)存罐上設(shè)有上壓力接口和下壓力接口，由此可以通過上下壓力差的顯示來(lái)反映填料式塔板的堵塞情況，方便對(duì)填料式塔板的及時(shí)更換或清洗。在不凝性氣體出口處的調(diào)節(jié)閥分別與壓力表和控制器連鎖，由儲(chǔ)存罐內(nèi)的壓力控制調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存罐的壓力控制。

液位控制系統(tǒng)：液位計(jì)設(shè)在儲(chǔ)存罐上的上端接口和下端接口之間，通過儲(chǔ)存罐液位與冷凝液出口調(diào)節(jié)閥的連鎖控制儲(chǔ)存罐的液位。

圖1 填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備Fig.1 Packing type of chlorosilane condensate storage devices

溫度控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)與儲(chǔ)存罐的溫度計(jì)相連，冷媒流量閥連接至冷媒入口處，冷媒流量閥分別與溫度計(jì)和控制器相連，由儲(chǔ)存罐內(nèi)存儲(chǔ)的氯硅烷冷凝液的溫度控制冷媒流量閥的開度。

通過控制器，使切斷閥的開關(guān)由儲(chǔ)存罐內(nèi)液位的高低來(lái)決定，從而控制了冷凝液的排放。調(diào)節(jié)閥的開度大小由儲(chǔ)存罐內(nèi)的壓力來(lái)決定，從而控制了不凝性氣體的排放。冷媒流量閥的開度大小則由儲(chǔ)存罐內(nèi)的氯硅烷冷凝液的溫度來(lái)決定，由此通過多個(gè)單回路控制點(diǎn)構(gòu)成 DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了較完全的自控操作。

自動(dòng)控制及相關(guān)參數(shù)：回收裝置的操作壓力設(shè)置為0.18MPa。精餾界區(qū)所有尾氣通過熱媒入口4進(jìn)入回收裝置，當(dāng)裝置壓力超過0.18MPa時(shí)，冷媒流量閥連鎖打開，當(dāng)冷媒量已開至最大，如壓力還繼續(xù)上漲時(shí)，則調(diào)節(jié)閥打開維持操作壓力。當(dāng)冷凝液的液位到達(dá) 10%時(shí)，切斷閥27打開將回收的氯硅烷排至精餾儲(chǔ)罐，當(dāng)排至零液位時(shí)閥門關(guān)閉。與此同時(shí)，如溫度計(jì)24顯示溫度超過26℃，會(huì)相應(yīng)的增大冷媒量，以控制操作溫度。通過溫度、壓力、液位的連鎖控制，實(shí)現(xiàn)了該裝置的自動(dòng)控制。

2 填料式氯硅烷冷凝儲(chǔ)存設(shè)備工作流程

含氯硅烷尾氣從熱媒入口 4進(jìn)入儲(chǔ)存罐5，且低溫冷媒通過冷媒入口 14進(jìn)入冷凝器。開始工作時(shí)，尾氣進(jìn)入儲(chǔ)存罐5后向上通過填料式塔板6進(jìn)入冷凝器 8，尾氣和低溫冷媒在冷凝器 8內(nèi)進(jìn)行熱交換，尾氣中的氯硅烷被冷凝后在其自身的重力作用下到達(dá)填料式塔板 6處并向下噴淋。隨后由熱媒入口4進(jìn)入儲(chǔ)存罐5的尾氣向上經(jīng)過填料式塔板 6時(shí)，與經(jīng)過填料式塔板 6向下移動(dòng)的冷凝后的氯硅烷液體在填料式塔板6內(nèi)發(fā)生傳熱傳質(zhì)作用，從而起到了對(duì)新進(jìn)尾氣進(jìn)行預(yù)冷的作用。同時(shí)夾雜在氯硅烷液體中的少量低沸物在熱交換后變成氣態(tài)向上移動(dòng)，最后從不凝性氣體出口11排出，從而起到了除雜作用。在填料式塔板6內(nèi)熱交換后的尾氣繼續(xù)向上進(jìn)入冷凝器8內(nèi)被最終冷凝成液態(tài)，而未被冷凝的不凝性氣體也通過不凝性氣體出口11排出。

3 精餾塔尾氣廢液回收利用實(shí)施情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤統(tǒng)計(jì)，在該裝置投用的149天中，共回收氯硅烷590.23t，節(jié)約生產(chǎn)成本622.69萬(wàn)元。通過精餾尾氣回收利用，極大地提高了氯硅烷物料的使用率，減小了廢氣排放量，降低了殘液淋洗生產(chǎn)用水量及所產(chǎn)生的三廢量和人工費(fèi)，社會(huì)效益良好。

［1］ 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008，

［2］ GB150-2011.壓力容器［S］.

［3］ 聶少林.三氯氫硅生產(chǎn)工藝的改進(jìn)［J］.氯堿工業(yè)，2009，45（3）：31-33

（1.Key Laboratory of Silicon Materials Preparation optoelectronic technology companies in Yunnan，Qujing655011，China；2.Kunming Metallurgical Institute New Materials Co，Ltd，Qujing 655011，China）

App lied Research on Condensate Storage Devices of Ch lorosilane Packing Type

W ANG Jin1，2，LIU Lin2，YU Hong-cheng2，ZHOU Yun-shan2

In polysilicon production，packing type of chlorosilane condensate storage devices for exhaust gas recycling containing chlorosilane applied.The condensate storage devices can play a role in removing impurity，improve the utilization rate of refrigerant cooling capacity，reduce themanufacturing cost of the equipment and ultimately reduce the chlorosilane in tail gas recovery cost.At the same time，also have certain rectification column purification effect.Equipment is mainly composed of the condenser，storage tanks，packing type plate and the corresponding control system，through the DCS control system automatic control was realized.

packing type；condensate storage；chlorosilane

TN304.1

A

1004-275X（2015）02-0057-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2015.02.015

收稿：2014-11-08

王金（1986-），男，云南曲靖人，從事多晶硅生產(chǎn)工藝控制與研究。