[发明专利]三氯氢硅尾气回收装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工分离过程技术领域，特别涉及三氯氢硅生产工艺过程中的尾气回收。该技术同样适用于四氯化硅、有机硅、多晶硅等有类似尾气组成的工艺过程。

背景技术

三氯氢硅(TCS)的生产过程大多以冶金级金属硅粉为原料，在一定的反应温度下，于流化床反应器中与氯化氢气体反应而得，反应压力多数为微正压，少数采用正压。随反应条件不同，合成反应产物组成略有差别，基本为三氯氢硅80～92％，四氯化硅(STC)8～20％。杂质有少量二氯二氢硅(DCS)、氯化氢等轻组分和少量重组分。流化床反应器出来的合成气体经过旋风分离、重力沉降、干/湿法除尘、冷却、冷凝等工序得到粗品，再通过精馏(常压或者加压、连续或间歇)得到产品TCS和副产品STC。

受合成反应条件要求、公用工程等级、能量消耗大小等多方面因素限制和影响，TCS生产工艺过程中会产生大量尾气，据多年行业工作经验及TCS生产装置的运行参数估算，尾气量约为10％～15％(以产品TCS量为计算基准，依不同公用工程条件、不同工艺流程安排等略有差异)，尾气中主要组分为氢气、氯化氢和少量未冷凝的氯硅烷。

尾气回收处理及再利用在TCS项目经济性、环境保护方面意义重大。最初的TCS生产工艺过程中，尾气处理多数采用水洗塔水洗的方式。利用氯化氢极易溶于水的性质，用水吸收的方法把尾气中的氯化氢吸收掉，副产盐酸；利用氯硅烷与水剧烈反应的特性，将尾气中的氯硅烷(主要为TCS，含有少量的STC和DCS)水解掉，剩余氢气直接放空的“粗犷式”的简单处理方法。水洗塔水洗法的优点是设备简单、投资少、流程短、控制容易、能量消耗较低。但缺点同样明显，主要包括：(1)大量氢气排空，浪费资源，项目经济性降低；(2)从氢气和氯气经氯化氢合成炉合成而来的氯化氢气体用水吸收，不仅消耗大量的宝贵水资源，且吸收后只能副产低浓度、低价值的废盐酸，由于废酸中存在较多杂质，销路和应用都大幅受限，另外，因盐酸具有强腐蚀性、易挥发性，使设备和管路腐蚀严重；(3)氯硅烷作为尾气中最有价值的组分，在水吸收塔中被水解。不仅造成资源的浪费，同时还严重污染环境，并导致产品收率降低和生产成本增加。水解过程产生大量二氧化硅固体废物，固废的存在，使工作环境恶化、劳动强度增大，还会引起诸如清理麻烦、污染废盐酸品质、水洗塔和相关管线容易堵塞等一系列问题；(4)氯化氢气体的水吸收和氯硅烷水解过程大量放热，使水洗塔系统不但要耐强腐蚀、抗堵塞，同时还需要能够在较高温度下稳定运行。对吸收塔、循环泵、喷淋装置等材质选型和设备设计提出了更高要求。

近几年来，TCS生产工艺过程中尾气回收和再利用的问题已经引起国内外广泛重视。国内多数生产厂家，采用变压吸附法对尾气进行回收处理。优点是可以把氢气和氯化氢气体几乎完全分离，分别返回前段工序循环使用。缺点是设备投资大、运行成本高。吸附剂大多选用活性碳纤维、硅胶、活性氧化铝等，存在价格较高、吸附容量较低等问题。在运行过程中吸附剂需要频繁再生，再生过程能耗较大。另外，吸附剂长期在低温吸附和高温再生之间交替工作，吸附剂的使用寿命将受到影响。

中国专利(申请号：200920243959.2，公开号：CN201587864U)报道，将TCS生产过程中的工艺尾气，大致组成为氢气70～80％，氯化氢15～25％，氮气3～5％，氧气0.4～1％，TCS～0.5％，经过压缩机加压到0.6～0.8MPa后，直接用-35℃的冷冻盐水作为冷媒，用双级冷凝器冷凝，回收其中的部分三氯氢硅后，残余尾气直接返回氯化氢合成炉燃烧的方法。该方法工艺简单，但TCS回收率低。回收后尾气中组分复杂，返回氯化氢合成炉有一定危险性。

中国专利(申请号：201020701275.5，公开号：CN201949776U)报道，将TCS生产过程中的工艺尾气，经过压缩机加压到0.6～0.8MPa，采用变压吸附进行回收的方法。该方法的优点是几乎可以做到将氢气和氯化氢完全分离，并分别返回前段的氯化氢合成炉和TCS合成炉。但缺点是设备投资较大、能量消耗较高。

发明内容

针对现有工艺中存在的尾气回收不彻底、设备投资大、能量消耗高等问题，本发明创造性地提出了采用吸收-解吸工艺流程，回收TCS生产过程中尾气。本发明实现了氯硅烷的完全分离，回收后的尾气组分为氢气和氯化氢，可安全返回氯化氢合成炉。和现有的以变压吸附方法为主流的TCS尾气回收处理工艺相比，本发明具有工艺过程简单、设备投资小、能量消耗低等综合优势。

本发明专利的技术方案如下：