影响活性炭吸附塔吸附效果的因素分析

摘要：通过介绍干法尾气回收工艺流程、活性炭吸附塔的吸附原理，并分析影响活性炭吸附塔吸附效果的因素，并得出结论。

改良西门子法多晶硅生产中干法尾气回收的主要作用是将还原尾气中的氯硅烷、氢气、氯化氢进行分离回收，回收后的氢气直接进入还原炉，用于还原三氯氢硅生成多晶硅，因此回收氢气的质量与产量决定多晶硅的质量与产量。目前行业中多采用活性炭吸附的方法进行氢气净化，活性炭吸附塔的吸附效果和处理能力也就成为了影响多晶硅质量与产量的关键因素。

1、干法尾回收工艺流程

干法尾气回收系统有四级冷凝、压缩、吸收、解析、吸附、再生气回收等单元操作。四级冷凝将还原尾气中大量的氯硅烷冷凝成液体被分离，回收的液体将用泵送入解析塔以解析出HCl。压缩将经过四级冷却的气体由0.35MPa提压至1.2Mpa。然后进入吸收塔用-40℃的氯硅烷液体吸收HCl，大约99.8%的HCl被吸收，吸收HCl的液体和四级冷却出的液体在解析塔中蒸馏出HCl，大约99.9%回收的HCl从解析塔的顶部以-40℃液体形态流出。塔底氯硅烷进入精馏分离出TCS进入还原炉再使用。经过吸收塔喷淋后的氢气，还含有氯化氢、二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅以及硼和磷等物质，通过活性炭吸附净化后进入还原炉回收利用。流程图见图1：

2、活性炭吸附塔的吸附原理

活性炭是一种多孔性的含炭物质，它具有高度发达的孔隙构造，活性炭的多孔结构为其提供了大量的表面积，能与气体（杂质）充分接触，从而赋予了活性炭所特有的吸附性能，使其非常容易达到吸收收集杂质的目的。就像磁力一样，所有的分子之间都具有相互引力。正因为如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以产生强大的引力，从而达到将有害的杂质吸引到孔径中的目的。

多晶硅生产中，活性炭吸附塔利用了活性炭的物理吸附原理，将氢气中氯化氢、氯硅烷及少量的杂质吸附至活性炭的微孔内，已达到除杂的目的。并且这种吸附是完全可逆的，杂质从活性炭微孔内脱附出来的过程，称为再生过程。吸附塔在高压常温下吸附，在常压高温下完成脱附再生，三个吸附柱交替进行上述过程，完成一个吸附周期，实现氢气的连续纯化，得到满足要求的氢气。

3、活性炭吸附塔的影响因素

活性炭在使用一定的时间后，需要进行加热再生，将吸附的物料脱附出来，并用干净的氢气吹扫带出。此过程需要在规定的时间周期内完成，同样活性炭吸附塔也需在规定的时间内被加热到再生所需温度。通过活性炭吸附塔氢气量越大，带入氯化氢、氯硅烷物料多，脱附时所需热量越多，活性炭吸附塔的升温越慢，在规定的时间内难以达到再生的温度，影响再生效果。再生效果不佳，直接影响吸附塔的吸附效果及处理能力。影响再生温度的因素如下：

（1）活性炭传热系数影响

活性炭因厂家、型号不同而存在差异，其导热系数一般介于0.17-0.28W/m·k之间，传热性能差，致使再生时热介质所提供的热量不能被充分吸收，加热速率较慢。采购时，尽可能选择质量好、性能优的活性炭，根据处理量计算出对应的活性炭装填量，并适当放余量。

（2）活性炭吸附塔设计换热面积不足

吸附塔设计中换热面积不足，影响再生时的加热温度，进而影响再生效果；主要表现在热介质温度足够高，而其进出吸附柱的温差较小时。总结分析生产数据发现（见图一、图二），可以通过一定范围内提高热介质的温度和流量来适当弥补换热面积不足的问题。

吸附塔处理的氢气量为15000Nm³/h，热介质对应温度为180℃的前提下，热介质流量变化与达到再生温度所需时间的对照图如图2：

吸附塔处理的氢气量为15000Nm³/h，热介质对应流量为60m³/h的前提下，热介质温度变化与达到再生温度所需时间的对照图如下：

（3）前端吸收塔吸收液组分的影响

氢气中夹带的氯化氢、氯硅烷主要被吸附柱在吸附柱下部，再生脱附时需要吸收大量的热量，脱附吸热基本上等同于汽化热，远远大于比热（见表1）。再生过程中氯硅烷脱附所需热量远大于温升所需热量。

表1 氯硅烷种介质比热和汽化热值

生产证明，活性炭吸附柱处理还原尾气的能力远远小于处理氢化尾气的量。主要原因在于，氢化尾气处理系统中，氢气进入活性炭吸附柱前，在吸收塔用氯硅烷进行喷淋时，氯硅烷中的四氯化硅含量居高，挥发度小，氢气中夹带进入活性炭吸附塔的氯硅烷质量也相应较小，活性炭再生时易加热，再生充分，处理能力也较大。而处理还原尾气时，吸收塔的氯硅烷喷淋液中三氯氢硅、二氯二氢硅比重大，氢气中夹带多，造成活性炭再生时加热速率慢，在规定的时间内难以完成再生过程，为保证氢气吸附效果，只能降吸附塔的处理量，造成处理能力降低。通过生产发现，还原尾气吸附塔中氢气夹带氯硅烷的量较氢化尾气高百分之六十，而对应吸附塔的处理能力较氢化尾气下降百分之四十。

4、活性炭吸附塔超负荷运行对产品质量的影响

查找文献发现，当吸附柱长期处于饱和状态下工作时，会使吸附柱的吸附能力降低，致使HCl对活性碳中的一些有害杂质，如磷、硼、碳等元素析出，并通过氢气一并带入还原生产系统中。同时通过生产数据分析证明，活性炭吸附塔的负荷较小，处理量在满负荷的百分之八十以下时，氢气处理量与多晶硅产品中的杂质含量是没有相关性的；当活性炭吸附塔处理量过大，影响再生效果时，氢气处理量与多晶硅产品中的杂质呈现明显相关性。进一步证明活性炭吸附塔有吸附氢气中杂质的能力，超负荷运行直接影响多晶硅产品质量。

5、结语

活性炭采购时，选择合适厂家及型号的活性炭，确保吸附性能；活性炭吸附塔在设计阶段，为保证再生效果，应考虑适当增加活性炭吸附塔换热面积，提高热介质温度；尾气回收中，在吸收塔喷淋环节进量降低吸收液中的轻组分杂质含量，较少吸附塔氯硅烷的带入量；当还原尾气中的氢气处理气量过大时，应增加吸附装置，避免影响多晶硅产品质量。