一種同時處理氯矽烷殘液和廢氣的方法與流程
2023-06-08 03:47:21
本發明涉及一種同時處理含氯矽烷的殘液和廢氣的方法，屬於多晶矽行業氯矽烷殘液和廢氣處理及資源化利用領域。
背景技術：
國內主流多晶矽生產工藝為改良西門子法，在改良西門子法生產多晶矽過程中，在三氯氫矽合成、三氯氫矽的精餾提純、三氯氫矽還原和冷（熱）氫化工序都會不可避免的有氯矽烷殘液和廢氣產生。
氯矽烷殘液的主要成分：聚氯矽烷、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、HCl、少量的矽粉和金屬氯化物。
氯矽烷廢氣的主要成分：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、HCl、H2、N2。
目前國內大部分多晶矽廠氯矽烷殘液和廢氣處理都以殘液或廢氣分別與氮氣混合後，進入吸收塔被鹼液吸收，而且都是廢氣和殘液分開用兩套塔進行處理。
傳統的氯矽烷殘液處理方法因為分散或霧化效果不好，導致局部氯矽烷濃度高，在水解塔中水解不完全，進入液相渣池中繼續水解，產生的氫和HCl氣體瀰漫池面，經常發生燃爆事故，汙染環境；水解產物包裹氯矽烷殘液，影響產品二氧化矽質量；同時，局部氯矽烷濃度過高會導致吸收液中局部矽酸濃度高，導致矽酸膠凝嚴重，甚至導致吸收液失去流動性，使產出的二氧化矽物性無法滿足工業標準，不能再利用。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種同時處理氯矽烷殘液和廢氣的方法，將氯矽烷廢氣壓入文丘裡霧化器並使氯矽烷殘液進入文丘裡管，通過高速喉管混合霧化後一起進入水解吸收塔中，並被水或循環鹽酸進行水解和吸收，實現氯矽烷廢氣和殘液同時處理的目的。通過調節廢氣殘液比控制進料氯矽烷的量，結合調控吸收液的循環量來實現吸收劑渣水比的調節，有效防止水解產物二氧化矽發生膠凝，使後續二氧化矽的性能得以保障，具體包括以下步驟：
（1）將氯矽烷殘液通入到殘液儲罐1中，並用氮氣作為保護氣充滿殘液儲罐剩餘空間，使殘液罐保持正壓（正壓是指比常壓高的氣體狀態），氯矽烷廢氣通入到廢氣緩衝罐3中；
（2）用殘液輸送泵2將氯矽烷殘液抽至文丘裡霧化器5的進液管中，用風機4將氯矽烷廢氣送入文丘裡霧化器5中，經收縮段加速，氯矽烷殘液和氯矽烷廢氣在文丘裡霧化器喉管處混合霧化；
（3）混合霧化後的氣體在水解吸收塔8中被吸收劑水解並吸收，落入塔底液封槽6發生反應，反應後生成的二氧化矽以單矽酸形式存在於渣液混合物中，後續分離產出二氧化矽中聚合二氧化矽等雜質含量低於0.11%；產生的揮發氣體（H2、HCl等），揮發氣體通過氣相回流管9回流入水解吸收塔中部，主要反應包括：
（4）反應吸收後混合液經固液分離，液相的一部分作為稀鹽酸回收利用，另一部分用循環泵7泵入水解吸收塔8作為水解吸收劑。
優選的，本發明所述氯矽烷殘液和氯矽烷廢氣的液氣比為0.5~1L/m3。
優選的，本發明所述吸收劑為水或鹽酸，控制吸收劑的流量使生成二氧化矽質量百分比≤y，（二氧化矽質量百分比是以渣液混合物的總質量為基準）；
吸收劑流量計算公式：
x-吸收劑的初始質量百分比濃度（%），吸收劑為水時x為0；M-氯矽烷殘液矽含量（%）；N-氯矽廢氣矽含量（%）；-氯矽烷殘液密度（kg/L）；-氯矽烷廢氣密度（kg/m3）；-吸收劑密度（kg/m3）；-氯矽烷殘液流量（L/h）；-氯矽烷廢氣流量（m3/h）；-吸收劑流量（m3/h），其中，氯矽烷殘液流量和氯矽烷廢氣流量的流量根據實際需求決定，只需要能夠使氯矽烷殘液霧化即可。
優選的，本發明所述吸收劑溫度控制在18~50℃，水解吸收塔氣相溫度控制在50℃以內。
本發明所述同時處理氯矽烷殘液和廢氣的方法所用的裝置包括殘液儲罐1、殘液輸送泵2、廢氣緩衝罐3、風機4、文丘裡霧化器5、塔底液封槽6、循環泵7、水解吸收塔8、氣相回流管9，其文丘裡霧化器包括文丘裡霧化器進液管、收縮段、文丘裡霧化器喉管、放大段。殘液儲罐1與多晶矽生產裝置殘液輸送管和廠區氮氣總管連接，通過殘液輸送泵2與文丘裡霧化器5進液管連通，廢氣緩衝罐3與生產裝置廢氣輸送管連接，通過風機4與文丘裡霧化器連通，文丘裡霧化器5放大段出口與水解吸收塔8連通，塔底液封槽6通過氣相回流管9與水解吸收塔8中部連通，渣液混合物經過濾分離得到稀酸液相，一部分回收利用，另一部分通過循環泵7泵入水解吸收塔8補充水解所用吸收劑。
本發明所述方法利用了氯矽烷廢氣為氣相的特點，代替惰性氣體作為霧化用氣，將氯矽烷殘液霧化，提高氯矽烷殘液的水解效率，同時起到對進入水解吸收塔中氯矽烷殘液的稀釋，和提高氯矽烷廢氣中氯矽烷的濃度，使水解反應更加平穩；利用氯矽烷廢氣中含有的大量N2，對水解反應產生的排放氫起到稀釋作用，更有利於保證系統安全運行；本發明實現了氯矽烷殘液和廢氣同時處理，並保證了後續產出二氧化矽的性能，且烷殘液和廢氣處理僅需一套塔，減少了氯矽烷殘液和廢氣分開處理裝置的建設成本和運行成本。
本發明的有益效果：
（1）該方法利用文丘裡管具有混合和霧化功能，將氯矽烷殘液霧化，有效減少了氯矽烷殘液在吸收塔中局部濃度過高、形成矽酸凝膠、水解產物包裹殘液的現象，提高了水解吸收劑對氯矽烷殘液的水解吸收效率。
（2）該方法用氯矽烷廢氣代替N2作為殘液霧化的氣源，實現氯矽烷殘液和廢氣的同時處理，氯矽烷殘液和廢氣處理僅需一套塔，減少了氯矽烷殘液和廢氣處理裝置的建設成本和運行成本。
（3）該方法二次利用了氯矽烷廢氣中N2，有利於氯矽烷殘液和廢氣處理系統的安全運行。
（4）該方法使得在氯矽烷殘液和廢氣處理中二氧化矽膠凝得到控制，保障了後續產出二氧化矽的物性穩定，滿足工業生產HG/T 3061-2009《橡膠配合劑沉澱水合二氧化矽技術條件》標準。
附圖說明
圖1是本發明的工藝流程示意圖；
圖2是本發明的產出的二氧化矽SEM圖；
圖1中：1-殘液儲罐、2-殘液輸送泵、3-廢氣緩衝罐、4-風機、5-文丘裡霧化器、6-塔底液封槽、7-循環泵、8-水解吸收塔、9-氣相回流管。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護範圍並不限於所述內容。
本發明實施例1~3所用的裝置如圖1所示，裝置包括殘液儲罐（1）、殘液輸送泵（2）、廢氣緩衝罐（3）、風機（4）、文丘裡霧化器（5）、塔底液封槽（6）、循環泵（7）、水解吸收塔（8）、氣相回流管（9），其文丘裡霧化器包括文丘裡霧化器進液管、收縮段、文丘裡霧化器喉管、放大段。殘液儲罐（1）與多晶矽生產裝置殘液輸送管和廠區氮氣總管連接，通過殘液輸送泵（2）與文丘裡霧化器（5）進液管連通，廢氣緩衝罐（3）與生產裝置廢氣輸送管連接，通過風機（4）與文丘裡霧化器連通，文丘裡霧化器（5）放大段出口與水解吸收塔（8）連通，塔底液封槽（6）通過氣相回流管（9）與水解吸收塔（8）中部連通，渣液混合物經過濾分離得到稀酸液相，部分作為稀酸用，部分經補充所需水解用水再次通過循環泵（7）泵入水解吸收塔（8）循環。
實施例處理的氯矽烷殘液的主要成分是40%SiCl4、40%SiHCl3、15%SiH2Cl2、5%HCl、少量的矽粉和金屬氯化物，氯矽烷廢氣主要成分是5%SiCl4、20%SiHCl3、10%SiH2Cl2、5%HCl、20%H2、40%N2。
實施例1
本實施例所述一種同時處理氯矽烷殘液和廢氣的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
（1）多晶矽生產裝置產生的氯矽烷殘液進入殘液儲罐1，並用氮氣作為保護氣充滿殘液儲罐剩餘空間，多晶矽生產裝置產生的氯矽烷廢氣進入廢氣緩衝罐3；
（2）用殘液輸送泵2將氯矽烷殘液（流量為25L/h）抽至文丘裡霧化器5進液管，用風機4將氯矽烷廢氣(流量為50m3/h)送入文丘裡霧化器5，氯矽烷殘液和氯矽烷廢氣在收縮段和文丘裡霧化器喉管中混合霧化，霧化器液氣比為0.5L/m3；
（3）混合霧化後的氣體在水解吸收塔8中被從塔上部往下淋洗的吸收劑（吸收劑為稀鹽酸，濃度為5%，流量為2.84m3/h）水解並吸收，落入塔底液封槽6發生反應，反應後生成的二氧化矽以單矽酸形式存在於渣液混合物中，後續分離產出二氧化矽中聚合二氧化矽等雜質含量低於0.11%；產生的揮發氣體（H2、HCl等），揮發氣體通過氣相回流管9回流入水解吸收塔中部，
（4）反應吸收後混合液經固液分離，液相的一部分作為稀鹽酸回收利用，另一部分用循環泵7泵入水解吸收塔8作為水解吸收劑；水解吸收塔8塔頂尾氣經檢測氯矽烷含量低於0.03%，濾渣經洗滌、乾燥後獲得二氧化矽，其SEM如圖2，並進行粒度分析、XRD分析、XRF分析，所獲得的二氧化矽滿足HG/T 3061-2009《橡膠配合劑沉澱水合二氧化矽技術條件》工業應用要求
實施例2
本實施例所述一種同時處理氯矽烷殘液和廢氣的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
（1）多晶矽生產裝置產生的氯矽烷殘液進入殘液儲罐1，並用氮氣作為保護氣充滿殘液儲罐剩餘空間，多晶矽生產裝置產生的氯矽烷廢氣進入廢氣緩衝罐3；
（2）用殘液輸送泵2將氯矽烷殘液（流量為40L/h）抽至文丘裡霧化器5，用風機4將氯矽烷廢氣(流量為55m3/h)送入文丘裡霧化器5，氯矽烷殘液和氯矽烷廢氣在收縮段和文丘裡霧化器喉管處混合霧化，霧化器液氣比為0.73L/m3；
（3）混合霧化後的氣體在水解吸收塔8中被從塔上部往下淋洗的吸收劑（吸收劑為工業水，濃度為5%，流量為2.48m3/h）水解並吸收，落入塔底液封槽6發生反應，反應後生成的二氧化矽以單矽酸形式存在於渣液混合物中，後續分離產出二氧化矽中聚合二氧化矽等雜質含量低於0.11%；產生的揮發氣體（H2、HCl等），揮發氣體通過氣相回流管9回流入水解吸收塔中部，
（4）反應吸收後混合液經固液分離，液相的一部分作為稀鹽酸回收利用，另一部分用循環泵7泵入水解吸收塔8作為水解吸收劑；水解吸收塔8塔頂尾氣經檢測氯矽烷含量低於0.03%，濾渣經洗滌、乾燥後獲得二氧化矽，並進行粒度分析、XRD分析、XRF分析，所獲得的二氧化矽滿足HG/T 3061-2009《橡膠配合劑沉澱水合二氧化矽技術條件》工業應用要求。 實施例3
本實施例所述一種同時處理氯矽烷殘液和廢氣的方法，其特徵在於，包括以下步驟：
（1）多晶矽生產裝置產生的氯矽烷殘液進入殘液儲罐1，並用氮氣作為保護氣充滿殘液儲罐剩餘空間，多晶矽生產裝置產生的氯矽烷廢氣進入廢氣緩衝罐3；
（2）用殘液輸送泵2將氯矽烷殘液（流量為30L/h）抽至文丘裡霧化器5進液管，用風機4將氯矽烷廢氣(流量為30m3/h)送入文丘裡霧化器5，氯矽烷殘液和氯矽烷廢氣在收縮段和文丘裡霧化器喉管處混合霧化，霧化器液氣比為1L/m3；
（3）混合霧化後的氣體在水解吸收塔8中被從塔上部往下淋洗的吸收劑（吸收劑為稀鹽酸，濃度為20%，流量為4.63m3/h）水解並吸收，落入塔底液封槽6發生反應，反應後生成的二氧化矽以單矽酸形式存在於渣液混合物中，後續分離產出二氧化矽中聚合二氧化矽等雜質含量低於0.11%；產生的揮發氣體（H2、HCl等），揮發氣體通過氣相回流管9回流入水解吸收塔中部，
（4）反應吸收後混合液經固液分離，液相的一部分作為稀鹽酸回收利用，另一部分用循環泵7泵入水解吸收塔8作為水解吸收劑；水解吸收塔8塔頂尾氣經檢測氯矽烷含量低於0.03%，濾渣經洗滌、乾燥後獲得二氧化矽，其SEM如圖2，並進行粒度分析、XRD分析、XRF分析，所獲得的二氧化矽滿足HG/T 3061-2009《橡膠配合劑沉澱水合二氧化矽技術條件》工業應用要求。