摘要：通過介紹干法尾氣回收工藝流程、活性炭吸附塔的吸附原理，并分析影響活性炭吸附塔吸附效果的因素，并得出結(jié)論。

改良西門子法多晶硅生產(chǎn)中干法尾氣回收的主要作用是將還原尾氣中的氯硅烷、氫氣、氯化氫進行分離回收，回收后的氫氣直接進入還原爐，用于還原三氯氫硅生成多晶硅，因此回收氫氣的質(zhì)量與產(chǎn)量決定多晶硅的質(zhì)量與產(chǎn)量。目前行業(yè)中多采用活性炭吸附的方法進行氫氣凈化，活性炭吸附塔的吸附效果和處理能力也就成為了影響多晶硅質(zhì)量與產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

1、干法尾回收工藝流程

干法尾氣回收系統(tǒng)有四級冷凝、壓縮、吸收、解析、吸附、再生氣回收等單元操作。四級冷凝將還原尾氣中大量的氯硅烷冷凝成液體被分離，回收的液體將用泵送入解析塔以解析出HCl。壓縮將經(jīng)過四級冷卻的氣體由0.35MPa提壓至1.2Mpa。然后進入吸收塔用-40℃的氯硅烷液體吸收HCl，大約99.8%的HCl被吸收，吸收HCl的液體和四級冷卻出的液體在解析塔中蒸餾出HCl，大約99.9%回收的HCl從解析塔的頂部以-40℃液體形態(tài)流出。塔底氯硅烷進入精餾分離出TCS進入還原爐再使用。經(jīng)過吸收塔噴淋后的氫氣，還含有氯化氫、二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅以及硼和磷等物質(zhì)，通過活性炭吸附凈化后進入還原爐回收利用。流程圖見圖1：

2、活性炭吸附塔的吸附原理

活性炭是一種多孔性的含炭物質(zhì)，它具有高度發(fā)達的孔隙構(gòu)造，活性炭的多孔結(jié)構(gòu)為其提供了大量的表面積，能與氣體（雜質(zhì)）充分接觸，從而賦予了活性炭所特有的吸附性能，使其非常容易達到吸收收集雜質(zhì)的目的。就像磁力一樣，所有的分子之間都具有相互引力。正因為如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以產(chǎn)生強大的引力，從而達到將有害的雜質(zhì)吸引到孔徑中的目的。

多晶硅生產(chǎn)中，活性炭吸附塔利用了活性炭的物理吸附原理，將氫氣中氯化氫、氯硅烷及少量的雜質(zhì)吸附至活性炭的微孔內(nèi)，已達到除雜的目的。并且這種吸附是完全可逆的，雜質(zhì)從活性炭微孔內(nèi)脫附出來的過程，稱為再生過程。吸附塔在高壓常溫下吸附，在常壓高溫下完成脫附再生，三個吸附柱交替進行上述過程，完成一個吸附周期，實現(xiàn)氫氣的連續(xù)純化，得到滿足要求的氫氣。

3、活性炭吸附塔的影響因素

活性炭在使用一定的時間后，需要進行加熱再生，將吸附的物料脫附出來，并用干凈的氫氣吹掃帶出。此過程需要在規(guī)定的時間周期內(nèi)完成，同樣活性炭吸附塔也需在規(guī)定的時間內(nèi)被加熱到再生所需溫度。通過活性炭吸附塔氫氣量越大，帶入氯化氫、氯硅烷物料多，脫附時所需熱量越多，活性炭吸附塔的升溫越慢，在規(guī)定的時間內(nèi)難以達到再生的溫度，影響再生效果。再生效果不佳，直接影響吸附塔的吸附效果及處理能力。影響再生溫度的因素如下：

（1）活性炭傳熱系數(shù)影響

活性炭因廠家、型號不同而存在差異，其導熱系數(shù)一般介于0.17-0.28W/m·k之間，傳熱性能差，致使再生時熱介質(zhì)所提供的熱量不能被充分吸收，加熱速率較慢。采購時，盡可能選擇質(zhì)量好、性能優(yōu)的活性炭，根據(jù)處理量計算出對應(yīng)的活性炭裝填量，并適當放余量。

（2）活性炭吸附塔設(shè)計換熱面積不足

吸附塔設(shè)計中換熱面積不足，影響再生時的加熱溫度，進而影響再生效果；主要表現(xiàn)在熱介質(zhì)溫度足夠高，而其進出吸附柱的溫差較小時。總結(jié)分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（見圖一、圖二），可以通過一定范圍內(nèi)提高熱介質(zhì)的溫度和流量來適當彌補換熱面積不足的問題。

吸附塔處理的氫氣量為15000Nm³/h，熱介質(zhì)對應(yīng)溫度為180℃的前提下，熱介質(zhì)流量變化與達到再生溫度所需時間的對照圖如圖2：

吸附塔處理的氫氣量為15000Nm³/h，熱介質(zhì)對應(yīng)流量為60m³/h的前提下，熱介質(zhì)溫度變化與達到再生溫度所需時間的對照圖如下：

（3）前端吸收塔吸收液組分的影響

氫氣中夾帶的氯化氫、氯硅烷主要被吸附柱在吸附柱下部，再生脫附時需要吸收大量的熱量，脫附吸熱基本上等同于汽化熱，遠遠大于比熱（見表1）。再生過程中氯硅烷脫附所需熱量遠大于溫升所需熱量。

表1 氯硅烷種介質(zhì)比熱和汽化熱值

生產(chǎn)證明，活性炭吸附柱處理還原尾氣的能力遠遠小于處理氫化尾氣的量。主要原因在于，氫化尾氣處理系統(tǒng)中，氫氣進入活性炭吸附柱前，在吸收塔用氯硅烷進行噴淋時，氯硅烷中的四氯化硅含量居高，揮發(fā)度小，氫氣中夾帶進入活性炭吸附塔的氯硅烷質(zhì)量也相應(yīng)較小，活性炭再生時易加熱，再生充分，處理能力也較大。而處理還原尾氣時，吸收塔的氯硅烷噴淋液中三氯氫硅、二氯二氫硅比重大，氫氣中夾帶多，造成活性炭再生時加熱速率慢，在規(guī)定的時間內(nèi)難以完成再生過程，為保證氫氣吸附效果，只能降吸附塔的處理量，造成處理能力降低。通過生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，還原尾氣吸附塔中氫氣夾帶氯硅烷的量較氫化尾氣高百分之六十，而對應(yīng)吸附塔的處理能力較氫化尾氣下降百分之四十。

4、活性炭吸附塔超負荷運行對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

查找文獻發(fā)現(xiàn)，當吸附柱長期處于飽和狀態(tài)下工作時，會使吸附柱的吸附能力降低，致使HCl對活性碳中的一些有害雜質(zhì)，如磷、硼、碳等元素析出，并通過氫氣一并帶入還原生產(chǎn)系統(tǒng)中。同時通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析證明，活性炭吸附塔的負荷較小，處理量在滿負荷的百分之八十以下時，氫氣處理量與多晶硅產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量是沒有相關(guān)性的；當活性炭吸附塔處理量過大，影響再生效果時，氫氣處理量與多晶硅產(chǎn)品中的雜質(zhì)呈現(xiàn)明顯相關(guān)性。進一步證明活性炭吸附塔有吸附氫氣中雜質(zhì)的能力，超負荷運行直接影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。

5、結(jié)語

活性炭采購時，選擇合適廠家及型號的活性炭，確保吸附性能；活性炭吸附塔在設(shè)計階段，為保證再生效果，應(yīng)考慮適當增加活性炭吸附塔換熱面積，提高熱介質(zhì)溫度；尾氣回收中，在吸收塔噴淋環(huán)節(jié)進量降低吸收液中的輕組分雜質(zhì)含量，較少吸附塔氯硅烷的帶入量；當還原尾氣中的氫氣處理氣量過大時，應(yīng)增加吸附裝置，避免影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。