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冷氢化工艺简述

冷氢化技术综述

（上）

朱骏业岳菡张永良

20世纪70年代美国喷气推进实验室(JPL)在美国能源部的支持下组织研究新硅烷法工艺过程中，采用多晶硅工厂的副产物四氯化硅

（STC）作原料，将其转化为三氯氢硅（TCS），然后将三氯氢硅通过歧化反应生产硅烷。

80年代初，为得到低成本、高纯度的多晶硅，又进行了一系列的研究开发。其中高压低温氢化工艺（以下简称冷氢化）就是一项能耗最低、成本最小的STC转化为TCS的工艺技术。该工艺被UCC

（UnionCarbideCorporation）公司在80年代中后期进一步的完善，实现了从实验装置到工业化运行的跨越，目前REC在华盛顿州的多晶硅工厂所采用的此项工艺仍在运行中。因此，毋庸置疑，冷氢化技术的原创应当是UCC，目前流行的各类流化床冷氢化工艺只是在UCC的基础上“整容，而非变性”（易中天语）！

90年代，为了提高多晶硅产品纯度，满足电子工业对多晶硅质量的要求，开发了高温低压STC氢化工艺，这两种工艺的比较如下：

综上比较，二者各有优缺点，但低温高压冷氢化工艺耗电量低，在节能减排、降低成本方面具有一定的优势。国内多晶硅新建及改、扩建单位可以根据项目的具体情况、自身的优势及喜好，择优选定。

冷氢化主要反应式如下：

Si+2H2+3SiCl4催化剂4SiHCl3（主反应）SiCl4+Si+2H2=2SiH2Cl2（副反应）

2SiHCl3=SiCl4+SiH2Cl2（副反应）典型的冷氢化装置组成如下：

一个完整的冷氢化系统大致包括以下6大部分：

1、技术经济指标：包括，1）金属硅、催化剂、补充氢气、STC．电力的消耗，2）产品质量指标，3）STC转化率，4）公用工程（氮气、冷却水、冷媒、蒸汽及导热油）；

2、主装置：包括，1）流化床反应器、2）急冷淋洗器，3）淋洗残液的处理系统，4)气提，5）加热及换热装置；

3、原料系统：包括，1）硅粉输送，2）催化剂选用及制备，3）原料气体的加热装置；

4、粗分离系统：包括，1）脱轻，2）脱重，3）TCS分离；

5、热能回收系统，包括：1）流化床出口氢化气的热量回收，2）急冷塔出口淋洗气的热能回收，氯硅烷物流热量综合利用；热能回收系统，包括：1）流化床出口氢化气的热量回收，2）急冷塔出口淋洗气的热能回收；

6、物料处置及回收系统：包括，1）淋洗残液中的氯硅烷回收，2）脱重塔残液中的氯硅烷回收，3）轻组分中的氯硅烷回收，4）固废处理，5）氯硅烷废液处理。

冷氢化技术综述

（中）

上文说到，一个完整的冷氢化系统大致要考虑六个方面的因素，包括：技术经济指标、主装置、原料系统、粗分离系统、热能回收系统、物料处置及回收系统，现就这六个方面的因素作一些简单的点评：

1、技术经济指标：

技术经济指标是厂家最关心的基础数据，现在江湖上流传的这些数据有些乱，有的低得离谱，有的高得让人无法接受，根据目前掌握的各厂家运行数据来看：

金属硅消耗在0.056-0.061kg/kgTCS之间；氢气消耗在0.009-0.011kg/kgTCS之间；四氯化硅在0.9-1.0kg/kgTCS之间；

催化剂消耗在0.0002-0.0005kg/kgTCS之间；电力消耗在0.58-0.9度/kgTCS之间；

转化率在24%-28%之间；

还都算比较靠谱的数据，消耗太低了不现实，消耗高了就让人无法接受。

2、主装置：

主装置大致包括，1）流化床反应器、2）急冷淋洗器，3）淋洗残液的处理系统，4)气提，5）加热及换热装置。

关于用于冷氢化工艺的高压流化床反应器：

高压流化床反应器是冷氢化系统中最重要的核心设备，首先其恶劣的运行环境对材质要求较高，目前普遍采用美国SpecialMetals公司发明INCOLOY800系列具有耐高温强度、抗氧化及高温腐蚀性能的特种合金钢。

INCOLOY800系列合金钢一般化学成分如下：

由于800H可以对化学成分给予更加严格的限制（参见下表），可以接受特殊的订单，因此对于冷氢化的操作条件，800H更为合适：

800H的高温机械性能如下：

由于这种材料价格昂贵（20万左右/吨）、且交付周期较长，焊接难度大、热处理有特殊要求。因此流化床反应器的设计需要做一些特别的考虑。

首先要选择合适的操作压力和温度，目前国内在建和在运行的流化床反应器的操作压力在2.0-3.0MPa之间，一般认为四氯化硅的转化率和操作压力有重要的关联，但是有实验数据表明，当操作压力达到

2.8MPa以上时，对四氯化硅转化率的提高极为有限，但是压力的提高对材料及制造性能的要求却会大幅增加，甚至会影响设备整体