新型漿料干燥機(jī)在冷氫化溶劑回收中的應(yīng)用

王朝麗，李盈海，桑增亮（南京天華化學(xué)工程有限公司，江蘇　南京　211178）

新型漿料干燥機(jī)在冷氫化溶劑回收中的應(yīng)用

王朝麗，李盈海，桑增亮
（南京天華化學(xué)工程有限公司，江蘇南京211178）

近年來太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，冷氫化溶劑的回收利用成為可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。介紹一種采用新型漿料干燥機(jī)回收多晶硅生產(chǎn)中的冷氫化溶劑的方法以及在設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題。

漿料干燥機(jī)；冷氫化溶劑；回收；應(yīng)用

0　引言

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原材料，是全球電子工業(yè)及光伏產(chǎn)業(yè)的基石。目前多晶硅生產(chǎn)采用的主要工藝是改良西門子法—閉環(huán)式SiHCl3氫還原法。改良西門子法的生產(chǎn)流程是利用氯氣和氫氣合成HCl，HCl和工業(yè)硅粉在一定的溫度下合成SiHCl3，然后對SiHCl3進(jìn)行分離精餾提純，提純后的SiHCl3在氫還原爐內(nèi)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)得到高純多晶硅［1］。在生產(chǎn)中會產(chǎn)生三廢，對生產(chǎn)企業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)。

早期西門子法生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的四氯化硅、氫氣和氯化氫，不能對這些副產(chǎn)物進(jìn)行有效利用，而改良西門子法在第二代的基礎(chǔ)上增加了尾氣干法回收系統(tǒng)和四氯化硅氫化工藝，完全實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)生產(chǎn)［2］。

四氯化硅是改良西門子法中的主要副產(chǎn)物，連同其他形式氯硅烷以及其他污染物，共同組成硅渣漿料。為了使氫化溶劑（二氯氫硅、三氯氫硅、四氯化硅等）重復(fù)利用，并減少對環(huán)境的污染，采用對硅渣漿料冷凝后再回收其中的冷氫化溶劑。本文將介紹一種采用新型漿料干燥機(jī)回收這種冷氫化溶劑的方法。

1　設(shè)計(jì)條件

待處理漿料由揮發(fā)性液體和固體硅、AlCl3等組成，其中主要的揮發(fā)液體四氯化硅（STC）占89%以上，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)是57.6℃；三氯硅烷（TCS）占10%，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)是31.8℃。此類揮發(fā)分按照HG 20660-2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類》可將物料劃分為中度危害介質(zhì)，遇水即產(chǎn)生鹽酸，暴露在空氣中會產(chǎn)生酸霧，嚴(yán)重污染環(huán)境。另外，該硅渣漿料中還有氫氣存在，對系統(tǒng)防爆、密封性能要求都比較高，干燥機(jī)內(nèi)殼體為正壓操作。漿料干燥機(jī)主要是要把這些氫化溶劑 （揮發(fā)性氯硅烷）蒸發(fā)成氣體回收。

2　干燥方法

干燥機(jī)夾套內(nèi)通入加熱介質(zhì)，來自上游的硅渣漿料（液體+固體）進(jìn)入漿料干燥機(jī)中，在漿料干燥機(jī)中與加熱介質(zhì)間接換熱。從硅渣漿料中蒸發(fā)的氫化溶劑（氯硅烷）通過袋式除塵器過濾其中的粉塵后排入下游工序循環(huán)利用，袋式除塵器脈沖噴吹的粉塵直接落入漿料干燥機(jī)內(nèi)，充分換熱后的加熱介質(zhì)回鍋爐循環(huán)利用。干燥結(jié)束后固體粉塵通過底部卸料球閥排出。為防止結(jié)露，袋式除塵器采用整體夾套結(jié)構(gòu)，夾套內(nèi)通入加熱介質(zhì)；惰性氣體經(jīng)氣體加熱器加熱后再進(jìn)入袋式除塵器。其具體流程如圖1所示。

圖1　槳式干燥工藝流程圖

3　設(shè)備特點(diǎn)介紹

3.1漿料干燥機(jī)

漿料干燥機(jī)是一種熱傳導(dǎo)型干燥設(shè)備，也稱槳式攪拌或耙式攪拌干燥機(jī)。根據(jù)攪拌器的數(shù)量可分為單軸、雙軸和四軸三種型式；按操作方式劃分可分為連續(xù)型和間歇型兩種型式；按照加熱介質(zhì)不同可分為蒸汽型、導(dǎo)熱油型和熱水型等。它由攪拌器、殼體（含夾套）、上蓋、端板、軸端密封、傳動系統(tǒng)等部分組成。

漿料干燥機(jī)一般傾斜安裝，干燥機(jī)夾套、攪拌器都可通入加熱介質(zhì)，根據(jù)加熱介質(zhì)的不同，攪拌器的結(jié)構(gòu)也會有一定的差異。當(dāng)攪拌器不通入加熱介質(zhì)時，也可以作為單純的攪拌裝置使用，結(jié)構(gòu)可做特殊設(shè)計(jì)。該工藝方法所用新型漿料干燥機(jī)為間歇、單軸型式，水平安裝設(shè)備。由于介質(zhì)的特殊性，加熱介質(zhì)采用導(dǎo)熱油，常規(guī)的漿料干燥機(jī)攪拌軸和夾套均通入加熱介質(zhì)，但是由于空心攪拌軸在物料干燥過程中容易磨損、泄漏，從而產(chǎn)生事故。為避免空心攪拌軸內(nèi)發(fā)生這種泄漏，新型漿料干燥機(jī)攪拌軸內(nèi)不通入加熱介質(zhì)，僅在夾套內(nèi)通入加熱介質(zhì)，夾套焊接在干燥機(jī)內(nèi)殼體的外部，不會與干燥機(jī)內(nèi)物料接觸。

攪拌器是漿料干燥機(jī)的核心，由軸頭、空心軸管、攪拌槳葉等組成。其中新型漿料干燥機(jī)攪拌槳葉設(shè)計(jì)巧妙，既能避免漿料在逐漸邊干的過程中在設(shè)備內(nèi)沉積堵塞，又可以與夾套內(nèi)的加熱介質(zhì)充分換熱。由于被干燥物料的特殊性，在卸料時要求干燥機(jī)內(nèi)的固體粉料盡可能無殘留，攪拌槳葉與干燥機(jī)內(nèi)殼體的間隙要求盡可能小。

夾套采用螺旋型［3］，整個夾套分為若干個區(qū)，每個區(qū)之間采用隔板隔開，導(dǎo)熱油通過循環(huán)泵加壓后進(jìn)入夾套并分布到各個區(qū)，與干燥機(jī)殼體內(nèi)的物料充分換熱后排出。由于被處理物料對密封要求較高，目前常用的密封結(jié)構(gòu)主要是填料密封和機(jī)械密封，國外的機(jī)械密封技術(shù)較好，但造價甚至比漿料干燥機(jī)主機(jī)還要高；如果采用填料密封，雖然價格低很多，而且填料密封國內(nèi)技術(shù)比較成熟，但是有一定的泄漏風(fēng)險。為了規(guī)避這種風(fēng)險，采用沖洗液、惰性氣體吹掃和填料密封組合的密封結(jié)構(gòu)，有效地防止了干燥機(jī)內(nèi)物料通過密封間隙泄漏到環(huán)境中。該技術(shù)已經(jīng)獲得相應(yīng)的專利證書。

3.2袋式除塵器

袋式除塵器用來回收尾氣中的粉塵，主要由內(nèi)殼體、夾套、封頭、過濾系統(tǒng)組成。間歇干燥，袋式除塵器安裝在干燥機(jī)上方，袋式除塵器也為正壓操作，殼體采用圓筒形。過濾系統(tǒng)主要由汽包、脈沖控制儀、濾袋、龍骨、花板等組成。

袋式除塵器脈沖噴吹系統(tǒng)所需的壓縮氣體采用惰性氣體，干燥機(jī)內(nèi)不單獨(dú)通入載氣，為防止尾氣結(jié)露，一方面，袋式除塵器采用整體夾套伴熱，夾套內(nèi)通入導(dǎo)熱油進(jìn)行循環(huán)；另一方面，將脈沖惰性氣體通過電加熱器加熱至一定溫度后進(jìn)入袋式除塵器進(jìn)行噴吹清灰。

由于物料具有一定的毒性、腐蝕性和磨損性，濾袋選用PTFE（聚四氟乙烯），PTFE是一種結(jié)構(gòu)完全對稱的中性高分子化合物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和耐磨性。

3.3卸料球閥

干燥后的固體物料通過干燥機(jī)底部的氣動卸料球閥卸料。由于該物料中含有硅粉等，卸料球閥需要有一定的耐磨性和耐腐蝕性；另外，間歇干燥過程中卸料球閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，卸料球閥頂部不能集料，否則形成一定的“死區(qū)”，該區(qū)域不能被充分干燥。因此需要選用專門的釜底球閥，將“死區(qū)”降到最小，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2　卸料球閥示意圖

4　工業(yè)應(yīng)用與展望

以處理5 t/批次漿料的為例，采用槳式干燥方法設(shè)備占地面積約25 m2，總高6.5 m，該新型漿料干燥機(jī)2015年已經(jīng)在某多晶硅廠冷氫化裝置的四條生產(chǎn)線中成功應(yīng)用，設(shè)備密封性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。每批的干燥時間為10 h左右，廢渣最終的濕含量為0.5%。該廢渣可以直接丟棄而無需再進(jìn)行水解處理，既滿足環(huán)保要求又節(jié)省成本。

在職業(yè)健康、環(huán)保及節(jié)能要求越來越高的今天，相信該槳式干燥方法可以在多晶硅行業(yè)推廣應(yīng)用，使企業(yè)步入可持續(xù)的良性發(fā)展道路。

［1］郭丹，王恩俊，武錦濤，等.改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝關(guān)鍵設(shè)備［J］.當(dāng)代化工，2013，42（7）：912-916.

［2］王恩俊，武錦濤，銀建中，等.太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.當(dāng)代化工，2012，41（12）：1340-1343，1347.

［3］陳志平，章序文，林興華，等.攪拌和混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Application of New Paddle Dryer in Recovering Cool Hydrogenated Solvent

WANG Chao-li，LI Ying-hai，SANG Zeng-liang
（Nanjing Tianhua Chemical Engineering Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211178，China）

In recent years,PV industry has gained rapid development,and recycle of cool hydrogenated solvent is the necessary road of the sustainable development.The paper introduced a kind of method for recovering cool hydrogenated solvent using new slurry dryer and some issues in design process.

slurry dryer；cool hydrogenated solvent；recover；application

1006-4184（2016）7-0039-03

2016-04-18

王朝麗（1984-），女，工程師。E-mail：wcl20020414@163.com。