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【专题研讨】冷氢化技术综述（上）

2011-08-15 09:46阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1646406880

冷氢化技术综述
（上）
朱骏业 岳菡 张永良
20世纪70年代美国喷气推进实验室(JPL)在美国能源部的支持下组织研究新硅烷法工艺过程中，采用多晶硅工厂的副产物四氯化硅（STC）作原料，将其转化为三氯氢硅（TCS），然后将三氯氢硅通过歧化反应生产硅烷。
80年代初，为得到低成本、高纯度的多晶硅，又进行了一系列的研究开发。其中高压低温氢化工艺（以下简称冷氢化）就是一项能耗最低、成本最小的STC转化为TCS的工艺技术。该工艺被UCC（Union Carbide Corporation）公司在80年代中后期进一步的完善，实现了从实验装置到工业化运行的跨越，目前REC在华盛顿州的多晶硅工厂所采用的此项工艺仍在运行中。因此，毋庸置疑，冷氢化技术的原创应当是UCC，目前流行的各类流化床冷氢化工艺只是在UCC的基础上“整容，而非变性”（易中天语）！
90年代，为了提高多晶硅产品纯度，满足电子工业对多晶硅质量的要求，开发了高温低压STC氢化工艺，这两种工艺的比较如下：
项目名称
 高温低压热氢化
 低温高压冷氢化
操
作压力：Bar
6
 15～35
操作温度：℃
 1250
 500～550
主要反应
 SiCl4＋H2＝SiHCl3＋HCl
 Si＋3HCl＝SiHCl3＋H2
3SiCl4＋Si＋2H2＝4SiHCl3
优点
 汽相反应；不需催化剂；连续运行；装置单一、占地少；易操作和控制，维修量小；氢化反应不加硅粉，无硼磷及金属杂质带入，后续的精镏提纯工艺较简单，提纯工作量小；
STC转化率一般为（17%～24%）
 流化床反应；三氯氢硅合成与四氯化硅氢化可在同一装置内进行，可节省投资；反应温度低、电耗低，单耗指标为≤1kWh/kg-TCS；
STC转化率为20％以上；
缺点
 反应温度高、电耗高，单耗指标为≤2.2～3kWh/kg-TCS；
加热片为易耗材料，运行费用较高，有碳污染的可能性。

 气固反应，操作压力较高，对设备的密封要求很高，维修工作量大；操作系统较复杂，；氢化反应加入硅粉，有硼磷及金属杂质带入，提纯工作量大，增加精馏提纯费用（如蒸汽、电力、冷却水等消耗）；需硅粉干燥及输送系统；
需加入催化剂。
综上比较，二者各有优缺点，但低温高压冷氢化工艺耗电量低，在节能减排、降低成本方面具有一定的优势。国内多晶硅新建及改、扩建单位可以根据项目的具体情况、自身的优势及喜好，择优选定。
冷氢化主要反应式如下：
Si+ 2H2 + 3SiCl4 < 催化剂 > 4SiHCl3 （主反应）
SiCl4+Si+2H2 = 2SiH2Cl2 （副反应）
2SiHCl3 = SiCl4+SiH2Cl2 （副反应）
典型的冷氢化装置组成如下：

【专题研讨】冷氢化技术综述（上）
一个完整的冷氢化系统大致包括以下6大部分：
1、技术经济指标：包括，1）金属硅、催化剂、补充氢气、STC、电力的消耗，2）产品质量指标，3）STC转化率，4）公用工程（氮气、冷却水、冷媒、蒸汽及导热油）；
2、主装置：包括，1）流化床反应器、2）急冷淋洗器，3）淋洗残液的处理系统，4)气提，5）加热及换热装置；
3、原料系统：包括，1）硅粉输送，2）催化剂选用及制备，3）原料气体的加热装置；
4、粗分离系统：包括，1）脱轻，2）脱重，3）TCS分离；
5、热能回收系统，包括：1）流化床出口氢化气的热量回收，2）急冷塔出口淋洗气的热能回收，氯硅烷物流热量综合利用；热能回收系统，包括：1）流化床出口氢化气的热量回收，2）急冷塔出口淋洗气的热能回收；
6、物料处置及回收系统：包括，1）淋洗残液中的氯硅烷回收，2）脱重塔残液中的氯硅烷回收，3）轻组分中的氯硅烷回收，4）固废处理，5）氯硅烷废液处理。

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