폴리실리콘의 공정 흐름 및 오염 발생 분석

폴리실리콘의 공정 흐름 및 오염물질 발생 분석

수소 준비 및 정제 공정

수소는 전해조에서 전기분해 담수화 방식으로 생산됩니다. 전기분해로 생성된 수소는 냉각 및 액체 분리 과정을 거친 후 탈기기로 들어가 촉매 작용 하에 수소 가스 내의 미량 산소가 수소 가스와 반응하여 물을 생성하고 제거됩니다. 탈산소화된 수소는 흡착 건조기를 통해 건조됩니다. 정제 및 건조된 수소 가스는 수소 저장 탱크로 보내진 후 염화수소 합성, 삼염화수소 및 수소화규소 환원, 사염화규소 수소화 공정에 투입됩니다.

전기분해로 생성된 산소는 냉각 및 액체 분리 과정을 거친 후 산소 저장 탱크로 보내집니다. 탱크에서 산소를 꺼내 병에 담으세요.

기체-액체 분리기에서 배출되는 폐흡착제, 수소 탈산기에서 배출되는 폐탈산 촉매, 그리고 건조기에서 배출되는 폐흡착제는 모두 공급업체에서 회수하여 재사용합니다.

염화수소 합성 공정

수소 준비 및 정제 공정에서 생성된 수소와 합성 가스의 건식 분리 공정에서 회수된 순환 수소는 각각 공정의 수소 완충 탱크로 유입되어 탱크 내에서 혼합됩니다. 수소 가스 완충 탱크의 수소 가스는 염화수소 합성로 하단의 연소 건으로 유입됩니다. 액체 염소 기화 공정에서 생성된 염소 가스 또한 염소 가스 완충 탱크를 거쳐 염화수소 합성로 하단의 연소 건으로 유입됩니다. 수소와 염소의 혼합 가스는 연소 건 출구에서 점화되어 연소 반응에 의해 염화수소 가스가 생성됩니다. 합성로에서 배출된 염화수소 가스는 공냉식 냉각기, 수냉식 냉각기, 심냉식 냉각기 및 안개 분리기를 거친 후 트리클로로실란 합성 공정으로 보내집니다.

안전을 확보하기 위해, 본 장치에는 염화수소 가스 흡수 시스템이 장착되어 있으며, 이 시스템은 주로 두 개의 염화수소 낙하막 흡수기, 두 개의 염산 순환 홈 및 염산 순환 펌프로 구성되어 있습니다. 이 시스템은 부하 조정 또는 장치의 비상 방전으로 인해 배출되는 염화수소 가스를 물을 이용하여 흡수할 수 있습니다. 시스템은 연속 작동을 유지하며 언제든지 장치에서 배출되는 염화수소 가스를 흡입하여 흡수할 수 있습니다.

안전을 확보하기 위해, 작업 절차에는 주로 배기가스 처리탑, 알칼리성 액체 순환 탱크, 알칼리성 액체 순환 펌프 및 알칼리성 액체 순환 냉각기로 구성된 염소 함유 폐가스 처리 시스템이 마련되어 있습니다. 필요에 따라 염소 완충 탱크와 배관에 저장된 염소를 폐가스 처리탑으로 보내 수산화나트륨 수용액으로 세척 및 제거할 수 있습니다. 폐가스 처리 시스템은 염소 함유 가스가 언제든지 유입되어 처리될 수 있도록 연속 운전 체제로 운영됩니다.

트리클로로실란 합성 공정

원료인 규소 분말은 규소 분말 배출 호퍼를 통해 규소 분말 수용 호퍼로 현탁되어 배출됩니다. 수용 호퍼에서 하부 중간 호퍼로 규소 분말이 이송되면, 호퍼 내부의 가스는 고온의 염화수소로 치환되어 하부 호퍼의 압력과 균형을 이루도록 가압되고, 규소 분말은 하부 규소 분말 공급 호퍼로 이송됩니다. 공급 호퍼에 있는 규소 분말은 공급 호퍼 하단에 설치된 스타 피더를 통해 트리클로로실란 합성로의 공급 파이프로 공급됩니다.

염화수소 합성 공정에서 생성된 염화수소는 순환식 염화수소 완충 탱크에서 순환되는 염화수소와 혼합된 후, 트리클로로실란 합성로의 공급관으로 유입됩니다. 공급관 내의 실리콘 분말은 실리콘 분말 공급 호퍼에서 운반되어 트리클로로실란 합성로 하단으로 투입됩니다.

트리클로로실란 합성로에서 규소 분말과 염화수소 가스는 비등층을 형성하여 반응하여 트리클로로수소규소를 생성하며, 동시에 사염화규소, 염화이수소규소, 염화금속, 폴리클로로실란, 수소 가스 등의 생성물이 생성된다. 이 혼합 가스를 트리클로로수소규소 합성 가스라고 한다. 이 반응은 발열 반응이다. 합성로의 외벽에는 워터 재킷이 설치되어 있으며, 재킷 내부의 물이 열을 흡수하여 로 벽의 온도를 유지한다.

실리콘 분말이 포함된 합성 가스를 합성로 상단에 놓으면, 3단 사이클론 집진기로 구성된 건식 집진 시스템을 통해 실리콘 분말의 일부가 제거된 후, 실리콘 분말은 습식 집진 시스템으로 보내져 사염화규소 용액으로 세척되고, 가스 내의 미세한 실리콘 분진의 일부가 씻겨 나간다.

동시에 습식 수소를 가스와 접촉시켜 가스에 함유된 금속 산화물의 일부를 가수분해하여 제거합니다. 실리콘 분말이 제거되어 정제된 혼합 가스는 합성 가스 건식 분리 공정으로 보내집니다.

합성가스 건식 분리 공정

트리클로로실란 수소 합성 단계에서 생성된 합성 가스는 해당 단계에서 액체 클로로실란, 수소 가스 및 염화수소 가스로 분리되어 장치로 재순환되어 사용됩니다.

트리클로로실란 합성 가스 흐름은 혼합 가스 완충 탱크를 통과한 후 분무 세척탑으로 들어가 탑 상단 흐름 아래에서 저온의 트리클로로실란 액상으로 세척됩니다. 가스 중 대부분의 트리클로로실란은 응축되어 세척액과 혼합됩니다. 탑 하단의 트리클로로실란은 펌프에 의해 가압되고, 대부분은 냉각 및 재순환 과정을 거쳐 탑 상단으로 다시 순환되어 가스 세척에 사용되고, 잔류 트리클로로실란은 염화수소 분석탑으로 보내집니다.

염화실란 가스의 대부분은 분무 및 세척탑 상단에서 제거되어 혼합 가스 압축기로 압축되고 냉각된 후 염화수소 흡수탑으로 보내집니다. 흡수탑 하단에서 냉각되어 염화수소 분석탑으로 보내진 염화실란 액상으로 세척됩니다. 가스 중 대부분의 염화수소는 염화실란에 흡수되고, 가스에 남아 있는 염화실란은 대부분 세척 및 응축됩니다. 탑 상단의 가스는 미량의 염화수소와 염화실란을 함유한 수소 가스이며, 온도 및 압력 변화 흡착기를 통해 염화수소와 염화실란을 추가로 제거하여 고순도 수소 가스를 얻습니다. 이 수소는 수소 완충 탱크를 통과한 후 염화수소 합성 공정으로 되돌아가 염화수소 합성 반응에 참여합니다. 흡착기의 재생 폐가스에는 수소, 염화수소 및 염화실란이 포함되어 있으며, 폐가스 처리 공정으로 보내져 처리됩니다.

배출 염화수소 흡수탑 하단에서 염화 가스에 용해된 염소실란은 가열된 후 분무 세척탑 하단에서 나오는 잉여 염소실란과 합쳐져 염화수소 분석탑 중간 부분으로 보내지고, 탑 상단에서 감압 증류 공정을 통해 정제된 염화수소 가스를 얻습니다. 탑의 염화수소 가스는 염화수소 완충 탱크를 통과한 후 트리클로로실란 합성 공정에 설치된 순환 염화수소 완충 탱크로 보내집니다. 탑 하단에서 염화수소가 제거되어 재생된 염소실란 액체가 얻어지는데, 대부분은 냉각, 동결 및 냉각 과정을 거쳐 염화수소 흡수탑으로 다시 보내져 흡수제로 사용되고, 나머지 염소실란 액체(즉, 트리클로로실란 합성 가스에서 분리된 염소실란)는 냉각 후 염소실란 저장 단계의 원료 염소실란 저장 탱크로 보내집니다.

클로로실란의 분리 및 정제 공정

합성가스의 건식 분리 단계에서 분리된 염화실란 액체는 염화실란 저장 단계의 원료 염화실란 저장 탱크로 공급된다. 환원 잔류 가스의 건식 분리 단계에서 분리된 염화실란 액체는 염화실란 저장 단계의 환원 염화실란 저장 탱크로 보내진다. 수소화 가스의 건식 분리 단계에서 분리된 염화실란 액체는 염화실란 저장 단계의 수소염화실란 저장 탱크로 공급된다. 원료 염화실란 액체, 환원 염화실란 액체 및 수소염화실란 액체는 각각 펌프로 퍼내어 염화실란 분리 및 정제 공정의 각기 다른 정류탑으로 보내진다.

트리클로로수소 실리콘 수소 환원 공정

염화실란 분리 및 정제 공정을 통해 정제된 트리클로로실란은 공정의 트리클로로실란 기화기에 투입되어 뜨거운 물에 의해 가열 및 기화됩니다. 잔류 가스를 줄이는 건식 분리 공정에서 회수된 순환 수소 가스는 수소 완충 탱크를 통과하여 기화기에 투입되어 트리클로로실란 증기와 일정 비율로 혼합된 가스를 형성합니다.

트리클로로실란 기화기에서 생성된 트리클로로실란과 수소의 혼합 가스는 환원로로 보내진다. 환원로 내부에서 전기가 통하는 뜨거운 실리콘 코어/실리콘 로드의 표면에서 수소 환원 반응이 일어나 트리클로로실란이 생성되고 실리콘이 석출되어 실리콘 코어/실리콘 로드의 직경이 점차 커져 규정된 크기에 도달한다. 이 수소 환원 반응에서는 염화이수소실리콘, 사염화실리콘, 염화수소 및 수소가 동시에 생성되며, 미반응 염화삼수소실리콘 및 수소와 함께 환원로로 보내져 환원 배기가스 냉각기의 순환 냉각수로 냉각된 후 환원 배기가스의 건식 분리 공정으로 직접 보내진다.

고온의 온수는 환원로 내부 재킷에 유입되어 용광로 내부의 뜨거운 실리콘 코어에서 방출되는 열을 용광로 내벽으로 전달하고 용광로 내벽의 온도를 유지합니다. 배출 실린더 재킷의 고온 온수는 열에너지 회수 공정으로 보내져 폐열 보일러에서 증기를 발생시키고 냉각시킨 후, 공정의 각 환원로 재킷에 재순환됩니다.

환원로에 실리콘 코어를 설치한 후, 구동 전에 워터젯 진공 펌프를 사용하여 진공을 형성하고, 질소로 로 내부의 공기를 치환한 다음 수소로 질소를 치환합니다(질소는 배출됨). 그 후 가열 작업을 수행합니다. 따라서 구동 단계에서 질소는 대기 중으로 배출되며, 진공 펌프에 소량의 물(깨끗한 물로 배출 가능)이 필요합니다. 로 정지 및 재가동 단계(1회 약 5~7일 소요)에서는 환원로 내부의 염화실란, 염화수소 및 수소를 포함하는 혼합 가스를 먼저 환원 배기가스 건식 회수 시스템으로 보내 수소 가스를 이용하여 회수하고, 그 후 질소 가스를 치환하여 배출합니다. 폴리실리콘 제품을 꺼내고, 폐흑연 전극을 제거하며, 상황에 따라 로 내부의 초순수를 세척합니다. 따라서 로 정지 단계에서는 질소 가스, 폐흑연 및 세척 폐수가 발생합니다. 질소 가스는 무해한 가스이므로, 정상적인 상황에서 환원로는 가동 중이거나 정지 상태에서 유해 가스가 배출되지 않습니다. 폐흑연은 원래 생산 공장에서 회수하고, 세척 폐수는 염화물을 함유한 산성-알칼리성 폐수 처리 시스템으로 보내 처리합니다.

배기가스 저감을 위한 건식 분리 공정

트리클로로실란 수소 환원 단계에서 발생하는 환원 잔류 가스는 해당 단계를 통해 염화실란 액체, 수소 및 염화수소 가스로 분리되며, 잔류 가스는 각각 장치로 재순환되어 사용됩니다.

환원 배기가스의 건식 분리 원리 및 공정은 트리클로로실란의 건식 분리와 매우 유사합니다. 온도-압력 변화 흡착기 출구에서 얻은 고순도 수소는 수소 완충 탱크를 통과하며, 대부분의 수소는 삼염화수소-실리콘 수소 환원 공정으로 되돌려져 폴리실리콘 제조에 사용되고, 잉여 수소는 사염화규소 수소화 공정으로 보내져 사염화규소 수소화에 사용됩니다. 흡착기는 폐가스를 재생하여 폐가스 처리 공정으로 보내 처리합니다. 정제된 염화수소 가스는 염화수소 분석탑 상단에서 얻어 삼염화수소-실리콘 합성 공정에 설치된 순환식 염화수소 완충 탱크로 보내집니다. 염화수소 분석탑 하단에서 추출된 잉여 클로로실란 액체(즉, 삼염화수소 환원 배기가스에서 분리된 클로로실란)는 클로로실란 저장 단계의 환원 클로로실란 저장 탱크로 보내집니다.

사염화규소 수소화 공정

염화실란의 분리 및 정제 공정을 통해 정제된 사염화규소는 공정의 사염화규소 기화기에 투입되어 뜨거운 물에 의해 가열 및 기화됩니다. 수소 준비 및 정제 공정에서 얻은 수소와 환원 배기가스 건식 분리 공정에서 발생하는 잉여 수소는 수소 완충 탱크에서 혼합된 후, 기화기에 도입되어 사염화규소 증기와 일정 비율로 혼합된 가스를 형성합니다.

사염화규소 기화기에서 생성된 사염화규소와 수소의 혼합 가스를 수소화로로 보낸다. 수소화로에서는 전기가 통하는 고온 전극 표면 근처에서 사염화규소의 수소화 반응이 일어나 삼염화수소규소와 염화수소가 동시에 생성된다. 삼염화실란, 염화수소, 미반응 사염화규소 및 수소를 포함하는 혼합 가스는 수소 건식 분리 공정으로 보내진다.

수소화로의 가열로 내부 재킷에 고온의 물을 주입하여 로 내부의 고온 전극에서 방출되는 열을 가열로 내부 벽으로 전달하고 내부 벽의 온도를 유지합니다. 배출 실린더 재킷의 고온 온수는 열 에너지 회수 공정으로 보내지고, 폐열 보일러에서 증기를 생산하고 냉각한 후, 공정의 수소화로 재킷으로 재순환됩니다.

수소화 가스 건식 분리 공정

사염화규소 수소화 공정에서 발생하는 수소 가스는 공정을 통해 염화실란 액체, 수소 가스 및 염화수소 가스로 분리되며, 수소 가스는 각각 장치에 재활용되어 사용됩니다.

수소 가스의 건식 분리 원리 및 공정은 트리클로로실란의 건식 분리와 매우 유사합니다. 온도-압력 변화 흡착기의 출구에서 얻은 고순도 수소는 수소 완충 탱크를 통과한 후 사염화규소 수소화 공정에 다시 투입되어 사염화규소 수소화 반응에 참여합니다. 흡수 재생 폐가스는 폐가스 처리 공정으로 보내져 처리됩니다. 정제된 염화수소 가스는 염화수소 분석탑 상단에서 얻어 트리클로로수소규소 합성 공정에 설치된 순환식 염화수소 완충 탱크로 보내집니다. 염화수소 분석탑 하단에서 추출된 과량의 염화실란 액체(즉, 수소화 가스에서 분리된 염화실란)는 염화실란 저장 단계의 염화수소 저장 탱크로 공급됩니다.

클로로실란 저장 공정

이 공정에는 100m³ 염화실란 저장탱크, 100m³ 산업용 트리클로로실란 저장탱크, 100m³ 산업용 테트라클로로실란 저장탱크, 100m³ 염화실란 비상 배출탱크 등이 설치됩니다.

합성 가스의 건식 분리 단계, 환원 잔류 가스의 건식 분리 단계 및 수소화 가스의 건식 분리 단계에서 얻은 염화실란 액체는 각각 원료 저장 탱크, 환원 저장 탱크 및 염화실란 저장 탱크에 공급된 후, 염화실란 분리 및 정제 단계의 각기 다른 정류탑에 원료로 공급된다.

염화실란의 분리 및 정제 공정에서 1단 정류탑 상단에서 얻은 트리클로로실란과 디클로로디히드로실리콘의 혼합액, 4단 정류탑 하단에서 얻은 트리클로로실란 액, 그리고 6단, 8단, 10단 정류탑 하단에서 얻은 트리클로로실란 액을 산업용 트리클로로실란 저장탱크로 보내고, 탱크 내에서 혼합하여 산업용 트리클로로실란 제품으로 판매한다.

실리콘 코어 준비 공정

환원로 초기 생산 시 용광로에 설치해야 하는 전도성 실리콘 코어는 구역별 인발 및 절단 기술을 이용하여 가공 및 준비됩니다. 실리콘 코어 준비 과정에서 불산과 질산으로 부식 처리한 후 초순수로 세척하고 건조합니다. 산 부식 처리 과정에서 불화수소와 질소산화물 가스가 발생하므로, 산 부식 처리 탱크 상부에 설치된 풍덮개를 통해 팬을 이용하여 불화수소와 질소산화물을 흡입한 후 배기가스 처리 장치로 보내 처리하고, 관련 규정에 따라 배출합니다.

제품 분류 작업

환원로에서 제조된 폴리실리콘 봉을 용광로에서 꺼내어 절단 및 파쇄하여 덩어리 폴리실리콘을 만듭니다. 이 폴리실리콘 블록을 불산과 질산으로 부식 처리한 후 초순수로 세척하고 건조합니다. 산 부식 처리 과정에서 불화수소와 질소산화물 가스가 공기 중으로 방출되므로, 산 부식 처리 탱크 상단에 설치된 풍덮개를 통해 팬을 사용하여 불화수소와 질소산화물을 흡입한 후 배기가스 처리 장치로 보내 처리합니다. 처리된 배기가스는 규정에 따라 배출됩니다. 품질 기준을 충족하는 것으로 검사된 벌크 폴리실리콘 제품을 포장을 위해 출하합니다.

폐가스 및 잔류물 처리 공정

1. 염화수소를 함유한 폐가스 정화

SiHCl1 정제 공정에서 배출되는 폐가스, 환원로 가동 중단 시 발생하는 폐가스, 폐가스 사고 배출, 염화실란 및 염화수소 저장 공정 탱크의 안전 배출 가스, 그리고 CDI 흡착 폐가스는 모두 파이프라인을 통해 폐가스 침출탑으로 보내져 세척됩니다.

침출탑에서 배기가스가 10% NaOH 용액으로 연속 세척된 후, 탑 하단의 세척액은 기술 폐기물 처리 공정으로 펌핑되고, 미처리 가스는 높이 15m의 배기 실린더를 통해 배출됩니다.

2. 잔류물 처리

반응기의 잔류액(주로 사염화규소 및 폴리염화실란 화합물 함유)과 정류탑에서 배출되고 차단 장치를 통해 배출되는 염화실란 잔류액은 처리를 위해 공정으로 보내진다.

처리할 액체는 잔류물 수집 탱크로 공급됩니다. 그런 다음 액체는 질소 가스로 압착되어 잔류액 침출탑으로 보내져 세척됩니다. 처리에는 10% NaOH 용액이 사용되었습니다. 폐액에 함유된 클로로실란은 NaOH 및 물과 반응하여 무해한 물질로 전환됩니다(처리 원리는 염화수소와 클로로실란을 함유한 폐가스를 처리하는 것입니다).

3. 산성 폐가스

실리콘 코어 제조 및 제품 마감 공정에서 발생하는 산성 폐가스는 가스 집진 덮개를 통해 폐가스 처리 시스템으로 이송됩니다. 산성 폐가스는 분무탑에서 10% 석회유로 세척하여 가스 내 불소 함유 폐가스를 제거하고, 동시에 세척액에 암모니아를 첨가하여 대부분의 NOx를 N2와 H2O로 환원시킵니다. 세척 후 제습 과정을 거친 가스에서 잔류 NOx는 비귀금속 촉매를 사용하는 고체 흡착법을 통해 SDG 흡착제에 흡착된 후, 높이 20m의 배기 실린더를 통해 배출됩니다.

폐규소 분말 처리

원료 실리콘 분말 투입 집진기, 삼염화실리콘 합성 작업장의 사이클론 집진기 및 합성 반응기에서 배출된 실리콘 분말은 폐슬래그 이송 탱크를 거쳐 폐슬래그 깔때기로 이송된 후, 교반기가 있는 산세척관으로 들어가 11% 염산으로 탈알칼리 처리되고 폐실리콘에 함유된 알루미늄, 철, 칼슘 등의 불순물이 용해됩니다. 세척이 완료되면 폐잔류물은 필터 프레스로 여과된 후 건조기로 보내져 건조됩니다. 건조된 실리콘 분말은 삼염화실리콘 합성 공정에 재순환되어 재사용되고, 폐액은 폐가스 잔류물 처리 시스템의 폐수로 유입되어 함께 처리됩니다.

산세조와 여과액조에서 배출되는 염산 함유 폐가스는 처리를 위해 배기 잔류물 처리 시스템으로 보내집니다.

공정 폐기물 처리 공정

1. 1급 폐액 처리

세척탑 세척액과 폐규소 분말을 혼합, 중화 및 침전시킨 후 필터 프레스로 여과합니다. 여과 잔류물(주로 SiO2)은 시멘트 공장으로 이송되어 시멘트 생산에 사용됩니다(부록 참조). 침전액과 여과액은 주로 고농도 염수(NaCl 200g/L 이상)이며, 일부 물은 공정 운영 및 처리 과정에서 칼슘, 마그네슘 이온 및 황산염 이온이 유입되지 않아 염소-알칼리 생산 요건을 충족하므로 염수 폐수는 쓰촨 용샹 유한회사(Sichuan Yongxiang Co., Ltd.)의 가성소다 생산 라인으로 이송되어 재활용 원료로 사용됩니다(부록 참조). 증발 응축수는 알칼리 용액 제조에 재사용됩니다.

2. 2급 폐액 처리

실리콘 코어 제조 공정 및 제품 마무리 공정에서 발생하는 폐불산, 폐질산 및 산세척 폐수는 10% 석회 에멀젼으로 중화 및 침전시킨 후 필터 프레스로 여과하고, 여과 잔류물(주로 CaF2)은 시멘트 공장으로 보내져 시멘트 생산에 사용됩니다(부록 참조). 침전액과 여과액은 주로 질산칼슘 용액이며, 증발 및 농축 후 부산물로 판매됩니다(부록 참조). 증발 응축액은 알칼리 용액 제조에 재사용됩니다.