氢气纯化回收系统在多晶硅行业应用

颜庭勇 张文波 尹泉生 张敬成

（苏州市创新净化有限公司，江苏 苏州 相城区北桥镇希望工业园友胜东路9# 215144）

摘要:介绍氢气回收纯化系统在多晶硅行业方面的应用,以及突出氢气回收纯化系统的工作原理,工艺特点,多晶硅行业产能分析及其意义。

关键词：氢气回收 应用 原理 工艺特点 产能分析

1．引言

改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国经济进一步发展的重要因素，为了满足不断提高人们的生活质量水平的需要，必须寻找新的能源，特别是开发发展绿色能源是一项利国利民的大事。氢能源作为绿色能源已越来越被人们所重视。伴随着各行各业对氢气需求量的增加，目前工业氢气的市场需求量已开始急剧增长，甚至超过了对氧气、氮气的需求量。如何增加氢气的供应？除了千方百计不断增加氢气的产量外，我们可以通过科技创新发展循环经济，从工业排放的尾气中回收氢气（再纯化）、变废为宝，造福于民。

多晶硅广泛应用在太阳能电池和IT产业，在太阳能电池中占成本的70%。目前国际上普遍采用改良西门子法生产多晶硅，主要原料是工业硅、液氯、氢气，硅砂先在电弧炉中于碳置换成98%的工业硅，跟着与氯气、氢气混合反应后生成三氯氢硅，再在氢气中还原沉淀成多晶硅。在“十五一”期间，为实现采用西门子工艺的多晶硅产业化，国内开展下述课题研究：

1)氢还原法的低电耗多晶硅反应器技术；

2)干法回收纯化氢气系统；

3)大型多侧线SiHCl3高效提纯技术装置；

4)千吨级多晶硅生产系统自动控制组态技术等。

氢气回收纯化装置国外主要是采用干法回收纯化氢气系统，以西欧和以色列水平较高；国外还有湿法回收纯化的报道，由于湿法回收是通过喷淋机来回收纯化氢气，气体中的粉尘微粒被水冲走排放，达不到回收利用的目的，并造成排放水的污染，应用很少。国内干法回收纯化氢气系统，属于多晶硅生产过程中重要科技技术，有必要对其进行深入研究和讨论。

2.目前氢气纯化回收系统在多晶硅行业应用的情况

目前, 国内多晶硅的生产主要采用传统西门子工艺——三氯氢硅氢还原, 主反应如下: SiHCl3+ H2= Si+ 3HCl (1) 4SiHCl3= 3SiCl4+ Si+ 2H2 (2) 在生产中, 为了使反应顺利进行, 高纯氢气和三氯氢硅的摩尔比为10∶1, 高纯氢气用量大, 加上三氯氢硅的一次转化率仅为20%～ 25% , 因此高纯氢气的利用率极低, 98% 以上未进行反应, 随还原炉尾气一起排出。还原炉尾气含有大量氢气、氯化氢、三氯氢硅和四氯化硅等有用物料。氢气回收系统的使用可将净化回收氢气直接送到还原炉生产多晶硅, 氢气在整个密闭的生产系统中循环使用, 因此还原炉尾气的氢气得到全部回收。返回多晶硅生产系统, 多晶硅产品质量较优, 同时每千克多晶硅的还原氢气单耗与氢气未回收前从20m3降到0.8 m3 , 降低了生产成本;

实践证明, 氢气纯化回收装置净化回系统气效果显著, 净化后的氢气质量稳定、纯度高, 可完全满足多晶硅生产的要求;

3．氢气纯化回收装置工作原理

氢气回收系统的组成：1.氢气供应系统 2.压力平衡系统 3.脉式除尘器 4.还原炉 5.氢气压缩机 6.氢气净化装置 7.冷水机组 8.气体分析仪表 9.电控系统

氢气由氢气供应系统提供，补充氢气由气动薄膜调节阀通过压力传感器经过PLC进行PID运算来完成。可根据需要设定仪表控制数据。回收回来的低压氢气经过脉冲式除尘器除去氢气中的粉尘，再经氢气缓冲罐缓冲，氢气增压机增压，氢气缓冲罐缓冲后，进入氢气净化装置，普氢中的微量氧进入除氧塔在钯触媒的催化作用和一定的温度下工作，催化剂的作用使氢气、氧气发生化学反应生成了水（2H2+O2=2H2O），再经过冷却器冷凝，并进行气水分离，冷凝的水排出，经分离冷却后的氢气进入干燥塔中进行吸附干燥，吸附干燥器一组工作时，另一组在再生活化，即取一部分产品气在300℃度左右对吸附饱和的分子筛进行再生处理，两塔工作和再生交替进行，输出干燥后的氢气经尘埃过滤后供硅粉干燥炉使用。使用后的氢气由硅粉炉的出口输送到循环装置氢气入口处进行回收利用。

4．氢气纯化回收装置设备工艺特点

1)除尘部分采用脉冲除尘方式：采用此方式能够有效拦截回收氢气中粉尘,并对氢气中的粉尘进行有效收集。脉冲袋式除尘器工作原理： 脉冲袋式除尘器设备正常工作时，含尘气体由进风口进入灰斗，由于气体体积的急速膨胀，一部分较粗的尘粒受惯性或自然沉降等原因落入灰斗，其余大部分尘粒随气流上升进入袋室，经滤袋过滤后，尘粒被滞留在滤袋的外侧，净化后的气体由滤袋内部进入上箱体，再由阀板孔、排风口排入大气，从而达到除尘的目的。随着过滤的不断进行，除尘器阻力也随之上升，当阻力达到一定值时，清灰控制器发出清灰命令，首先将提升阀板关闭，切断过滤气流;然后，清灰控制器向脉冲电磁阀发出信号，随着脉冲阀把用作清灰的高压逆向气流送入袋内，滤袋迅速鼓胀，并产生强烈抖动，导致滤袋外侧的粉尘抖落，达到清灰的目的。由于设备分为若两个箱区，所以上述过程是逐箱进行的，一个箱区在清灰时，其余箱区仍在正常工作，保证了设备的连续正常运转。采用脉冲除尘器的特点：处理风量大，过滤精度高，粉尘收集方便。

2)低能耗的系统配置：A.氢压机出来的氢气温度在100℃左右,出口氢气不采用冷却处理,直接让高温气体进入除氧塔,除去氢气中的微量氧,除氧塔配置的加热装置正常状态下处于备于状态。B.氢气净化装置干燥塔再生氢气经过冷却、气水分离后、再进入氢压机入口实行全回收再利的工艺，实现的氢气的零排放，保证了100%的氢气收率，采用此方式不但提高了经济效益，又保护了大气环境。

3)自动化程度高：对自动装置实施的检测和控制是以可编程控制器为主要控制单元和采用触摸屏或上位机配置的组态软件为操作界面的自动控制系统，根据氢气净化装置的工艺要求以及硅粉干燥的工艺要求，通过对纯化装置的压力、流量、露点、氧含量等工艺参数和运行情况的检测，实现气体纯化装置的自动化控制和系统监视，做到无人值守。

4)系统防爆配置:氢气纯化回收系统工艺中涉及的压力变送器,压差变送器,温度变送器,露点变送器,微氧变送器,流量变送器,加热装置,氢气压缩机及所有的电气仪表元件防爆等级为:ExdⅡCT4,系统工艺中涉及的电缆及补偿导线均采用阻燃电缆及阻燃补偿导线。

5)系统安全及纯度保证：回收氢气循环系统需要不断补氢，通过压力传感器和自动调节阀来控制，可以防止氢压机吸入口造成负压，吸入空气引起事故。加压氢气由自力式调节阀来控制氢压机出口压力。高纯氢气回到氢气炉时通过阻火器等，该系统有严密的安全保护措施。氢气纯化回收系统中涉及的所有阀门，管道采用脱脂处理，以保证管阀件绝对无油，洁净,保证经纯化后的氢气不产生二次污染及整体系统的安全性。

5．多晶硅行业产能分析及意义

2005年全球太阳能级多晶硅产量8100吨，而全年总的太阳能级多晶硅材料需求量为16333吨，按照多晶硅65%的比例（其余为单晶），多晶需求量10616吨，缺口2516吨；2006年产量为10800吨，需求为13800吨，缺口3000吨；2007年需求16560吨，产量15100吨，缺口缩小为1461吨；到2008年基本平衡。 2008年中国多晶硅需求是2.5万吨，实际国内只生产了5000吨，还有80%是进口。截止到08年12月，国内已有超过10家上市公司投资多晶硅项目，已公告的投资额近60亿元，总投资额高达300多亿元。 综合来看，2010年大陆多晶硅产量约达3.5万吨，预计仍只能满足市场需求的一半还需进口3万吨。

多晶硅的产量的速度增长，氢气的需求量也将随着急速增长。制氢过程能耗极高，其燃料成本占生产成本的52-60%。国家在2005年2月28日出台《可再生能源法》鼓励各种所有制经济主体参与再生能源的开发利用。太阳能电池的建设项目不仅促进了氢气产品的制造业，也对氢气的回收纯化市场带来了巨大的光明前景。

6．结束语

随着科学技术的进步及国民经济的发展，多晶硅行业的产能增加，需要与之相配套的氢气加压净化系统也不断的增加，氢气加压净化系统也将会越来越完善，最终能凭借其自身的节能，环保，稳定性强，安全性好，专业性强的优势特点，更加适用与多晶硅行业的发展。