影響活性炭吸附塔吸附效果的因素分析

摘要：通過介紹干法尾氣回收工藝流程、活性炭吸附塔的吸附原理，并分析影響活性炭吸附塔吸附效果的因素，并得出結論。

改良西門子法多晶硅生產中干法尾氣回收的主要作用是將還原尾氣中的氯硅烷、氫氣、氯化氫進行分離回收，回收后的氫氣直接進入還原爐，用于還原三氯氫硅生成多晶硅，因此回收氫氣的質量與產量決定多晶硅的質量與產量。目前行業中多采用活性炭吸附的方法進行氫氣凈化，活性炭吸附塔的吸附效果和處理能力也就成為了影響多晶硅質量與產量的關鍵因素。

1、干法尾回收工藝流程

干法尾氣回收系統有四級冷凝、壓縮、吸收、解析、吸附、再生氣回收等單元操作。四級冷凝將還原尾氣中大量的氯硅烷冷凝成液體被分離，回收的液體將用泵送入解析塔以解析出HCl。壓縮將經過四級冷卻的氣體由0.35MPa提壓至1.2Mpa。然后進入吸收塔用-40℃的氯硅烷液體吸收HCl，大約99.8%的HCl被吸收，吸收HCl的液體和四級冷卻出的液體在解析塔中蒸餾出HCl，大約99.9%回收的HCl從解析塔的頂部以-40℃液體形態流出。塔底氯硅烷進入精餾分離出TCS進入還原爐再使用。經過吸收塔噴淋后的氫氣，還含有氯化氫、二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅以及硼和磷等物質，通過活性炭吸附凈化后進入還原爐回收利用。流程圖見圖1：

2、活性炭吸附塔的吸附原理

活性炭是一種多孔性的含炭物質，它具有高度發達的孔隙構造，活性炭的多孔結構為其提供了大量的表面積，能與氣體（雜質）充分接觸，從而賦予了活性炭所特有的吸附性能，使其非常容易達到吸收收集雜質的目的。就像磁力一樣，所有的分子之間都具有相互引力。正因為如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以產生強大的引力，從而達到將有害的雜質吸引到孔徑中的目的。

多晶硅生產中，活性炭吸附塔利用了活性炭的物理吸附原理，將氫氣中氯化氫、氯硅烷及少量的雜質吸附至活性炭的微孔內，已達到除雜的目的。并且這種吸附是完全可逆的，雜質從活性炭微孔內脫附出來的過程，稱為再生過程。吸附塔在高壓常溫下吸附，在常壓高溫下完成脫附再生，三個吸附柱交替進行上述過程，完成一個吸附周期，實現氫氣的連續純化，得到滿足要求的氫氣。

3、活性炭吸附塔的影響因素

活性炭在使用一定的時間后，需要進行加熱再生，將吸附的物料脫附出來，并用干凈的氫氣吹掃帶出。此過程需要在規定的時間周期內完成，同樣活性炭吸附塔也需在規定的時間內被加熱到再生所需溫度。通過活性炭吸附塔氫氣量越大，帶入氯化氫、氯硅烷物料多，脫附時所需熱量越多，活性炭吸附塔的升溫越慢，在規定的時間內難以達到再生的溫度，影響再生效果。再生效果不佳，直接影響吸附塔的吸附效果及處理能力。影響再生溫度的因素如下：

（1）活性炭傳熱系數影響

活性炭因廠家、型號不同而存在差異，其導熱系數一般介于0.17-0.28W/m·k之間，傳熱性能差，致使再生時熱介質所提供的熱量不能被充分吸收，加熱速率較慢。采購時，盡可能選擇質量好、性能優的活性炭，根據處理量計算出對應的活性炭裝填量，并適當放余量。

（2）活性炭吸附塔設計換熱面積不足

吸附塔設計中換熱面積不足，影響再生時的加熱溫度，進而影響再生效果；主要表現在熱介質溫度足夠高，而其進出吸附柱的溫差較小時。總結分析生產數據發現（見圖一、圖二），可以通過一定范圍內提高熱介質的溫度和流量來適當彌補換熱面積不足的問題。

吸附塔處理的氫氣量為15000Nm³/h，熱介質對應溫度為180℃的前提下，熱介質流量變化與達到再生溫度所需時間的對照圖如圖2：

吸附塔處理的氫氣量為15000Nm³/h，熱介質對應流量為60m³/h的前提下，熱介質溫度變化與達到再生溫度所需時間的對照圖如下：

（3）前端吸收塔吸收液組分的影響

氫氣中夾帶的氯化氫、氯硅烷主要被吸附柱在吸附柱下部，再生脫附時需要吸收大量的熱量，脫附吸熱基本上等同于汽化熱，遠遠大于比熱（見表1）。再生過程中氯硅烷脫附所需熱量遠大于溫升所需熱量。

表1 氯硅烷種介質比熱和汽化熱值

生產證明，活性炭吸附柱處理還原尾氣的能力遠遠小于處理氫化尾氣的量。主要原因在于，氫化尾氣處理系統中，氫氣進入活性炭吸附柱前，在吸收塔用氯硅烷進行噴淋時，氯硅烷中的四氯化硅含量居高，揮發度小，氫氣中夾帶進入活性炭吸附塔的氯硅烷質量也相應較小，活性炭再生時易加熱，再生充分，處理能力也較大。而處理還原尾氣時，吸收塔的氯硅烷噴淋液中三氯氫硅、二氯二氫硅比重大，氫氣中夾帶多，造成活性炭再生時加熱速率慢，在規定的時間內難以完成再生過程，為保證氫氣吸附效果，只能降吸附塔的處理量，造成處理能力降低。通過生產發現，還原尾氣吸附塔中氫氣夾帶氯硅烷的量較氫化尾氣高百分之六十，而對應吸附塔的處理能力較氫化尾氣下降百分之四十。

4、活性炭吸附塔超負荷運行對產品質量的影響

查找文獻發現，當吸附柱長期處于飽和狀態下工作時，會使吸附柱的吸附能力降低，致使HCl對活性碳中的一些有害雜質，如磷、硼、碳等元素析出，并通過氫氣一并帶入還原生產系統中。同時通過生產數據分析證明，活性炭吸附塔的負荷較小，處理量在滿負荷的百分之八十以下時，氫氣處理量與多晶硅產品中的雜質含量是沒有相關性的；當活性炭吸附塔處理量過大，影響再生效果時，氫氣處理量與多晶硅產品中的雜質呈現明顯相關性。進一步證明活性炭吸附塔有吸附氫氣中雜質的能力，超負荷運行直接影響多晶硅產品質量。

5、結語

活性炭采購時，選擇合適廠家及型號的活性炭，確保吸附性能；活性炭吸附塔在設計階段，為保證再生效果，應考慮適當增加活性炭吸附塔換熱面積，提高熱介質溫度；尾氣回收中，在吸收塔噴淋環節進量降低吸收液中的輕組分雜質含量，較少吸附塔氯硅烷的帶入量；當還原尾氣中的氫氣處理氣量過大時，應增加吸附裝置，避免影響多晶硅產品質量。