一种多晶硅废气处理与余热利用装置及工艺的制作方法

本发明属于多晶硅生产制造技术领域，具体涉及一种多晶硅废气处理与余热利用装置及工艺。

背景技术：

随着太阳能光伏产业的迅速发展，多晶硅的需求将持续增长。多晶硅生产中产生的废气大多属于易燃易爆、有毒有害物质，主要来源于精馏工序、还原工序、尾气回收工序(CDI)、氢化工序和合成工序等。

目前，多晶硅生产企业基本上都采用碱液淋洗法对多晶硅废气进行处理，具有工艺简单、投资和运行成本较低等优点。但随着近几年多晶硅厂产能和规模的快速扩大，产生的废气量也随之激增，原废气处理工艺呈现出很多问题：

1、工艺过于简单，容易造成资源浪费。

多晶硅生产工艺主要由精馏工序、还原工序、CDI工序、氢化工序等组成，来自这些工序的废气中含有一定量的氯硅烷(主要为SiHCl₃、SiCl₄和SiH₂Cl₂)，如果直接进入废气处理工艺，不仅会造成氯硅烷物料的白白浪费，还会消耗大量的碱液，同时固体废渣的处理成本也会大大增加。

2、适用能力较差。

多晶硅生产工艺是一个连续、完整的闭路循环过程，如果生产过程中的某一工序或某一个环节出现了问题，都有可能会对多晶硅生产系统的稳定性造成影响，从而造成废气量剧增，例如：①由于天然气压力的波动，水蒸汽压力的可能会瞬间升高，导致精馏工序精馏塔塔顶温度和压力升高而出现“跑料”现象；②由多种原因引起的CDI工序超负荷运行，造成废气量剧增；③设备故障、检修等也会产生大量的废气。

3、环境污染严重。

容易因废气处理不充分而导致大量白色烟雾的产生，不仅造成资源浪费，还对环境造成了严重的污染。

4、安全性差。

在多晶硅尾气处理实际生产过程中，尾气处理装置及放空气体时常发生着火和爆炸事故，不仅对多晶硅生产的正常运行产生影响，还对生产安全造成了极大的威胁。

发生着火和爆炸主要原因：①由于废气中所含的SiHCl₃、SiH₂Cl₂、H₂均属于易燃易爆物质，其中SiH₂Cl₂的自燃点为44±3℃，属于极易燃烧的物质；②在废气处理工艺过程中，碱液和废气反应后会产生大量的热量，温度会迅速升高；③在一定的温度下，SiHCl₃、SiH₂Cl₂、H₂可燃物与空气中的助燃剂O₂接触容易着火和发生爆炸。

5、多晶硅生产系统的稳定性和产品质量受到影响。

由于着火和爆炸事故的发生过于频繁，多晶硅生产系统的稳定性受到严重的影响，时常需要对各工序进行减量调整，因此，多晶硅产量和产品质量均受到较大的影响。

6、热量损失较大。

多晶硅废气中主要含有SiHCl₃、SiCl₄、SiH₂Cl₂、H₂、N₂、HCl等，在尾气处理过程中，SiHCl₃、SiCl₄、SiH₂Cl₂、HCl等会与碱液发生化学反应，会产生大量的热量，这部分热量一部分随液固反应物带入碱液池损失掉，另一部分随气体带入液封水槽和空气损耗掉，不仅容易引起放空气体着火或爆炸，还会造成了大量热量浪费。

针对上述的问题，需要提出解决这一系列问题的有效办法。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述现有技术中存在的问题，提供一种多晶硅废气处理与余热利用装置及工艺，将多晶硅生产过程中的废气经过废气处理后排放，环境污染得到根本性解决；同时将废气处理过程中的热量回收，减少资源的浪费。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多晶硅废气处理与余热利用装置，包括废气冷凝回收罐、废气淋洗塔A、废气淋洗塔B、碱液池和液封水槽，所述的废气冷凝回收罐串接在用于废气汇总的废气管中，废气管末端连接所述的废气淋洗塔A，废气淋洗塔A的底部设置在碱液池中，废气淋洗塔A通过连通管连接废气淋洗塔B，废气淋洗塔B的底部设置在碱液池中，废气淋洗塔B通过排气管连接设置在液封水槽的放空管；所述的碱液池还通过碱液管分别连接至废气淋洗塔A和废气淋洗塔B的底部，并在碱液管管路中设置有碱液泵；

所述的废气淋洗塔A的反应区设置有余热利用机构，所述的余热利用机构的一端设置有进水口，另外一端设置有出水口，进水口与流入冷水的水泵、水管连接。

优选地，所述的余热利用机构包括包裹在废气淋洗塔A的反应区和封头的外层的保温层，废气淋洗塔A的反应区采用夹套结构，夹套的底部设有所述的进水口，顶部设有所述的出水口，进水口与出水口通过导流槽连接。

优选地，所述的余热利用机构包括包裹在废气淋洗塔A的反应区和封头的外层的保温层，废气淋洗塔A的反应区内部设置有若干根换热管，换热管的底部设有所述的进水口，换热管的顶部设置有所述的出水口。

优选地，所述的液封水槽中的放空管采用蛇形曲管结构。

优选地，所述的废气淋洗塔A的顶部设置有用于通入保护N₂的N₂管道。

本发明还提供一种多晶硅废气处理与余热利用工艺，包括以下步骤：

步骤一，多晶硅生产过程中产生的废气汇总到废气管后，进入废气冷凝回收罐，采用低温介质对废气冷凝罐进行冷却，从控制压力在0.3～0.5MPa范围内，温度-15℃以下，使99％以上的氯硅烷冷凝为液体并回收利用；

步骤二，残余废气进入废气冷凝塔A中，同时，碱液泵将碱液池中的碱液通过碱液管输送至废气淋洗塔A和废气淋洗塔B的顶部，废气在废气淋洗塔A的反应区中与碱液充分混合并发生剧烈反应，反应生成的固液混合物和未反应完全的碱液经废气淋洗塔A的底部流入到碱液池中；反应生成的气体和未反应完全的废气通入到废气淋洗塔B中；

步骤三，在废气淋洗塔B中废气与碱液发生反应，反应物和过量的碱液经废气淋洗塔B的底部进入碱液池中，未参与反应的气体通过排气管进入盛放在液封水槽中的放空管，然后排入空气中；

步骤四，废气淋洗塔A在反应时产生的热量传递至设置在废气淋洗塔A的反应区的余热利用机构中，冷水经过水泵、水管流入余热利用机构的进水口，吸收热量后，从出水口流出，热水回收利用。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用一种多晶硅废气处理与余热利用装置及工艺，氯硅烷得到有效的回收利用，碱液的消耗量大大减少，环境污染问题得到根本性的解决，基本上杜绝了尾气处理装置及放空气体时常发生着火和爆炸事故，保证了多晶硅生产系统的稳定性，废气处理时，因反应产生的大量热量被水吸收回收利用后，能有效的应用于多晶硅实际生产中，因此节约了能耗。

附图说明

图1为本发明的多晶硅废气处理与余热利用装置结构示意图。

图2为本发明的放空管的结构示意图。

图3为本发明的余热利用机构结构示意图。

图4为本发明的另一实施方式的余热利用机构结构示意图。

附图标记：1、来自精馏工序的废气；2、来自还原工序的废气；3、来自CDI工序的废气；4、氢化工序的废气；5、其它工序的废气；6、废气管；7、废气冷凝回收罐；8、低温介质进；9、低温介质出；10、氯硅烷回收；11、废气淋洗塔A；12、反应区；13、冷水；14、水泵；15、水管；16、进水口；17、出水口；18、还原炉蒸发器；19、精馏塔预热器；20、碱液；21、碱液池；22、连通管；23、废气淋洗塔B；24、氮气管；25、排气管；26、液封水槽；27、放空管；28、放空气体；29、冷却水进；30、冷却水出；31、冷却水；32、碱液管；33、碱液泵；34、夹套；35、导流槽；36、换热管。

具体实施方式

参照图1-4，一种多晶硅废气处理与余热利用装置，包括废气冷凝回收罐7、废气淋洗塔A11、废气淋洗塔B23、碱液池21和液封水槽26，所述的废气冷凝回收罐7串接在用于废气汇总的废气管6中，废气管6末端连接所述的废气淋洗塔A11，废气淋洗塔A11的底部设置在碱液池21中，废气淋洗塔A11通过连通管22连接废气淋洗塔B23，废气淋洗塔B23的底部设置在碱液池21中，废气淋洗塔B23通过排气管25连接设置在液封水槽26的放空管27；所述的碱液池21还通过碱液管32分别连接至废气淋洗塔A11和废气淋洗塔B23的底部，并在碱液管32管路中设置有碱液泵33。

废气淋洗塔A11的反应区12设置有余热利用机构，所述的余热利用机构的一端设置有进水口16，另外一端设置有出水口17，进水口16与流入冷水13的水泵14、水管15连接。

作为优选地技术方案，所述的余热利用机构包括包裹在废气淋洗塔A11的反应区12和封头的外层的保温层，废气淋洗塔A11的反应区12采用夹套结构，夹套34的底部设有所述的进水口16，顶部设有所述的出水口17，进水口16与出水口17通过导流槽35连接。

作为另一种优选地技术方案，所述的余热利用机构包括包裹在废气淋洗塔A11的反应区12和封头的外层的保温层，废气淋洗塔A11的反应区12内部设置有若干根换热管36，换热管36的底部设有所述的进水口16，换热管36的顶部设置有所述的出水口17。

如图1所示，来自精馏工序1、还原工序2、CDI工序3、氢化工序4及其它工序5的废气汇总到废气管6后，进入废气冷凝回收罐7，采用低温介质对废气冷凝罐7进行冷却，从控制其压力在0.3～0.5MPa范围内，温度-15℃以下，使99％以上的氯硅烷(SiHCl₃、SiCl₄和SiH₂Cl₂)冷凝为液体并回收利用。

残余氯硅烷(低于1％)和其它气体组分(H₂、N₂、HCl等)进入废气淋洗塔A11内；同时，碱液泵33将碱液池21中的碱液20通过碱液管32输送至废气淋洗塔A11和废气淋洗塔B23的顶部。

在废气淋洗塔A的顶部分别设N₂管道，并通入0.3～0.5MPa的保护N2，避免空气进入塔内与SiHCl₃、SiH₂Cl₂、H₂接触，保证生产安全。

残余氯硅烷、HCl与碱液20在废气淋洗塔A11的反应区12内充分混合并发生剧烈的化学反应，反应生成的固液混合物和未反应完全的碱20液经废气淋洗塔A11的底部流入碱液池21；反应生成的H₂、N₂、H₂O(水蒸汽)以及没有反应完全的氯硅烷(含量低于0.1％)和HCl等气体通过连通管22进入废气淋洗塔B23内。

在废气淋洗塔B23内，氯硅烷(含量低于0.1％)和HCl等与碱液20发生反应，反应物和过量的碱液20经废气淋洗塔B23底部进入碱液池21，未参与反应的H₂、N₂和H₂O(水蒸汽)等通过排气管25进入盛放在液封水槽26中的放空管27，然后再排入空气中。

液封水槽26内的放空管27的结构采用蛇形曲管结构，大大增加了放空管的长度和冷却面积，可以有效避免因温度过高引起着火或爆炸事故。

废气淋洗塔A11内，SiHCl₃、SiCl₄、SiH₂Cl₂、HCl等与碱液20在反应区12发生剧烈的化学反应，并产生大量的热量；

考虑到反应会产生SiO₂·nH₂O、CaSiO₃等物质，容易造成堵塞，因此主要可以考虑通过两种方法将热能进行综合利用：一种为夹套式，将废气淋洗塔A11的反应区12和封头的外层用保温层包裹，废气淋洗塔A11的反应区12采用夹套结构，夹套34的底部设进水口16，顶部设出水口17，内设导流槽35；冷水13经过水管15和水泵14，从进水口16进入夹套34，顺着导流槽35，从下至上，从出水口17流出，将反应区12产生的大量热量回收利用；另一种为换热管式，将废气淋洗塔A11的反应区12和封头的外层用保温层包裹，在废气淋洗塔A11的反应区12的内部设多根换热管36，冷水13经过水管15和水泵14，从进水口16进入换热管36，然后从出水口17流出，将反应区12产生的大量热量回收利用。

在废气余热利用系统中，可以通过泵控制碱液的流量或者控制冷水的流量等来控制热水的温度。一般情况下，热水的压力控制在0.3～0.5MPa范围内，温度控制在30～110℃范围内。

废气余热回收后，其热水可以根据实际生产要求进行利用，一般可以应用于精馏塔预热器19、还原炉蒸发器18、精馏塔再沸器等。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过采用一种多晶硅废气处理及余热利用装置，氯硅烷得到有效的回收利用，碱液的消耗量大大减少，环境污染问题得到根本性的解决，基本上杜绝了尾气处理装置及放空气体时常发生着火和爆炸事故，保证了多晶硅生产系统的稳定性，废气处理时，因反应产生的大量热量被水吸收回收利用后，能有效的应用于多晶硅实际生产中，因此节约了能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。