光伏多晶硅成本利器——冷氢化生产工艺讨论（中）

四、冷氢化工艺分析：
 

（一）、物料供应系统：
 

1、硅粉和催化剂供应：一般的工业硅粉都含有一定的水分，因此在使用前都必须进行烘干。在传统的TCS合成工艺中，一般采用加热N2来进行烘干处理。但考虑到冷氢化需要使用铜基或镍基的催化剂，为了确保催化剂活性，所以基本上采用加热H2来对硅粉进行干燥，并起到进一步活化的作用。干燥后的硅粉与催化剂在硅粉中间仓内混合均匀，然后进入硅粉供应仓。为了保证硅粉的安全、持续加料，一般硅粉供应仓设置为两个，其中一个供应仓先装满混合均匀的硅粉和催化剂，在使用过程中由H2加压均匀送入氢化反应器中。另一个供应仓此时由硅粉中间仓补充硅粉和催化剂，等待下一步交替送料。在这一生产步骤中由于物料均为干燥的粉料，因此除了需要计量配比准确外，并无大的问题。
 

2、H2供应：这个生产步骤相对比较简单，回收的H2或是来自电解的H2经过氢压机加压至15～30kg后进入H2缓冲罐，然后再通过电加热器进行汽化。在这里需要注意的是冷氢化系统回收H2的使用。因为在冷氢化生产系统中一般没有专门的HCL吸附解析系统，因此其回收H2含有一定量的HCL。如果将此回收H2与还原回收的H2或是电解的H2混合经过氢压机压缩，则压缩后的HCL会成为液体，需要与H2分离后单独由电加热器进行加热汽化。如果企业已经有TCS合成系统，建议将此冷氢化回收H2压缩后与HCL进行简单的分离，然后将回收的HCL送入TCS合成炉内单独使用。这样的好处是可以使氢化反应器内的物料种类相应减少，便于生产控制。
 

3、STC供应：从STC储槽来的洁净STC经过屏蔽泵加压至15～30kg，然后进入STC换热器与反应尾气进行换热，起到初步的预热作用。然后经过预热的STC通过STC加热器进行进一步加热，一般到这一步骤时STC已基本全部汽化。加热的媒质通常为蒸汽或是导热油，由于导热油可以加热至300℃左右，所以一般使用导热油居多。由于氢化反应器中的物料反应温度在500℃以上，因此进入反应器的物料温度需在500℃左右，此时需要再通过电加热器进行加热，以满足进料工艺温度要求。汽化后的STC和H2按照一定的摩尔比例进行混合，通过氢化反应器底部进入氢化反应器中。在这一步骤中需要关注的是STC的汽化程度和STC物料的干净程度。如果STC汽化效果不理想，那么就很有可能出现气体夹液现象，这样直接导致的结果就是STC液体会与反应器中的硅粉和催化剂结块，从而堵塞旋风分离器、冷凝器和相应管线。如果STC物料处理的不干净，也会堵塞冷凝器、加热器及氢化反应器底部的气体分布器等设备或部件。

（二）、氢化反应器系统：主要包括氢化反应器和湿法洗涤两个部分。
 

1、氢化反应器：一般的氢化反应器主要包括反应器本体、底部气体分布盘、旋风分离器、硅粉进料口及电加热器等部件。
 

A、反应器本体：由于冷氢化反应器的工作条件要求非常高，既要耐高压，还要耐高温、耐腐蚀，因此对其设备材质要求非常苛刻。为了满足这种工艺条件要求，目前业内普遍采用Incoloy 800H作为氢化反应器的设备材料。Incoloy 800H材质的化学成份如下表所示：
 

由于Incoloy 800H大直径的管材市场上很少供应，且非常昂贵，而板材且在焊接和热处理方面难度比较大，所以通常情况下采用棒材掏心的方法来加工氢化反应器筒体。这种方法在一定程度上解决了Incoloy 800H的焊接难题，但是存在材料浪费比较大，且筒体壁厚无法保证均匀等问题。

为了解决这种加工缺陷，现在已经出现了一种采用特种铸造方式来加工氢化反应器筒体的加工工艺。这种加工工艺可以根据设计要求加工出任意直径的Incoloy 800H筒体，且保证筒体壁厚均匀，可实现同轴心的一体式筒体变径，对于原材料浪费极少。这种加工工艺的出现在很大程度上降低了氢化反应器的制造成本。

B、底部气体分布盘：氢化反应器底部分布盘的主要作用就是将STC和H2在反应器内分布均匀，以利于物料充分接触，使反应能够更加充分。一般底部气体分布盘有两层，最低下一层相当于喷嘴，上一层相当于一个均布器。

C、旋风分离器：又叫做旋风除尘器，主要是除去反应尾气中的硅粉和催化剂，其结构与化工行业的常用旋风分离器基本相同。按照目前的常用设计，旋风分离器分为内旋风分离器、上旋风分离器和外旋风分离器三种，这三种形式各有特点。
 

内旋风分离器位于氢化反应器的内部上端，其好处在于其位于氢化反应器内，与氢化反应器成为一体，热损较小，硅粉和催化剂回收率高，回收的硅粉和催化剂可直接在反应器内继续参与反应，其缺点就是检修及部件更换操作不便，且受反应器空间影响，处理能力有限，因此对于处理量比较大的反应器而言不太适合。
 

上旋风分离器位于氢化反应器顶部，与反应器直接相连，也可看为一体。其好处在于回收的硅粉和催化剂可直接在反应器内继续参与反应，检修及部件更换操作比较方便，同样其受反应器影响，处理能力受到现在，因此一般用于中型的氢化发反应器。
 

外旋风分离器与氢化反应器通过管道相连，基本是一个独立的处理设备。其好处除了检修及部件更换方便以外，还可以不受氢化反应器限制，可以根据生产要求同时并联几套设备，因此无论是处理能力还是处理效果，都得到了有效的提升，因此对于大型的氢化反应器其比较适合。但其缺点是收集的硅粉和催化剂需专门回收处理。

D、硅粉进料口：按照通常的氢化反应器设计，硅粉有三个进料位置，即顶部，中部和底部，同样这三种进料方式各有特点。
 

顶部进料是在氢化反应器顶部设计有一根深入反应器内部的硅粉下料管道，硅粉和催化剂基本上是依据自身重量加入反应器内，这样在一定程度上就减少了对气体输送的依赖。但是由于加料位置与反应器出口比较紧，因此，硅粉和催化剂损失比较大，在一定程度上增加了旋风分离器的处理负荷。
 

底部进料是指硅粉和催化剂从氢化反应器底部进入，依靠H2、STC、HCL的气体吹入反应区域。这种进料方式有利于硅粉和催化剂的充分反应，单对气体输送要求比较高。

中部进料是一种比较常见的反应器进料方式，在氢化反应器中部硅粉和催化剂通过H2加压和自身重力作用进入反应器内。其优缺点介于上述两种方式之间。

E、电加热器：由于冷氢化的主要反应是STC转化为TCS，这是一个吸热反应。因此，单纯依靠物料的预热来满足反应温度会存在一定的风险，因此，一些氢化反应器的设计在底部会增加一个电加热器，以满足工艺所需的反应条件。

（三）、湿法洗涤：湿法洗涤相对比较简单，就是在洗涤塔内通过液体氯硅烷喷洒反应尾气，进一步除去尾气中的固体杂质，防止堵塞后续冷凝器等设备。

冷凝分离系统：在本设计中包括热交换器、两级冷凝器和一个气液分离器。
 

A、 热交换器：洗涤后的反应尾气在列管式热交换器中STC进行换热，这样就可以起到对STC进行预热的作用，同时降低反应尾气的温度。
 

B、 一级冷凝器：依据反应温度的控制，使用冷却水或是冷冻盐水在此设备内对反应尾气进行进一步的冷却。
 

C、 二级冷凝器：使用冷冻液在此设备内对反应尾气进行更深的冷却，以使反应尾气中的氯硅烷全部变成液体。
 

D、气液分离器：在此设备内，液体氯硅烷与H2及HCL气体进行分离，氯硅烷从底部进入氯硅烷中间槽，H2和HCL从顶部进入回收系统。

（四）、精馏系统：包括汽提、TCS粗馏和TCS精馏三个部分。
 

A、 汽提：液体氯硅烷在此通过再沸器加热变为气体，以便在此对液体中的固体杂质进行分离，从而获得更加干净的氯硅烷。
 

B、 TCS粗馏：TCS粗馏由一级精馏塔组成，包含精馏塔，再沸器和冷凝器，其作用主要是分离STC、TCS及DCS。STC塔底排放至STC储槽，TCS和DCS从塔顶排出，经过冷凝器冷凝后TCS变为液体，一部分回流至塔内，剩余部分进入下一级精馏系统。DCS此时大部分仍未气体，从冷凝器顶部排出，至废气储罐。
 

C、 TCS精馏：TCS精馏有两级精馏塔组成，主要是除去TCS总的金属氯化物，即经常所说的轻重组分杂质。一般而言，TCS精馏一级塔是去除TCS中的重组分，重组分从塔底排出，二级塔是去除TCS中的轻组分，轻组分是从塔顶冷凝器排出。经过两级精馏之后的TCS则为纯净的TCS，生产上一般称为精制三氯氢硅。