硅粉中的雜質(zhì)Al對三氯氫硅合成轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響

硅粉中的雜質(zhì)Al對三氯氫硅合成轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響摘要：本文闡述了在三氯氫硅合成工藝中，工業(yè)硅粉中的雜質(zhì)Al含量對三氯氫硅合成轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響，并以實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，從經(jīng)濟損失的角度需要嚴格控制其硅粉中的雜質(zhì)Al含量，以提高生產(chǎn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低檢修成本。關(guān)鍵詞：硅粉鋁三氯氫硅轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定性一、概述直到目前為止，改良西門子法仍然是生產(chǎn)太陽能級和電子級多晶硅的主要生產(chǎn)工藝[1]。在該生產(chǎn)工藝中，有著較為完善的回收系統(tǒng)，已實現(xiàn)閉環(huán)式生產(chǎn)，大大降低了硅耗、氫耗、氯耗、電耗，但仍然存在著硅元素的損耗。為了系統(tǒng)的生產(chǎn)平衡，需要通過三氯氫硅來給予補充，而硅粉便是合成三氯氫硅的主要生產(chǎn)原料，是決定三氯氫硅轉(zhuǎn)化率、合成三氯氫硅質(zhì)量和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外很多專家、研究人員和生產(chǎn)工作人員等都對三氯氫硅合成工藝做了大量的研究性和生產(chǎn)實踐性工作，如硅粉粒徑對流化床流態(tài)化的影響[2]、硅粉雜質(zhì)對三氯氫硅合成啟動及運行的影響[3]等，這些成果大大的推動了三氯氫硅合成產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高三氯氫硅的轉(zhuǎn)化率，降低合成三氯氫硅的成本。本文選取硅粉中雜質(zhì)Al含量作為研究對象，來探討其對三氯氫硅轉(zhuǎn)化率及生產(chǎn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響。二、硅粉中雜質(zhì)Al含量對合成三氯氫硅轉(zhuǎn)化率及系統(tǒng)運行穩(wěn)定的影響1.Al含量對轉(zhuǎn)化率的影響選取三批次不同Al含量的硅粉（粒徑、含水量、其他雜質(zhì)含量接近），以合成氯硅烷中的三氯氫硅含量為依據(jù)來探討其對三氯氫硅轉(zhuǎn)化率的影響，硅粉中雜質(zhì)Al含量對三氯氫硅合成轉(zhuǎn)化率的影響較為明顯，且隨著Al含量的上升，其轉(zhuǎn)化率有所下降。因此，從轉(zhuǎn)化率的角度需要控制硅粉中的雜質(zhì)Al含量。2.雜質(zhì)Al對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響雜質(zhì)Al在三氯氫硅合成爐中會與氯化氫反應(yīng)生成對應(yīng)的氯化物AlCl3，而AlCl3的升華溫度僅為190℃[4]，經(jīng)過干法除塵后依然會以氣態(tài)的形式與反應(yīng)混合氯硅烷氣體一起進入濕法除塵系統(tǒng)，通過濕法除塵系統(tǒng)除去一部分，沉降到濕法除塵器的底部，然后作為含硅殘液而排放至后續(xù)工序進行處理，同時也會有一定量的未除掉的AlCl3進入到冷卻系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)和粗餾系統(tǒng)。經(jīng)過粗餾塔處理后的三氯氫硅中Al含量高達7000ppbw以上，是其Fe含量的70倍，是Ca含量的千倍，而硅粉中的Fe含量是Al含量2倍，此組數(shù)據(jù)也說明Al比其他金屬雜質(zhì)難在干法除塵、濕法除塵和粗餾系統(tǒng)中除去。且AlCl3進入到后續(xù)系統(tǒng)中，很容易粘附在設(shè)備、管束、管道等的內(nèi)壁上，隨著系統(tǒng)的運行，粘附在管道或管束內(nèi)壁的泥糊狀物會增加，進而造成設(shè)備、管束、管道等堵塞，最終導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞。且AlCl3的性質(zhì)較為活潑，與氯硅烷液體混合在一起，較容易形成易燃易爆的泥漿狀堵塞物，給三氯氫硅合成系統(tǒng)及后續(xù)處理系統(tǒng)的檢修工作帶來很大的難度。在系統(tǒng)運行一定時間后，出現(xiàn)系統(tǒng)堵塞，特對其進行卸料后進行置換，并且對三氯氫硅合成系統(tǒng)進行檢修，檢修時發(fā)現(xiàn)：冷凝器約有95%以上的管束被堵塞，且進冷凝器的物料管道內(nèi)壁粘附著大量白色的物質(zhì)，并對其管道內(nèi)壁的白色物質(zhì)進行取樣分析檢測，其Al含量高達18.7%，F(xiàn)e含量僅為0.011%，Ca含量為0.025%，Si含量為81.26%，及其他微量雜質(zhì)，這組數(shù)據(jù)進一步說明AlCl3是造成系統(tǒng)堵塞的關(guān)鍵物質(zhì)。硅粉中的Al含量達到0.4%時，其系統(tǒng)穩(wěn)定運行的時間為25天；硅粉中的Al含量為0.2%時，其系統(tǒng)穩(wěn)定運行的時間為135天；含量為0.1%時，其系統(tǒng)穩(wěn)定運行的時間為225天。由此說明：硅粉中的雜質(zhì)Al含量越高，則在三氯氫硅合成爐中生成的三氯化鋁也就越多，系統(tǒng)堵塞的周期會大大縮短，系統(tǒng)檢修的頻率會增加，其對應(yīng)的排渣工作的開展也就越艱難。3.系統(tǒng)堵塞后的經(jīng)濟損失及檢修費用3.1直接經(jīng)濟損失以昆明冶研新材料股份有限公司的18000t/y氯硅烷氯硅烷系統(tǒng)為例，系統(tǒng)每堵塞1次，需要將系統(tǒng)內(nèi)的合成氯硅烷排盡，以便置換系統(tǒng)，這樣會導(dǎo)致其系統(tǒng)向淋洗系統(tǒng)排放合成氯硅烷約5t，按85%三氯氫硅計算，三氯氫硅按現(xiàn)有市場價6100元/t計算，則氯硅烷損失費=5t*85%*6100元/t=25925元；該部分氯硅烷排到淋洗系統(tǒng)處理時，需要消耗堿液約6噸（濃度為100%的堿液），堿液按3000元/t淋洗堿液費用=6*3000=18000元；三氯氫硅合成爐因管道堵塞而緊急停爐時，爐內(nèi)約有3t未消耗完的硅粉，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，該部分硅粉已處于失活狀態(tài)，需要將其掏出，硅粉按現(xiàn)有市場價13500元/t，其硅粉損失費用=3*13500=40500元；3.2檢修費用系統(tǒng)堵塞時，需要對冷凝器、粗餾塔再沸器、粗餾塔排高沸物管道等處進行排渣和檢修，且對換熱器設(shè)備管束進行清洗，需要投入檢修人員約8人，檢修時間約7天，其檢修人員費用（按每人200元/天計算）=8*7*200=11200元；3.3總的經(jīng)濟損失總的經(jīng)濟損失包括系統(tǒng)堵塞時的直接經(jīng)濟損失費用和檢修費用，則總的經(jīng)濟損失=25925+18000+40500+11200=95625元。三、結(jié)語已有文獻報道，硅粉中雜質(zhì)Al對三氯氫硅合成的啟動有利，因為反應(yīng)溫度是控制三氯氫硅轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素，金屬雜質(zhì)與氯化氫反應(yīng)放出熱量，加大活化整體能量[3]。正常運行過程中，雜質(zhì)Al含量的升高對合成三氯氫硅的轉(zhuǎn)化率不利，同時對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性不利。因此，在三氯氫硅合成爐正常運行過程中，盡可能的降低硅粉中的雜質(zhì)Al含量，將其含量控制在0.1%及以下，可以提高三氯氫硅的轉(zhuǎn)化率，同時也會降低系統(tǒng)堵塞的概率，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)檢修的頻次，可以降低檢修成本，大大提高生產(chǎn)效率，最終達到降低生產(chǎn)運行成本的目的。參考文獻[1]梁駿吾。電子級多晶硅的生產(chǎn)工藝。中國工程科學(xué)，2000，2（12）：34-39。[2]譚宗國，李光茜。三氯氫硅合成中硅粉粒度對流化床流態(tài)化的的影響。中國化工貿(mào)易，2012（3）：148-149。[3]周謐，屈敏，黎展容，蒲曉東。硅粉雜質(zhì)對三氯氫硅合成啟動及運行的影響。有機硅材料，2010，24（6）：377-3