多晶硅冷氫化系統(tǒng)中重金屬雜質(zhì)的影響及去除

李小龍 張?zhí)煜?馮茹濤

新特能源股份有限公司 新疆烏魯木齊 831408

1 使用冷氫化系統(tǒng)作業(yè)的主要步驟

冷氫化技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)用到SiCl4、Si粉以及H2，并且還要將溫度控制在500-550攝氏度之間、壓力控制在2-3MPa（G）之前，在催化劑的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。此實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過(guò)程中，硅粉會(huì)呈現(xiàn)出一種沸騰的感覺(jué)，并且會(huì)有SiHCl3以及SiHCl3等物質(zhì)產(chǎn)生。在內(nèi)置旋風(fēng)分離器的作用下，會(huì)將主反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體進(jìn)行過(guò)濾，達(dá)到去除Si粉的作用，隨后再經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)過(guò)濾出氯硅烷液體物質(zhì)，此時(shí)會(huì)有產(chǎn)生的氣體進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行在此使用，并會(huì)在粗餾系統(tǒng)作用下將沒(méi)能參與反應(yīng)的SiCl4粗品進(jìn)行循環(huán)再使用，SiHCl3粗品經(jīng)過(guò)加工產(chǎn)生精品，在此過(guò)程中需要及時(shí)對(duì)廢渣液進(jìn)行清理，至此，整個(gè)作業(yè)流程結(jié)束，其中所涉及到的主要方程式包括以下三個(gè)：首先，主反應(yīng)所涉及到的方程式為Si+2H2+3SiCl4=4SiHCl3；其次，副反應(yīng)涉及到的方程式有SiCl4+Si+2H2=2SiH2Cl2、2SiHCl3=SiCl4+SiH2Cl2兩種，整個(gè)作業(yè)流程圖如下：

2 在使用冷氫化技術(shù)時(shí)產(chǎn)生雜質(zhì)的主要原因以及對(duì)整體的影響

2.1 在使用冷氫化技術(shù)時(shí)產(chǎn)生雜質(zhì)的主要原因

由于Si粉在進(jìn)行反應(yīng)時(shí)會(huì)將所含的金屬物質(zhì)分離出來(lái)，倘若這些雜質(zhì)不能及時(shí)排出，便會(huì)使得整個(gè)流程中產(chǎn)生金屬氯化物，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)沉淀，對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)的工作產(chǎn)生影響[1]。

2.2 在使用冷氫化技術(shù)時(shí)產(chǎn)生雜質(zhì)對(duì)整體的影響

倘若SiCl4粗品在進(jìn)行循環(huán)使用時(shí)未能及時(shí)將殘留物質(zhì)排除，其中反應(yīng)所產(chǎn)生的金屬氯化物便會(huì)一直在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，又因?yàn)榻饘俾然锝?jīng)過(guò)一系列反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)晶體，當(dāng)數(shù)量達(dá)到極限時(shí)便會(huì)使管道出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)查主要記錄到以下幾種現(xiàn)象：

第一，致使反應(yīng)器分布板出現(xiàn)堵塞。當(dāng)含有少量Si粉的SiCl4與金屬氯化物發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)有氣體產(chǎn)生，并會(huì)通過(guò)分布板進(jìn)行輸送，最后達(dá)到反應(yīng)器內(nèi)，此時(shí)倘若氣體的速度達(dá)到某種程度后，分布板中心所能承受的風(fēng)速會(huì)與邊緣傳遞的風(fēng)速產(chǎn)生的差值基本不變，再加上泡罩式風(fēng)帽結(jié)構(gòu)作用的約束，使得整體的流通速度要低于直噴式流通速度，這時(shí)上述反應(yīng)所產(chǎn)生的雜志便會(huì)在進(jìn)口處產(chǎn)生堆積，不利于氣體的流通，最后出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致分布板的壓差值增加。長(zhǎng)此以往，便會(huì)對(duì)分布板造成破壞，還有出現(xiàn)爐壁穿孔的可能，對(duì)生產(chǎn)員工的生命安全造成隱患。

第二，對(duì)換熱器的作業(yè)效率產(chǎn)生影響。由于在使用冷氫化技術(shù)時(shí)需要有SiCl4氣體參與反應(yīng)，在反應(yīng)器的作用下進(jìn)行反應(yīng)，最后會(huì)將液態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，當(dāng)SiCl4氣體完成反應(yīng)后會(huì)將產(chǎn)生的雜質(zhì)附著在換熱器中，會(huì)迫使冷氫化系統(tǒng)停止作業(yè)，對(duì)后續(xù)工作的帶來(lái)不便。

第三，對(duì)過(guò)濾器的正常運(yùn)行造成影響。當(dāng)氣體進(jìn)入到系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，所產(chǎn)生的液態(tài)混合氯硅烷會(huì)有一部分繼續(xù)循環(huán)到淋洗器開(kāi)展作業(yè)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)濾器堵塞的現(xiàn)象，整個(gè)清理過(guò)程是十分復(fù)雜的，并且所排出的雜質(zhì)中含有危險(xiǎn)物質(zhì)，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境造成很大的威脅。

3 在使用冷氫化技術(shù)時(shí)去除重金屬物質(zhì)的主要策略

3.1 加大對(duì)循環(huán)使用物料的處理力度

由于在使用冷氫化技術(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的殘液，此過(guò)程需要在螺旋的作用下對(duì)循環(huán)物質(zhì)進(jìn)行處理，確保所有殘液均能夠經(jīng)過(guò)充分處理，最大限度地將金屬氯化物以及Si粉進(jìn)行去除，并且要對(duì)提取到精制的氯硅烷物質(zhì)，并對(duì)重要物質(zhì)進(jìn)行淋洗，確保所搜集物質(zhì)的純凈度。

3.2 加大對(duì)除重塔內(nèi)回流量的控制力度

由于在使用冷氫化技術(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)回流量不足的現(xiàn)象，這便會(huì)在一定程度上阻礙清除氯化物效率，因此，生產(chǎn)人員需要合理應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，確保回流量能夠提高到某一數(shù)值，保證工作效率。

3.3 對(duì)所分離的物質(zhì)進(jìn)行提純處理

此過(guò)程需要加大對(duì)高純度氯硅烷的搜集，在完成搜集工作后重新進(jìn)行排放，能夠有效解決堵塞的問(wèn)題，減少系統(tǒng)內(nèi)重金屬雜質(zhì)的存留。

4 所達(dá)成的優(yōu)化效果

（1）通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)行優(yōu)化后金屬氯化物的數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于優(yōu)化前，有著十分顯著的效果，具體內(nèi)容如下：

管內(nèi)所含有的金屬雜質(zhì)：鋁，優(yōu)化前含量2850×10-9，優(yōu)化后含量600×-9。

鐵，優(yōu)化前含量56×-9，優(yōu)化后含量10×-9。

鈣，優(yōu)化前含量10×-9，優(yōu)化后含量2×-9。

在保證所有物質(zhì)用量以及環(huán)境因素相同的前提下，對(duì)管內(nèi)所含有的金屬雜質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，其中優(yōu)化后的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于優(yōu)化前，能夠有效去除管內(nèi)一些雜質(zhì)。

（2）在解決完堵塞問(wèn)題后，對(duì)設(shè)備能夠運(yùn)行時(shí)間以及分布板壓差進(jìn)行了記錄，主要數(shù)據(jù)如下：優(yōu)化前，運(yùn)行時(shí)間三個(gè)月，分布板壓差70kPa；優(yōu)化后，運(yùn)行時(shí)間8個(gè)月，分布板壓差30kPa。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的論述可以發(fā)現(xiàn)，制定完善的優(yōu)化方案能夠有效處理金屬氯化物留存的問(wèn)題，并且能夠有效解決設(shè)備堵塞問(wèn)題，提高效率，值得推廣，進(jìn)而能夠確保整個(gè)技術(shù)能夠穩(wěn)定、安全工作，推動(dòng)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展，為提高多晶硅的純度提供了幫助。