排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置
【課題】反応排ガスに含まれる亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを追反応を抑制しつつ液化し、且つ２液を分離して回収する。
【解決手段】傾斜角が１０〜３０度である本体部１０には、４５０〜５５０℃の液体亜鉛が充填されている。ガス出口１２側を真空ポンプで吸引して、ガス入口１１側の液体亜鉛の液面とガス出口１２側の液体亜鉛の液面にレベル差を生じさせ、ガス入口１１から排ガスを取り込む。排ガスに含まれる亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを、液体亜鉛内を通過させることにより気液混合させ、急冷凝縮させる。液化した亜鉛は湯溜り２０から回収し、液化した塩化亜鉛は液体排出口２１から回収する。
【解決手段】傾斜角が１０〜３０度である本体部１０には、４５０〜５５０℃の液体亜鉛が充填されている。ガス出口１２側を真空ポンプで吸引して、ガス入口１１側の液体亜鉛の液面とガス出口１２側の液体亜鉛の液面にレベル差を生じさせ、ガス入口１１から排ガスを取り込む。排ガスに含まれる亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを、液体亜鉛内を通過させることにより気液混合させ、急冷凝縮させる。液化した亜鉛は湯溜り２０から回収し、液化した塩化亜鉛は液体排出口２１から回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塩化シリコンを金属亜鉛で還元し、太陽電池用金属シリコン（ＳＯＧ−Ｓｉ）を製造するプロセスにおいて、還元工程で生じた排ガス中に含まれる亜鉛ガスと塩化亜鉛ガスを液化して回収するための排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池用シリコンは、半導体用シリコン製造法であるシーメンス法で製造されてきた。しかし、太陽電池の用途としては、半導体ほどの純度を必要としないことから、需要増加と低価格化要求に対応するため、シーメンス法に代わる安価で大量生産できる製造プロセス開発が求められている。本発明者等は、例えば特許文献１に示すように、亜鉛還元法による太陽電池用シリコン原料の製造方法を提案している。
【０００３】
亜鉛還元法は、以下の式（１）に基づいて、シリコン原料として四塩化珪素ガス（ＳｉＣｌ４）を用い、ガス或いは液体金属亜鉛（Ｚｎ）により還元し、金属シリコンを得るものである。ＳｉＣｌ４、Ｚｎ、ＺｎＣｌ２の融点及び沸点を表１に示す。
【数１】
【表１】
【０００４】
上記の反応における理論反応率は、亜鉛がガス状の場合５０〜８０％、液体ではほぼ１００％になり、反応速度は速く、生産性の高いシステムである。亜鉛還元法は、半導体用シリコン製造プロセスとしてデュポン社によって開発され、１９５０年代には商業生産を行っていたが、半導体用シリコンの高純度化の流れに対応できず、１９６０年代に中止されたものである。その後１９７０年代後半〜８０年代初頭にかけて、米国政府機関の委託によりバッテルコロンバス研究所（ＢＣＬ）が、太陽電池用シリコン製造法として研究を実施したが（非特許文献１）、発明者等の知る限りでは未だに実用化までには至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００８／１５３１８１
【特許文献２】米国特許第２０７０１０１
【特許文献３】米国特許第２７６６１１４
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Evaluation of Selected Chemical Processes for Production of Low-cost Silicon (PhaseIII)by BCL,DOE/JPL954339-81/21,March31.1981
【非特許文献２】講座・現代の金属学 製錬編２「非鉄金属製錬」日本金属学会pp112-113
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
亜鉛還元法の実用化を阻む要因の一つとして、反応排ガスの処理がある。前述した還元反応は反応炉において実行される（例えば、特許文献１の段落００５２）。反応炉では、不活性ガスをキャリアガスとして、温度制御、流量制御を行いながら、亜鉛（Ｚｎ）ガスと四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）ガスを還元反応させて、シリコン（Ｓｉ）を連続的に生成する。反応炉における還元工程で生じる排ガスには、反応生成物である塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）以外に、未反応の四塩化珪素ガスと亜鉛ガス、及び添加した不活性ガスが含まれる。また、この排ガスには、通常は製造されたシリコン粉末も一部混入している。この排ガスは反応炉から排出された後、成分毎に分離回収して再利用する必要がある。
【０００８】
還元剤として亜鉛ガスを用いる場合、排ガス温度は亜鉛をガス状態で反応系外に排気するため９０７℃以上にする必要がある。一方、排ガスを成分毎に分離回収するためにはガス冷却を行う必要があるが、高温のガスを冷却する過程で未反応のガスが反応し、前述した式（１）に示したシリコン生成反応が追加的に生じてしまう（いわゆる追反応が生じてしまう。）という問題がある。このような追反応によって析出したシリコンが排ガスの流路を閉塞し、冷却回収した液体の亜鉛や塩化亜鉛に混入する等の問題が生じている。
【０００９】
本発明は、このような技術背景のもとになされたものであり、その目的は反応排ガスに含まれる亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスの追反応を抑制しつつ液化し、且つ２液を分離して回収することが可能な排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記課題を解決するために以下の措置を採る。なお後述する発明を実施するための最良の形態の説明及び図面で使用した符号を参考のために括弧書きで付記するが、本発明の構成要素は該付記したものには限定されない。
本発明１の排ガス凝縮方法は、シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスを反応させて固体のシリコンを製造するときに生じる、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが含まれる排ガスを、４２０℃以上７３２℃以下の液体亜鉛中を通過させ、前記亜鉛ガス及び前記塩化亜鉛ガスを前記液体亜鉛で冷却して液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とすることを特徴とする。
本発明２のの排ガス凝縮方法は、本発明１のシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法において、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とした後、両液体を比重の相違によって分離することを特徴とする。
【００１１】
本発明１の排ガス凝縮装置（１，１’）は、
本発明１又は２に記載したシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法に用いる排ガス凝縮装置であって、
中心線が水平面に対する傾斜角は５〜５５度であり、内部が空洞である本体部と、
この空洞と連通し、前記本体部の下端部付近に配置され、前記シリコン製造時に反応炉から排出される前記排ガスを供給するためのガス入口と、
前記空洞と連通し、前記本体部の上端部付近に配置されたガス出口と、
前記本体部の内部には前記液体亜鉛を前記ガス入口を超える高さである第１のレベルまで満たし、前記ガス出口側から吸引することによって、前記液体亜鉛のレベルを前記第１のレベルから第２のレベルまで上昇させて、前記ガス入口と前記ガス出口間で前記液体亜鉛のレベル差を生じさせるための吸引手段とからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明２の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記空洞には、前記液体亜鉛を循環させるための循環機構が設けられていることを特徴とする。
本発明３の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明２の排ガス凝縮装置であって、前記循環機構は、前記空洞を上限に２分割し、前記本体の中心軸線を含む面を有する板材であることを特徴とする。
【００１３】
本発明４の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記ガス出口の下方であって、前記本体部の内部上面には前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛が当該ガス出口に侵入することを防止するためのブロッカが設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明５の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の上端部付近には、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口の外部に配置され、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の相違によって分離させるための比重分離装置を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明６の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の上端部付近には、前記液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口には、前記液化した塩化亜鉛を回収するための回収装置が配置されてることを特徴とする。
【００１６】
本発明７の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記傾斜角が１０〜３０度であることを特徴とする。
本発明８の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の液体亜鉛の温度を４５０〜５５０℃に制御するための温度調整機構を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明９の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の材質が炭化珪素、又は溶融シリカであることを特徴とする。
本発明１０の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記シリコン塩化物がクロロシランであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排ガスの急冷が可能であり、追反応を抑制しつつ、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを冷却して液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛として各々抽出可能な状態とすることができる。液体となった亜鉛と塩化亜鉛は互いに溶解せず、比重の相違（液体亜鉛：約６．５，液体塩化亜鉛：約２．４）によって分離することができる。
【００１９】
また、排ガスを液化するときに生じる凝縮熱は充填されている液体亜鉛に吸収され、この液体亜鉛の温度は排ガス凝縮装置の本体部に設けられた温度調整機構によって制御可能である。従って、排ガスを液化する際に発生する凝縮熱を除熱することができる。また、この温度制御機構によって、還元反応を実行させる反応炉が反応を開始するに先だって排ガス凝縮装置を一定温度（４５０〜５５０℃）に加熱しておくことができる。これにより反応炉を含めたシステム全体の稼働を円滑に行うことができる。
【００２０】
また、本発明は還元反応を実行させる反応炉から生じた排ガスを連続的に処理して、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を連続的に抽出（排ガス凝縮装置外に排出）可能である。従って、反応炉を含めたシステム全体としての連続稼働に対応することができる。このような連続処理が可能となるため、上流側の反応炉の負荷変動に柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の排ガス凝縮装置の実施の形態を表す外観図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の排ガス凝縮装置（吸引装置の非稼働時の状態）の全断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図１の排ガス凝縮装置（吸引装置の稼働時の状態）の断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４は、図１の排ガス凝縮装置の排ガス経路の部分拡大図である。
【図５】図５は、図１の排ガス凝縮装置の排出部の部分拡大図である。
【図６】図６は、液化した塩化亜鉛の回収装置を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の排ガス凝縮装置の他の実施の形態を表す外観図である。
【図８】図８は、図７の排ガス凝縮装置の断面図である。
【図９】図９（ａ）は、図８のＡ−Ａ断面図である。図９（ｂ）は、図８のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】図１０は、液化した亜鉛及び塩化亜鉛の比重分離装置を示す断面図である。
【図１１】図１１は、液化した塩化亜鉛の他の回収方法を示す配管図である。
【図１２】図１２は、液化した亜鉛の他の回収方法を示す配管図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［１．排ガス凝縮装置の構成］
本発明は、塩化シリコンを亜鉛によって還元しＳＯＧ−Ｓｉを製造した際に発生する排ガスを、追反応を抑制しつつ冷却し、排ガス中に含まれる亜鉛ガスと塩化亜鉛ガスを同時に液化して回収するための排ガス凝縮装置に関する。本発明に係る排ガス凝縮装置によって、排ガスを連続的に処理することができ、ＳＯＧ−Ｓｉ製造において連続操業の実現に貢献することができる。
【００２３】
本発明に係る排ガス凝縮装置は、亜鉛製錬の電熱蒸留法（St,Joseph process）において、金属亜鉛蒸気を大量に含む排ガスから亜鉛を液体亜鉛として回収する装置を応用したものである。この装置に関しては、特許文献２、３及び非特許文献２に開示されている。本発明は、この装置を応用して、亜鉛還元法でＳＯＧ−Ｓｉを製造する際に発生する亜鉛ガスと塩化亜鉛ガスを同時に液化し、分離回収可能としたものである。回収した亜鉛は、塩化シリコンの還元剤としてリサイクルし、塩化亜鉛は液体のまま溶融塩電解を行い、亜鉛を回収する。同時に発生する塩素ガスは塩化シリコンの製造に利用することができる。
【００２４】
以下、本発明に係る排ガス凝縮装置の実施の形態を図面により説明する。図１の外観図及び図２（ａ）の断面図に示すように、本発明の排ガス凝縮装置１は、内部が空洞の断面が筒状の本体部１０を有している。本例では、本体部１０は円筒状であり、この下端面と有底で円筒状の湯溜り２０の側面である外周面が連結されている。即ち、本体部１０の端面と湯溜り２０の側面が互い交わった相貫体を成している。この湯溜り２０の上端部は、蓋によって開閉自在であり、この湯溜り２０の中心軸線は鉛直方向である。本体部１０と湯溜り２０の内部の空洞は互いに連通している。
【００２５】
本体部１０の上端面は、有底で円筒状の排出部３０の側面に連結され、この排出部３０の中心軸線は鉛直方向に向いている。即ち、本体部１０の端面と排出部３０の側面が互い交わった相貫体を成している。本体部１０の中心軸線と水平面との傾斜角は５〜５５度であり、好ましくは１０〜３０度である。従って、図２（ａ）の断面図に示すように、これら本体部１０、湯溜り２０、及び排出部３０の内部の空洞は互いに連続している。図２及び図３に示すように、稼働時には、この湯溜り２０及び本体部１０に液体亜鉛が充填される。
【００２６】
本体部１０の下端部付近で上部の壁面には、排ガスを供給するための円筒状の管であるガス入口１１が配置されている。ガス入口１１の上端部は開口しており、この中心線は鉛直方向である。反応炉（図示せず。）から排出された排ガスは、このガス入口１１より排ガス凝縮装置１内に供給される。また、本体部１０の内部空洞の中心部には、液体亜鉛の循環を促すための循環機構として、本体部１０の中心軸線に沿って上下仕切板１３が固定、配置されている。図３（ａ）に示すように、排ガス処理中は上下仕切板１３の存在によって、充填された液体亜鉛が上下仕切板１３の上下を自然、又は強制的に循環（対流）する。
【００２７】
この循環により液体亜鉛が局所的に高温となることを防止している。排出部３０の上部のガス出口１２から排ガスをブロア等の吸引装置（図示せず）で吸引することにより、本体部１０及び排出部３０内が減圧される。なお、この吸引装置の吸引孔の位置は、本体部１０又は排出部３０の内壁面であれば、上下仕切板１３より上方の位置であれば、どこに配置しても良い。一方、本体部１０の内部の下面には、液体亜鉛の液面領域を画する堰部材１４が設けられている。この堰部材１４は、図３（ｂ）に示すように、一方の壁面が低い断面形状が凹部状の形状物である。この堰部材１４は、本体部１０の内壁に固定されている。堰部材１４の底部には、溶融している液体を流出入するための貫通孔１４ａが形成されている。貫通孔１４ａは、堰部材１４を越えた溶融液体を本体部１０の下方に還流させるためのものである。
【００２８】
また、堰部材１４への貫通孔の形成は、溶融液体が滞留しないように必要に応じて他の箇所に形成しても良い。本体部１０内部壁面で、かつ堰部材１４の斜め上部の位置にはブロッカ１５が固定して配置されている。排出部３０は、本体部１０の上端に設けられ、その頂部には、ガス出口１２が設けられており、このガス出口１２からは、未反応の四塩化珪素ガスと、添加した不活性ガスが排出される。このためにこのブロッカ１５は、後述する図４に示すように、四塩化珪素ガスと不活性ガスと共に、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛の一部が亜鉛液面上で飛沫となって飛散（スプラッシュ）したときに、これらをブロッカ１５に衝突させてガス出口１２に飛散するのを防止するためのものである。
【００２９】
また、図３（ａ）に示すガス出口１２には、排ガスの吸引を行うための吸引ポンプ（図示せず。）が接続されており、このガス出口１２から本体部１０の内部を吸引することによって、液体亜鉛の液面レベルを第２のレベルまで上昇させる（図３（ａ）に示した状態）。即ち、ガス入口１１よりガス出口１２の圧力が低い状態を吸引ポンプで作り出して、液体亜鉛の液面レベルを第１のレベルから第２のレベルに高くするものである。また排出部３０の底部付近には、液化した塩化亜鉛を取り出すための液体排出口２１が設けられている。ここで液体排出口２１から排出された塩化亜鉛は、図６に示すように回収装置５０に回収される。
【００３０】
（傾斜角度に関して）
排ガス凝縮装置１の本体部１０の中心線は、水平から所定角度を成しており、いわゆる傾斜構造になっている。排ガスの凝縮率（蒸気が液体に変わる率）は、ガス入口１１からガス出口１２を通過するときの液体亜鉛中での通過距離、通過速度、温度等の影響を受ける。ガス入口１１及びガス出口１２の間の圧力差が一定、高低差（高さ）が一定のとき、本体部１０の傾斜角度を大きく取った場合、排ガスの液体亜鉛中の通過距離が短くなり、通過時間も短くなるが、通過速度は大きくなる。排ガスの通過速度が速くなると、これによって発生する渦流、コアンダ効果等による撹拌による気液が接触する確率は増加する。
【００３１】
逆に、本体部１０の傾斜角度が小さい場合、排ガスの液体亜鉛中の通過距離が長く、通過時間も長くなるが、一方で通過速度が小さくなる。このために、これによって発生する渦流、コアンダ効果等による撹拌による気液が接触する確率は低下する。経験的に本体部１０の水平面に対する傾斜角度θが、５〜５５度であれば適正なガス凝縮率は得られる。この傾斜角度θが大きいと液の攪拌、振動が大きくなり、傾斜角度θが小さいと設備が大きくなることから一般的には１０〜３０度が好ましい。
【００３２】
（加熱装置）
液体亜鉛を加熱するための機構として、本例では本体部１０の外周に電気ヒータ（図示せず）を配置しておく。また、本例のように湯溜り２０を設置している場合には、液体亜鉛に電気ヒータを浸漬させる構造のものでも良く、又はガスバーナーで加熱するようにしても良い。また、本体部１０内の液体亜鉛を均一な温度分布にするために、液体亜鉛を強制的に循環させると安定的な運転が可能となる。この強制循環機構は、例えば、以下の方法を採ることができる。ガス出口１２、又はこの近くの本体部１０の下方で、液面下に液体亜鉛の抜出口を配置し、ガス入口１１の下方には液体亜鉛の流入口を設けておき、これらの間を連通管で繋ぐ。液体亜鉛を電磁的に駆動する電磁ポンプを使用して、強制的に連通管と排ガス凝縮装置１との間で液体亜鉛を循環させ、その循環経路の途中に加熱器を設置しておき温度調整を行う。
【００３３】
（冷却装置）
後述するように、液体亜鉛の温度は、塩化亜鉛の沸点（７３２℃）以下でなければならず、このために設定温度以上に加熱されたとき、液体亜鉛を冷却する必要がある。液体亜鉛を冷却するための機構として、本体部１０の上面、又は外周面をフィン構造（図示せず）にしておき、外部からファンによって本体部１０の液体亜鉛を空冷するようにする。また、本体部１０の外周に着脱可能な水冷ジャケットを設置しておくようにしても良い。このとき加熱用の電気ヒータを外周部の下面に配置し、水冷ジャケットを上面に配置し、冷却と加熱を選択的にできるようにすると良い。
【００３４】
また、湯溜り２０内に水冷管を浸漬して冷却することも可能である。冷却の度合いは浸漬する水冷管の数、浸漬深さで調整できる。また、液体亜鉛を強制的に循環させるようにして冷却しても良い。例えば、以下の方法を採ることができる。前述した加熱装置と同様に、ガス出口１２、又は本体１０の下方で、液面下に液体亜鉛の抜出口を設けておき、ガス入口１１の下方には液体亜鉛の流入口を設けておき、これらの間を連通管で繋ぐ。電磁ポンプを使用して強制的に連通管と排ガス凝縮装置１との間で液体亜鉛を循環させ、その循環経路の途中に冷却器を設置しておき、液体亜鉛の温度調整を行う。
【００３５】
（材質）
排ガス凝縮装置１、回収装置５０、比重分離装置８０の内壁面を構成する材質は、少なくとも排ガス成分、液体亜鉛、及び液体塩化亜鉛と反応しないことが条件となる。この条件をクリアするものとして、セラミックス全般が使用可能であり、特に炭化珪素、溶融シリカが適する。
【００３６】
［２．排ガス凝縮装置の作用］
次に、本発明の排ガス凝縮装置１の作用に関して説明する。まず、湯溜り２０と本体部１０の中に第１のレベルまで液体亜鉛を充填する。この第一のレベルとは、図２に示すように、液面が、ガス入口１１と本体部１０の内壁面の接合部分よりも上に位置しているレベルである。本例では、液体亜鉛の液面は上下仕切板１３の上部先端よりやや下方に位置している。本実施の形態の排ガス凝縮装置を動作させるためには、この第１のレベル（図２（ａ））にある液面を第２のレベル（図３（ａ））まで上昇させる。このとき液体亜鉛の温度は、亜鉛の融点（４２０℃）以上で、塩化亜鉛の沸点（７３２℃）以下でなければならず、４５０〜５５０℃が好ましい。
【００３７】
本実施の形態では、ガス出口１２から排ガスを吸引ポンプ（図示せず。）によって吸引することにより、ガス入口１１とガス出口１２の間で、液体亜鉛のレベル差を作り出す（図３（ａ）に示した状態）。本実施の形態では、ガス入口１１における圧力を９６ｋＰａ〜１０６ｋＰａ（即ち大気圧±５ｋＰａ）、ガス出口１２における圧力を、ガス入口１１における圧力、即ち概ね大気圧より１５〜４０ｋＰａ低く制御することにより、液体亜鉛のレベルを第２のレベルまで上昇させる。
【００３８】
図６は、液化した塩化亜鉛の回収装置を示す断面図である。図３に示すよう排出部３０の液体排出口２１から排出された液体塩化亜鉛は、回収装置５０に回収される。図６に示すように、この液体排出口２１に接続されてい配管の他端は、回収装置５０に充填された液体塩化亜鉛に挿入された状態にあるる。このために回収装置５０から大気が本体１０内に侵入することはないので、吸引ポンプによる排ガスの吸引に支障は生じない。但し、図６に示すように、吸引されることにより、液体塩化亜鉛が液体排出口２１である配管に入り込み、回収装置５０内の液体塩化亜鉛の液面が下がる。このとき配管から外気を吸い込まず、液体塩化亜鉛に配管が浸漬された状態を維持できるように、配管の内径と浸漬深さに関しては留意する必要がある。
【００３９】
これにより、ガス出口１２側の液面は、上下仕切板１３を超える位置、即ち堰部材１４の底部を覆う程度の位置まで上昇する（図３（ａ））。一方、反応炉からの排ガスは、９６ｋＰａ〜１０６ｋＰａに維持されているので、ガス入口１１内の液面は下がり、ガス入口１１と本体部１０の内壁面の接合部分よりも下に位置することになる。これにより、排ガスがガス入口１１から本体部１０の液体亜鉛内に供給される。即ち、排ガス凝縮装置１が反応炉からの排ガスを吸い込む。
【００４０】
ガス入口１１から本体部１０の液体亜鉛内に供給された排ガスは、本体部１０の内壁頂部を通過して液体亜鉛の液面まで達する。このとき、図４に示すように、ガス入口１１から液面にかけて、本体部１０の内壁頂部に沿って排ガスが通過する経路Ｘが形成される。排ガスが、この経路Ｘを高速で通過することによって、気−液のミキシングが発生し、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが急冷凝縮されて、液化される。即ち液体亜鉛の温度を、亜鉛の融点（４２０℃）以上で、塩化亜鉛の沸点（７３２℃）以下、好ましくは４５０〜５５０℃に保つことにより、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを同時に液化することができる。
【００４１】
このようにして排ガスを冷却する際、排ガス凝縮装置１内で排ガスの保有熱と、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが液状に戻るときに熱を放出する凝縮熱が発生する。一方で、排ガス凝縮装置１自体からの熱放射、熱伝導も存在する。これらの熱バランスを図り、液体亜鉛の温度範囲を一定に保つためには、必須要件ではないが加熱機構と冷却機構の双方を有する温度調整機構が必要である。この温度調整機構は、液体亜鉛が循環しているので、本体部１０内に温度調整機構を設けるようにしても良いし、湯溜り２０に温度調整機構を設けるようにしても良い。また、排ガス凝縮装置１の外部に設けた液体亜鉛貯留槽（本発明者等はタッピングウェルと称している。）から、温度制御された液体亜鉛を排ガス凝縮装置１に循環させるようにしても良い。
【００４２】
本体部１０における気−液接触部（経路Ｘ）では、急激な熱交換が行われるため、部分的に液体亜鉛の温度が高くなる。また排ガスが高速で通過するため、液体亜鉛がガス流とともに上昇する。液体亜鉛の液面付近が局所的に高温になるのを防止すべく、液体亜鉛の循環機構として上下仕切板１３が設けられている。液体亜鉛の上昇流と下降流の境界に上下仕切板１３を配置することで、図３（ａ）示す方向に循環する安定した循環流を作り出している。図４に示したように、経路Ｘを通過することにより、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛は、冷却用液体亜鉛と混合するが、一部は図４に示すように、液体亜鉛液面上でスプラッシュ（点線表示）する。
【００４３】
このスプラッシュした液体Ｙ（液体亜鉛と液体塩化亜鉛の混合液）は、堰部材１４の上方を通過して、内壁頂部に設けられたブロッカ１５に衝突して落下する。落下して静置された液体Ｙは、比重の高い液体亜鉛（約６．５）と比重の低い液体塩化亜鉛（約２．４）に分離し、上層が液体塩化亜鉛層、下層が液体亜鉛層となっている。図５に示すように、液体塩化亜鉛は、排出部３０の底部に設けられた液体排出口２１から排出され、図６に示すように回収装置５０に回収される。なお、下層の液体亜鉛は、堰部材１４の下面に設けられた貫通孔１４ａから本体の循環流と合流する。
【００４４】
液化した亜鉛は、湯溜り２０から回収可能であり、前述したように液化した塩化亜鉛は液体排出口２１から回収される。この回収は、液体亜鉛が一定の高さを保つようにセンシングされて制御される。更に、ガス出口１２からは、未反応の四塩化珪素ガスと、添加した不活性ガスが排出される。このようにして排ガスの処理が完了する。なお、この排ガスには通常シリコン粉末も混入しているが、液体亜鉛に混入したシリコン粉末は湯溜り２０上に浮いてくるため、容易に回収することができる。また、液体塩化亜鉛に混入したシリコン粉末は、回収装置５０から連続的に排出される塩化亜鉛と共に回収できる。以上説明したように、連続的に反応炉で生じた排ガスを、本実施の形態の排ガス凝縮装置に連続的に供給し、連続的に処理して排出させることが可能である。
【００４５】
［３．排ガス凝縮装置の運転管理方法］
（温度管理）
本体１０に充填されている液体亜鉛の許容温度範囲は、４２０〜７３２℃であるが、最適温度範囲は４５０〜５５０℃であり、液体亜鉛の温度がこの範囲内で推移するよう温度管理を行う。温度が高いと塩化亜鉛のガス分圧が大きくなり、塩化亜鉛の凝縮率が低下する。一方、温度が低いと液体亜鉛の流動性が悪化し、気液のミキシングが不十分となり、亜鉛、塩化亜鉛ともに凝縮率が低下する。これらの障害を解消するための温度管理方法を以下に示す。
【００４６】
まず、運転開始までは、排ガス凝縮装置１からの放散熱に見合う熱量を外部から与え、液体亜鉛の許容温度範囲を維持する。この際、前述した加熱装置を単独、或いは組み合わせて使用する。運転を開始すると、亜鉛還元排ガスの保有熱と凝縮熱により、液体亜鉛が加熱される。加熱熱量が放散熱量を下回っている間は、加熱操作を継続する。処理ガス量が多くなると、加熱熱量が放散熱量を上回るようになるので、管理基準を逸脱しないよう冷却操作を開始する。この際、前述した冷却装置を単独あるいは組み合わせて使用する。
【００４７】
（圧力管理）
ガス入口１１とガス出口１２との間に差圧を生じさせるために、ガス出口１２を吸引ポンプで吸引する。本例では、この際、ガス入口１１の圧力を９６〜１０６ｋＰａ（大気圧±５ｋＰａ）とし、ガス出口１２側の圧力を、ガス入口１１の圧力より−１５〜−４０ｋＰａ低い圧力に制御する。前述した湯溜り２０を設置しない場合（後述する排ガス凝縮装置１’のような場合）、排ガス凝縮装置内の差圧は、「ガス入口１１の液体亜鉛液面と液体排出口２１とのレベル差×液体亜鉛の比重」となる。反応炉の操業圧力（＝ガス入口１１の圧力）は「吸引ポンプの吸引圧力−排ガス凝縮装置内差圧」となるので吸引ポンプの吸引圧力を調整することで液面の高さを制御できる。
【００４８】
一方、本例のように湯溜り２０が設置されている場合、排ガス凝縮装置１内の液体亜鉛保有量を調整することによって、同装置内の液体塩化亜鉛の保有量を調整できる。そのため排ガス凝縮装置内の差圧は、厳密には、［（（ガス入口１１の液体亜鉛液面）と（液体亜鉛と液体塩化亜鉛の界面）とのレベル差×液体亜鉛比重）＋（（液体亜鉛と液体塩化亜鉛の界面）と（液体排出口２１）の液体表面とのレベル差×液体塩化亜鉛比重）］となる。従って、排ガス凝縮装置１内の差圧は、同装置内の液体塩化亜鉛のレベルの指標となる。液体亜鉛が液体排出口２１から排出されず、かつ気液接触部には液体亜鉛が常時存在するよう液体亜鉛の抜き出し量を調整することで差圧調整を行う。反応炉の操業圧力は「吸引ポンプの吸引圧力−排ガス凝縮装置内差圧」となるので吸引ポンプの吸引圧力を調整することで制御できる。
【００４９】
上述した運転管理方法によって、亜鉛還元反応装置（反応炉）からの排ガスを連続的に排ガス凝縮装置で処理することが可能であり、反応炉と排ガス凝縮装置を含むシステムとしての連続操業が可能となる。
【００５０】
［４．排ガス凝縮装置の他の構成］
図７には、本発明の排ガス凝縮装置の他の実施の形態を示す外観図である。図８は、図７に示した排ガス凝縮装置の断面図である。図７に示すように、この例では、排ガス凝縮装置１’に湯溜りが設けられておらず、代わりに、液体亜鉛が貯留されているタッピングウェル４０が、本体１０の側面の位置に配置されている。このタッピングウェル４０から本体部１０内に液体亜鉛が供給される。図８に示すように、本実施の形態の排ガス凝縮装置１’は、前述した排ガス凝縮装置１と同様に、本体部１０は傾斜して設置されている。
【００５１】
この本体部１０の下端部近辺に、鉛直方向にガス入口１１が配置されている。本体部１０の上端部近辺には、鉛直方向にガス出口１２が配置されている。ガス出口１２の下方の、本体１０の内面の底面２１ａは、水平（本体部１０が傾斜している状態で水平面と平行）に形成されている。本体部１０の上端面の下端部には、本体１０の内面の底面２１ａに沿って貫通孔である液体排出口２１が設けられている。この液体排出口２１からは、排ガス凝縮装置１’内で液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛が排出される。
【００５２】
本実施の形態の本体部１０の内部には、前述した実施の形態の上下仕切板１３が設けられておらず、代わりに第１バッフル１６、第２バッフル１７が配置されている。図９に示すように、これら第１バッフル１６（図９（ｂ））及び第２バッフル１７（図９（ａ））は、本体部１０の内壁面に本体部１０の中心軸線と平行（中心軸線を含む面）に配置されている。前述した実施の形態と同様に、第１バッフル１６及び第２バッフル１７の上方、即ち、本体部１０の内壁面の頂部に沿って排ガスの経路が形成される。
【００５３】
ガス入口１１に近い第１バッフル１６は、気−液の乱流攪拌を促進する機能を有する。ガス出口１２に近い第２バッフル１７は、液体亜鉛の循環を維持する役割を果たす。本例では、第２バッフル１７とガス出口１２との間の亜鉛液面下にタッピングウェル４０に液体亜鉛を排出する抜出口２２を配置し、ガス入口１１の下方には、タッピングウェル４０から液体亜鉛を流入させるための流入口２３を配置している。第２バッフル１７は、液体亜鉛をタッピングウェル４０へ導くと共に、排ガス凝縮装置１’内の液体亜鉛の循環を維持する役割を果たしている。
【００５４】
このようにして、タッピングウェル４０と本体部１０との間で液体亜鉛を循環させる。大容量のタッピングウェル４０を使用することで、液体亜鉛の急激な温度変動を抑制することが可能であり、一定範囲内に液体亜鉛の温度を制御しやすい。また、大容量のタッピングウェル４０は、複数の水冷管（クーリングコイル）を、タッピングウェル４０内の液体亜鉛に同時に浸漬させて除熱することが可能で除熱能力が大きく、また容量が大きいので温度変化が少ない。このような実施の形態の排ガス凝縮装置１’は、大規模な生産設備に適している。一方、前述した湯溜りを備えた排ガス凝縮装置１は、小規模な生産設備に適している。
【００５５】
本実施の形態に係る排ガス凝縮装置１’は、前述した排ガス凝縮装置１と同様の方法で、排ガス中の亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを液化するものである。但し、前述した排ガス凝縮装置１と異なり、堰部材やブロッカを有していない。また、液化した亜鉛を回収するための湯溜りも有していない。このように湯溜りを設置していない場合、液体排出口２１からは、凝縮の開始に伴い、排ガス凝縮装置１’内で液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛の混合液が排出されることになる。この混合液は、液体排出口２１から排出された後、比重の相違によって液体亜鉛と液体塩化亜鉛に分離することが可能である。減圧状態にある本体部１０から大気圧下に連続的に混合液を抜き出すために、図１０に示すような混合液を分離する比重分離装置８０を使用する。
【００５６】
図１０は、液化した亜鉛及び塩化亜鉛の回収のための比重分離装置８０を示す断面図である。比重分離装置８０は、一部の上方が開口されたもので、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の違いにより分離するための容器である。比重分離装置８０には、上方から液体排出口２１に連なる配管が挿入されている。また、上部壁面８２の側壁には、オーバーフローした液体塩化亜鉛を抜き出すための管路である抜出口８１が挿入されている。抜出口８１は、外部空間、即ち、大気と連通している。比重分離装置８０を構成する容器の底部は、略Ｕ字状の空間が形成されており、Ｕ字を構成する一方の壁面である下部壁面８３は、比重分離装置８０の上部壁面８２よりも外周で突出した形状となっている。
【００５７】
下部壁面８３と上部壁面８２との間には間隙が設けられ、上部壁面８２と比重分離装置８０底面との間にも間隙が設けられている。要するに、上部壁面８２は、比重分離装置８０の内部空間を２分割するように配置されているが、液体亜鉛は両空間を自由に流れることになる。下部壁面８３の上部の縁部８４の高さは、所定高さに形成されていて、抜出口８１の下方の高さ位置である。この縁部８４から、液体亜鉛がオーバーフローすることにより液体亜鉛のみが回収できる。図１０に示すように、比重分離装置８０の容器内部の下層には液体亜鉛が充填され、上層には液体塩化亜鉛が充填されていることになる。
【００５８】
容器内の液体亜鉛層には、比重分離装置８０の上部壁面８２が上から突っ込んだような形で浸漬された状態となっている。この上部壁面８２が邪魔板として機能し、略Ｕ字状の容器の底部は隙間無く液体亜鉛で満たされることになる。これにより、サイフォンの原理によって液体亜鉛が縁部８４からオーバーフローする。即ち、上部壁面８２内部の液体亜鉛の液面より高い位置にある突出部の縁部８４から液体亜鉛のみを回収することが可能になる。なお、このような回収方法を採るためには、排ガス凝縮装置１の運転時に、予め加熱溶融した液体亜鉛を比重分離装置８０に所定レベルまで注入しておく。
【００５９】
次いで、液体塩化亜鉛を抜出口８１からオーバーフローするまで注入する。その際、液体排出口２１に連なる配管の先端は、液体塩化亜鉛の層のみに浸漬した状態となっている。本体内部が真空吸引されると、液体排出口２１に連なる配管内部も減圧され、比重分離装置８０内の液体塩化亜鉛が配管の先端から配管内部に一定量入り込む（逆流する）。これにより、比重分離装置８０内の液体亜鉛の液面レベルが低下する。このとき、配管先端から空気を吸い込まず、液体塩化亜鉛に配管が浸漬された状態を維持できるように、配管の径と浸漬深さに関しては留意する必要がある。
【００６０】
本体１０内部で凝縮が開始されると、液体排出口２１から配管を通じて比重分離装置８０に混合液が流入する。混合液は比重の相違によって速やかに液体亜鉛と液体塩化亜鉛に分離され、液体塩化亜鉛は浮上し大気圧下の抜出口８１からオーバーフローする。一方、液体亜鉛は底部に溜まり、大気圧下の縁部８４からオーバーフローする。この比重分離装置８０では、底部に溜まっている液体亜鉛の温度を４５０〜５００℃、上層の液体塩化亜鉛の温度を４５０℃程度とすることで流動性を確保することができる。また、液体塩化亜鉛は、必要があれば塩化リチウム（ＬｉＣｌ）の添加によっても流動性を確保することができる。
【００６１】
［５．液体亜鉛及び液体亜鉛の他の抜き取り方法］
液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛の抜き取り方法に関しては前述したが、以下に示す方法を用いることもできる。
（減圧下バッチ方式）
排ガスの凝縮が開始されて一定時間経過すると、排ガス凝縮装置１において、液化した塩化亜鉛が液体排出口２１から流出する。このとき排出される液体塩化亜鉛を、排ガス凝縮装置１内部と同一圧力に保ったタンクに貯蔵し、バッチ方式で外部に取り出す方法も採ることができる。
【００６２】
図１１に示すように、吸引ポンプが接続されるガス出口１２に連結されている配管からバイパスされた配管６０を、密閉状態の貯蔵タンク５１内に挿入することで、排出部３０内が吸引されているときに、貯蔵タンク５１内を減圧状態にする。このときガス出口１２につながる配管のバルブ６１及びバイパスされた配管６０のバルブ６２は、いずれも開いた状態にある。一方、液体排出口２１につながる配管も、密閉状態の貯蔵タンク５１内に挿入されており、このとき当該配管のバルブ６３は、開いた状態にある。この状態で運転することで、液体塩化亜鉛が貯蔵タンク５１に貯蔵されていく。運転中に、バルブ６２、６３を閉じ、貯蔵タンク５１内を窒素ガスで加圧し、貯蔵タンク５１底部に設けられたバルブ６４を開いて、貯蔵された液体亜鉛を貯蔵タンク５１から抜き出す。この処理を一定時間毎に行う。
【００６３】
（亜鉛の抜出方法）
前述した排ガス凝縮装置１のように湯溜り２０が設置されている場合、液体亜鉛はこの湯溜り２０から汲み出すことができる。また、前述した排ガス凝縮装置１’のように、タッピングウェル４０を有している場合には、このタッピングウェル４０に設けた排出口から液体亜鉛を抜き出すことができる。
【００６４】
（サイフォン方式）
液体亜鉛の抜き出し方法として、排ガス凝縮装置内の液体亜鉛のレベル差を一定に保つようサイフォン式亜鉛抜取管を設置するようにしても良い。図１２に示すように、湯溜り２０を有している排ガス凝縮装置に関して本手法を採ることができる。図１２に示すように、湯溜り２０内の液体亜鉛内に、二股状の亜鉛抜取管７０の一方の管を浸漬させておき、他方の管は亜鉛受槽５２の液体亜鉛内に浸漬させておく。これら二股状の管の間には水平部が設けられている。
【００６５】
亜鉛抜取管７０の上部（主管部）は、吸引ポンプがつながるガス出口１２の配管にバイパス接続されており、吸引が開始されると、亜鉛抜取管７０の二股状の管の双方に液体亜鉛が侵入する。このとき侵入した液体亜鉛の高さ（管内での液面レベル）は、本体内の液体亜鉛のレベル差と同じである。湯溜り２０の液面から亜鉛抜取管７０の水平部までの高さを、侵入する液体亜鉛の高さよりも低くすることにより、排ガス凝縮装置内から液体亜鉛を連続的に抜き出すことが可能である。
【００６６】
［５．排ガス凝縮装置の運転実験］
以下、排ガス凝縮装置の運転実験を行った結果を示す。本実験で使用した装置は、図８に示した第１バッフル１７と第２バッフル１６を有し、ガス出口１２側の底部が水平である排ガス凝縮装置１’である。本体部１０の内径は、本実施の形態の実験例では０．５ｍφであり、長さは３．８ｍのものを使用した。この実験例ではタッピングウェル及び湯溜りを設けず、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛は液体排出口２１から排出させた。
【００６７】
（運転開始）
まず、本体外周部に複数ブロックに分けて設置した電気ヒータにより、液体亜鉛注入前に本体部１０内部の温度が５００℃以上になるように加熱した。次に、亜鉛インゴッドを誘導炉で溶解し、本体部１０の注入口（図示せず）から所定量を注ぎ込む。液体亜鉛の注入が完了したら、空気が侵入しないように注入口を密封する。液体亜鉛が所定温度になるように本体部１０の外周に設置した電気ヒータの出力を自動調整する。次に、ガス出口１２に接続された吸引ポンプによって本体部１０内部の吸引を行う。これにより、反応炉から排出された排ガスが本体部１０内部に吸引される。この際、吸引ポンプ入口に設けられたニードルバルブによってガス入口１１側の圧力を大気圧（約１０１ｋＰａ）となるように調整する。その結果、本体部１０内部の差圧が２８ｋＰａとなった。
【００６８】
排ガスの吸引を開始すると、外部加熱ヒータの出力が低下してくる。亜鉛還元反応の負荷が上昇するのに伴い、排ガスの保有熱と凝縮熱による液体亜鉛の加熱が促進され、加熱熱量が放散熱量を上回るようになる。その結果、ヒータの出力は０になる。このときの反応炉の負荷を亜鉛蒸発量であらわすと、４０ｋｇ／ｈであった。この時点から本体部１０の複数箇所に埋め込んだ温度計の指示値を見ながら、送風ファンにより本体部１０を空冷した。反応炉の亜鉛蒸発量を最大６０ｋｇ／ｈに向上させたが、空冷機構によって本体部１０の温度は所定範囲（４５０〜５５０℃）に維持することができた。
【００６９】
（混合液の抜き出し）
本体部１０に引き込んだ排ガスの凝縮が開始すると、内部の液体量が増加してくる。ガス入口１１の圧力を所定の範囲に保つため、真空ポンプの吸引量を調整した。その結果、本体内部の差圧が３２ｋＰａまで上昇した時点で、液体排出口２１から、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛の混合液の流出が開始した。混合液は前述した図１０に示した装置と方法で比重分離し、液体亜鉛と液体塩化亜鉛を分離して回収することができた。
【００７０】
（凝縮率）
表２には、操業Ｎｏ毎に、排ガスに含まれる成分量を示した。これに示されるように、排ガスには亜鉛ガス、塩化亜鉛ガス、窒素ガス、及び四塩化珪素ガスが含まれる。また、各操業Ｎｏの操業時間（排ガス処理時間）と、ガス入口１１における排ガスの温度も併記した。ここで反応炉における四塩化珪素と亜鉛との混合モル比は、四塩化珪素：亜鉛＝１：１．８〜１：２．５の間で変動させた。排ガス凝縮装置１’に関しては、３．５〜１１．５時間の連続運転を行い、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛を回収することができた。表２に示す排ガス凝縮装置１’の運転時間は、反応炉内のシリコン取り出し作業のために中断したために一定時間に区切られているものであり、排ガス凝縮装置１’自体の要因で運転時間を区切ったものではない。
【００７１】
【表２】
【００７２】
これら各操業Ｎｏ毎に、亜鉛回収量及び塩化亜鉛回収量を計測し、その結果を表３に示した。亜鉛凝縮に際して、亜鉛製錬で発生するような金属亜鉛粉末（Blue Powder）の発生は見られなかった。表２の亜鉛ガス量と表３の亜鉛回収量との比較から、排ガス中の亜鉛ガスは、排ガス凝縮装置１’を通過させることで１００％液化凝縮することが判明した。
【００７３】
【表３】
【００７４】
また、表２の塩化亜鉛ガス量と表３の塩化亜鉛回収量との比較から、排ガス中の塩化亜鉛ガスは、排ガス凝縮装置１’を通過させることで９８％以上液化凝縮することが判明した。なお、ガス出口１２付近と、本体部１０と吸引ポンプとの間に設置しているバグフィルターに若干の塩化亜鉛の付着が見られたものの、凝縮率に影響を与える程度ではなかった。未反応四塩化珪素は、ガス出口１２からガス状態で抜き出した後、液化温度（５８℃）以下に冷却し、回収する。回収率は冷却温度とガス圧力に依存する。
【００７５】
（湯溜り設置の効果に関して）
本実験例においては湯溜りを設置しなかったが、排ガス凝縮装置１’に湯溜りを設置することにより、以下の効果を期待することができる。まず、湯溜りにガスバーナーを設置することで、液体亜鉛注入前の排ガス凝縮装置１’の昇温時間を短縮することができる。また、液体亜鉛の保有量を増やすことができるため、操業中の液体亜鉛の温度変動を緩和することができる。また、湯溜りの表面を解放することで、液体亜鉛の取り扱いが容易になる。即ち、液体亜鉛の注入及び排出、液体亜鉛の温度調整、並びに混入シリコンの除去が容易となる。図２及び図３の例に示したように、湯溜り２０の上面を解放しておくことで、混入したシリコンが液体亜鉛中に存在することを目視することができるので、これを容易に取り除くことができる。
（その他について）
前記実施の形態では、四塩化珪素の反応炉のための排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置について説明した。しかしながら、これに限定されることはなく、シラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、ジブロモシラン、トリブロモシラン、シリコンテトラブロマイド、ジアイオドシラン、トリアイオドシラン、シリコンテトラアイオダイド等であっても良い。従って、クロロシランと呼ばれているトリクロロシラン、四塩化珪素等のような、シリコン、塩素及び/又は水素との化合物の反応炉にも使用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１…排ガス凝縮装置
１０…本体部
１１…ガス入口
１２…ガス出口
１３…上下仕切板
１４…堰部材
１５…ブロッカ
２０…湯溜り
２１…液体排出口
３０…排出部
５０…回収装置
８０…比重分離装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塩化シリコンを金属亜鉛で還元し、太陽電池用金属シリコン（ＳＯＧ−Ｓｉ）を製造するプロセスにおいて、還元工程で生じた排ガス中に含まれる亜鉛ガスと塩化亜鉛ガスを液化して回収するための排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池用シリコンは、半導体用シリコン製造法であるシーメンス法で製造されてきた。しかし、太陽電池の用途としては、半導体ほどの純度を必要としないことから、需要増加と低価格化要求に対応するため、シーメンス法に代わる安価で大量生産できる製造プロセス開発が求められている。本発明者等は、例えば特許文献１に示すように、亜鉛還元法による太陽電池用シリコン原料の製造方法を提案している。
【０００３】
亜鉛還元法は、以下の式（１）に基づいて、シリコン原料として四塩化珪素ガス（ＳｉＣｌ４）を用い、ガス或いは液体金属亜鉛（Ｚｎ）により還元し、金属シリコンを得るものである。ＳｉＣｌ４、Ｚｎ、ＺｎＣｌ２の融点及び沸点を表１に示す。
【数１】
【表１】
【０００４】
上記の反応における理論反応率は、亜鉛がガス状の場合５０〜８０％、液体ではほぼ１００％になり、反応速度は速く、生産性の高いシステムである。亜鉛還元法は、半導体用シリコン製造プロセスとしてデュポン社によって開発され、１９５０年代には商業生産を行っていたが、半導体用シリコンの高純度化の流れに対応できず、１９６０年代に中止されたものである。その後１９７０年代後半〜８０年代初頭にかけて、米国政府機関の委託によりバッテルコロンバス研究所（ＢＣＬ）が、太陽電池用シリコン製造法として研究を実施したが（非特許文献１）、発明者等の知る限りでは未だに実用化までには至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００８／１５３１８１
【特許文献２】米国特許第２０７０１０１
【特許文献３】米国特許第２７６６１１４
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Evaluation of Selected Chemical Processes for Production of Low-cost Silicon (PhaseIII)by BCL,DOE/JPL954339-81/21,March31.1981
【非特許文献２】講座・現代の金属学 製錬編２「非鉄金属製錬」日本金属学会pp112-113
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
亜鉛還元法の実用化を阻む要因の一つとして、反応排ガスの処理がある。前述した還元反応は反応炉において実行される（例えば、特許文献１の段落００５２）。反応炉では、不活性ガスをキャリアガスとして、温度制御、流量制御を行いながら、亜鉛（Ｚｎ）ガスと四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）ガスを還元反応させて、シリコン（Ｓｉ）を連続的に生成する。反応炉における還元工程で生じる排ガスには、反応生成物である塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）以外に、未反応の四塩化珪素ガスと亜鉛ガス、及び添加した不活性ガスが含まれる。また、この排ガスには、通常は製造されたシリコン粉末も一部混入している。この排ガスは反応炉から排出された後、成分毎に分離回収して再利用する必要がある。
【０００８】
還元剤として亜鉛ガスを用いる場合、排ガス温度は亜鉛をガス状態で反応系外に排気するため９０７℃以上にする必要がある。一方、排ガスを成分毎に分離回収するためにはガス冷却を行う必要があるが、高温のガスを冷却する過程で未反応のガスが反応し、前述した式（１）に示したシリコン生成反応が追加的に生じてしまう（いわゆる追反応が生じてしまう。）という問題がある。このような追反応によって析出したシリコンが排ガスの流路を閉塞し、冷却回収した液体の亜鉛や塩化亜鉛に混入する等の問題が生じている。
【０００９】
本発明は、このような技術背景のもとになされたものであり、その目的は反応排ガスに含まれる亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスの追反応を抑制しつつ液化し、且つ２液を分離して回収することが可能な排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記課題を解決するために以下の措置を採る。なお後述する発明を実施するための最良の形態の説明及び図面で使用した符号を参考のために括弧書きで付記するが、本発明の構成要素は該付記したものには限定されない。
本発明１の排ガス凝縮方法は、シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスを反応させて固体のシリコンを製造するときに生じる、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが含まれる排ガスを、４２０℃以上７３２℃以下の液体亜鉛中を通過させ、前記亜鉛ガス及び前記塩化亜鉛ガスを前記液体亜鉛で冷却して液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とすることを特徴とする。
本発明２のの排ガス凝縮方法は、本発明１のシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法において、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とした後、両液体を比重の相違によって分離することを特徴とする。
【００１１】
本発明１の排ガス凝縮装置（１，１’）は、
本発明１又は２に記載したシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法に用いる排ガス凝縮装置であって、
中心線が水平面に対する傾斜角は５〜５５度であり、内部が空洞である本体部と、
この空洞と連通し、前記本体部の下端部付近に配置され、前記シリコン製造時に反応炉から排出される前記排ガスを供給するためのガス入口と、
前記空洞と連通し、前記本体部の上端部付近に配置されたガス出口と、
前記本体部の内部には前記液体亜鉛を前記ガス入口を超える高さである第１のレベルまで満たし、前記ガス出口側から吸引することによって、前記液体亜鉛のレベルを前記第１のレベルから第２のレベルまで上昇させて、前記ガス入口と前記ガス出口間で前記液体亜鉛のレベル差を生じさせるための吸引手段とからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明２の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記空洞には、前記液体亜鉛を循環させるための循環機構が設けられていることを特徴とする。
本発明３の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明２の排ガス凝縮装置であって、前記循環機構は、前記空洞を上限に２分割し、前記本体の中心軸線を含む面を有する板材であることを特徴とする。
【００１３】
本発明４の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記ガス出口の下方であって、前記本体部の内部上面には前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛が当該ガス出口に侵入することを防止するためのブロッカが設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明５の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の上端部付近には、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口の外部に配置され、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の相違によって分離させるための比重分離装置を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明６の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の上端部付近には、前記液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口には、前記液化した塩化亜鉛を回収するための回収装置が配置されてることを特徴とする。
【００１６】
本発明７の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記傾斜角が１０〜３０度であることを特徴とする。
本発明８の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の液体亜鉛の温度を４５０〜５５０℃に制御するための温度調整機構を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明９の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記本体部の材質が炭化珪素、又は溶融シリカであることを特徴とする。
本発明１０の排ガス凝縮装置（１，１’）は、本発明１の排ガス凝縮装置であって、前記シリコン塩化物がクロロシランであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、排ガスの急冷が可能であり、追反応を抑制しつつ、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを冷却して液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛として各々抽出可能な状態とすることができる。液体となった亜鉛と塩化亜鉛は互いに溶解せず、比重の相違（液体亜鉛：約６．５，液体塩化亜鉛：約２．４）によって分離することができる。
【００１９】
また、排ガスを液化するときに生じる凝縮熱は充填されている液体亜鉛に吸収され、この液体亜鉛の温度は排ガス凝縮装置の本体部に設けられた温度調整機構によって制御可能である。従って、排ガスを液化する際に発生する凝縮熱を除熱することができる。また、この温度制御機構によって、還元反応を実行させる反応炉が反応を開始するに先だって排ガス凝縮装置を一定温度（４５０〜５５０℃）に加熱しておくことができる。これにより反応炉を含めたシステム全体の稼働を円滑に行うことができる。
【００２０】
また、本発明は還元反応を実行させる反応炉から生じた排ガスを連続的に処理して、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を連続的に抽出（排ガス凝縮装置外に排出）可能である。従って、反応炉を含めたシステム全体としての連続稼働に対応することができる。このような連続処理が可能となるため、上流側の反応炉の負荷変動に柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の排ガス凝縮装置の実施の形態を表す外観図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の排ガス凝縮装置（吸引装置の非稼働時の状態）の全断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図１の排ガス凝縮装置（吸引装置の稼働時の状態）の断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４は、図１の排ガス凝縮装置の排ガス経路の部分拡大図である。
【図５】図５は、図１の排ガス凝縮装置の排出部の部分拡大図である。
【図６】図６は、液化した塩化亜鉛の回収装置を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の排ガス凝縮装置の他の実施の形態を表す外観図である。
【図８】図８は、図７の排ガス凝縮装置の断面図である。
【図９】図９（ａ）は、図８のＡ−Ａ断面図である。図９（ｂ）は、図８のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】図１０は、液化した亜鉛及び塩化亜鉛の比重分離装置を示す断面図である。
【図１１】図１１は、液化した塩化亜鉛の他の回収方法を示す配管図である。
【図１２】図１２は、液化した亜鉛の他の回収方法を示す配管図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［１．排ガス凝縮装置の構成］
本発明は、塩化シリコンを亜鉛によって還元しＳＯＧ−Ｓｉを製造した際に発生する排ガスを、追反応を抑制しつつ冷却し、排ガス中に含まれる亜鉛ガスと塩化亜鉛ガスを同時に液化して回収するための排ガス凝縮装置に関する。本発明に係る排ガス凝縮装置によって、排ガスを連続的に処理することができ、ＳＯＧ−Ｓｉ製造において連続操業の実現に貢献することができる。
【００２３】
本発明に係る排ガス凝縮装置は、亜鉛製錬の電熱蒸留法（St,Joseph process）において、金属亜鉛蒸気を大量に含む排ガスから亜鉛を液体亜鉛として回収する装置を応用したものである。この装置に関しては、特許文献２、３及び非特許文献２に開示されている。本発明は、この装置を応用して、亜鉛還元法でＳＯＧ−Ｓｉを製造する際に発生する亜鉛ガスと塩化亜鉛ガスを同時に液化し、分離回収可能としたものである。回収した亜鉛は、塩化シリコンの還元剤としてリサイクルし、塩化亜鉛は液体のまま溶融塩電解を行い、亜鉛を回収する。同時に発生する塩素ガスは塩化シリコンの製造に利用することができる。
【００２４】
以下、本発明に係る排ガス凝縮装置の実施の形態を図面により説明する。図１の外観図及び図２（ａ）の断面図に示すように、本発明の排ガス凝縮装置１は、内部が空洞の断面が筒状の本体部１０を有している。本例では、本体部１０は円筒状であり、この下端面と有底で円筒状の湯溜り２０の側面である外周面が連結されている。即ち、本体部１０の端面と湯溜り２０の側面が互い交わった相貫体を成している。この湯溜り２０の上端部は、蓋によって開閉自在であり、この湯溜り２０の中心軸線は鉛直方向である。本体部１０と湯溜り２０の内部の空洞は互いに連通している。
【００２５】
本体部１０の上端面は、有底で円筒状の排出部３０の側面に連結され、この排出部３０の中心軸線は鉛直方向に向いている。即ち、本体部１０の端面と排出部３０の側面が互い交わった相貫体を成している。本体部１０の中心軸線と水平面との傾斜角は５〜５５度であり、好ましくは１０〜３０度である。従って、図２（ａ）の断面図に示すように、これら本体部１０、湯溜り２０、及び排出部３０の内部の空洞は互いに連続している。図２及び図３に示すように、稼働時には、この湯溜り２０及び本体部１０に液体亜鉛が充填される。
【００２６】
本体部１０の下端部付近で上部の壁面には、排ガスを供給するための円筒状の管であるガス入口１１が配置されている。ガス入口１１の上端部は開口しており、この中心線は鉛直方向である。反応炉（図示せず。）から排出された排ガスは、このガス入口１１より排ガス凝縮装置１内に供給される。また、本体部１０の内部空洞の中心部には、液体亜鉛の循環を促すための循環機構として、本体部１０の中心軸線に沿って上下仕切板１３が固定、配置されている。図３（ａ）に示すように、排ガス処理中は上下仕切板１３の存在によって、充填された液体亜鉛が上下仕切板１３の上下を自然、又は強制的に循環（対流）する。
【００２７】
この循環により液体亜鉛が局所的に高温となることを防止している。排出部３０の上部のガス出口１２から排ガスをブロア等の吸引装置（図示せず）で吸引することにより、本体部１０及び排出部３０内が減圧される。なお、この吸引装置の吸引孔の位置は、本体部１０又は排出部３０の内壁面であれば、上下仕切板１３より上方の位置であれば、どこに配置しても良い。一方、本体部１０の内部の下面には、液体亜鉛の液面領域を画する堰部材１４が設けられている。この堰部材１４は、図３（ｂ）に示すように、一方の壁面が低い断面形状が凹部状の形状物である。この堰部材１４は、本体部１０の内壁に固定されている。堰部材１４の底部には、溶融している液体を流出入するための貫通孔１４ａが形成されている。貫通孔１４ａは、堰部材１４を越えた溶融液体を本体部１０の下方に還流させるためのものである。
【００２８】
また、堰部材１４への貫通孔の形成は、溶融液体が滞留しないように必要に応じて他の箇所に形成しても良い。本体部１０内部壁面で、かつ堰部材１４の斜め上部の位置にはブロッカ１５が固定して配置されている。排出部３０は、本体部１０の上端に設けられ、その頂部には、ガス出口１２が設けられており、このガス出口１２からは、未反応の四塩化珪素ガスと、添加した不活性ガスが排出される。このためにこのブロッカ１５は、後述する図４に示すように、四塩化珪素ガスと不活性ガスと共に、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛の一部が亜鉛液面上で飛沫となって飛散（スプラッシュ）したときに、これらをブロッカ１５に衝突させてガス出口１２に飛散するのを防止するためのものである。
【００２９】
また、図３（ａ）に示すガス出口１２には、排ガスの吸引を行うための吸引ポンプ（図示せず。）が接続されており、このガス出口１２から本体部１０の内部を吸引することによって、液体亜鉛の液面レベルを第２のレベルまで上昇させる（図３（ａ）に示した状態）。即ち、ガス入口１１よりガス出口１２の圧力が低い状態を吸引ポンプで作り出して、液体亜鉛の液面レベルを第１のレベルから第２のレベルに高くするものである。また排出部３０の底部付近には、液化した塩化亜鉛を取り出すための液体排出口２１が設けられている。ここで液体排出口２１から排出された塩化亜鉛は、図６に示すように回収装置５０に回収される。
【００３０】
（傾斜角度に関して）
排ガス凝縮装置１の本体部１０の中心線は、水平から所定角度を成しており、いわゆる傾斜構造になっている。排ガスの凝縮率（蒸気が液体に変わる率）は、ガス入口１１からガス出口１２を通過するときの液体亜鉛中での通過距離、通過速度、温度等の影響を受ける。ガス入口１１及びガス出口１２の間の圧力差が一定、高低差（高さ）が一定のとき、本体部１０の傾斜角度を大きく取った場合、排ガスの液体亜鉛中の通過距離が短くなり、通過時間も短くなるが、通過速度は大きくなる。排ガスの通過速度が速くなると、これによって発生する渦流、コアンダ効果等による撹拌による気液が接触する確率は増加する。
【００３１】
逆に、本体部１０の傾斜角度が小さい場合、排ガスの液体亜鉛中の通過距離が長く、通過時間も長くなるが、一方で通過速度が小さくなる。このために、これによって発生する渦流、コアンダ効果等による撹拌による気液が接触する確率は低下する。経験的に本体部１０の水平面に対する傾斜角度θが、５〜５５度であれば適正なガス凝縮率は得られる。この傾斜角度θが大きいと液の攪拌、振動が大きくなり、傾斜角度θが小さいと設備が大きくなることから一般的には１０〜３０度が好ましい。
【００３２】
（加熱装置）
液体亜鉛を加熱するための機構として、本例では本体部１０の外周に電気ヒータ（図示せず）を配置しておく。また、本例のように湯溜り２０を設置している場合には、液体亜鉛に電気ヒータを浸漬させる構造のものでも良く、又はガスバーナーで加熱するようにしても良い。また、本体部１０内の液体亜鉛を均一な温度分布にするために、液体亜鉛を強制的に循環させると安定的な運転が可能となる。この強制循環機構は、例えば、以下の方法を採ることができる。ガス出口１２、又はこの近くの本体部１０の下方で、液面下に液体亜鉛の抜出口を配置し、ガス入口１１の下方には液体亜鉛の流入口を設けておき、これらの間を連通管で繋ぐ。液体亜鉛を電磁的に駆動する電磁ポンプを使用して、強制的に連通管と排ガス凝縮装置１との間で液体亜鉛を循環させ、その循環経路の途中に加熱器を設置しておき温度調整を行う。
【００３３】
（冷却装置）
後述するように、液体亜鉛の温度は、塩化亜鉛の沸点（７３２℃）以下でなければならず、このために設定温度以上に加熱されたとき、液体亜鉛を冷却する必要がある。液体亜鉛を冷却するための機構として、本体部１０の上面、又は外周面をフィン構造（図示せず）にしておき、外部からファンによって本体部１０の液体亜鉛を空冷するようにする。また、本体部１０の外周に着脱可能な水冷ジャケットを設置しておくようにしても良い。このとき加熱用の電気ヒータを外周部の下面に配置し、水冷ジャケットを上面に配置し、冷却と加熱を選択的にできるようにすると良い。
【００３４】
また、湯溜り２０内に水冷管を浸漬して冷却することも可能である。冷却の度合いは浸漬する水冷管の数、浸漬深さで調整できる。また、液体亜鉛を強制的に循環させるようにして冷却しても良い。例えば、以下の方法を採ることができる。前述した加熱装置と同様に、ガス出口１２、又は本体１０の下方で、液面下に液体亜鉛の抜出口を設けておき、ガス入口１１の下方には液体亜鉛の流入口を設けておき、これらの間を連通管で繋ぐ。電磁ポンプを使用して強制的に連通管と排ガス凝縮装置１との間で液体亜鉛を循環させ、その循環経路の途中に冷却器を設置しておき、液体亜鉛の温度調整を行う。
【００３５】
（材質）
排ガス凝縮装置１、回収装置５０、比重分離装置８０の内壁面を構成する材質は、少なくとも排ガス成分、液体亜鉛、及び液体塩化亜鉛と反応しないことが条件となる。この条件をクリアするものとして、セラミックス全般が使用可能であり、特に炭化珪素、溶融シリカが適する。
【００３６】
［２．排ガス凝縮装置の作用］
次に、本発明の排ガス凝縮装置１の作用に関して説明する。まず、湯溜り２０と本体部１０の中に第１のレベルまで液体亜鉛を充填する。この第一のレベルとは、図２に示すように、液面が、ガス入口１１と本体部１０の内壁面の接合部分よりも上に位置しているレベルである。本例では、液体亜鉛の液面は上下仕切板１３の上部先端よりやや下方に位置している。本実施の形態の排ガス凝縮装置を動作させるためには、この第１のレベル（図２（ａ））にある液面を第２のレベル（図３（ａ））まで上昇させる。このとき液体亜鉛の温度は、亜鉛の融点（４２０℃）以上で、塩化亜鉛の沸点（７３２℃）以下でなければならず、４５０〜５５０℃が好ましい。
【００３７】
本実施の形態では、ガス出口１２から排ガスを吸引ポンプ（図示せず。）によって吸引することにより、ガス入口１１とガス出口１２の間で、液体亜鉛のレベル差を作り出す（図３（ａ）に示した状態）。本実施の形態では、ガス入口１１における圧力を９６ｋＰａ〜１０６ｋＰａ（即ち大気圧±５ｋＰａ）、ガス出口１２における圧力を、ガス入口１１における圧力、即ち概ね大気圧より１５〜４０ｋＰａ低く制御することにより、液体亜鉛のレベルを第２のレベルまで上昇させる。
【００３８】
図６は、液化した塩化亜鉛の回収装置を示す断面図である。図３に示すよう排出部３０の液体排出口２１から排出された液体塩化亜鉛は、回収装置５０に回収される。図６に示すように、この液体排出口２１に接続されてい配管の他端は、回収装置５０に充填された液体塩化亜鉛に挿入された状態にあるる。このために回収装置５０から大気が本体１０内に侵入することはないので、吸引ポンプによる排ガスの吸引に支障は生じない。但し、図６に示すように、吸引されることにより、液体塩化亜鉛が液体排出口２１である配管に入り込み、回収装置５０内の液体塩化亜鉛の液面が下がる。このとき配管から外気を吸い込まず、液体塩化亜鉛に配管が浸漬された状態を維持できるように、配管の内径と浸漬深さに関しては留意する必要がある。
【００３９】
これにより、ガス出口１２側の液面は、上下仕切板１３を超える位置、即ち堰部材１４の底部を覆う程度の位置まで上昇する（図３（ａ））。一方、反応炉からの排ガスは、９６ｋＰａ〜１０６ｋＰａに維持されているので、ガス入口１１内の液面は下がり、ガス入口１１と本体部１０の内壁面の接合部分よりも下に位置することになる。これにより、排ガスがガス入口１１から本体部１０の液体亜鉛内に供給される。即ち、排ガス凝縮装置１が反応炉からの排ガスを吸い込む。
【００４０】
ガス入口１１から本体部１０の液体亜鉛内に供給された排ガスは、本体部１０の内壁頂部を通過して液体亜鉛の液面まで達する。このとき、図４に示すように、ガス入口１１から液面にかけて、本体部１０の内壁頂部に沿って排ガスが通過する経路Ｘが形成される。排ガスが、この経路Ｘを高速で通過することによって、気−液のミキシングが発生し、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが急冷凝縮されて、液化される。即ち液体亜鉛の温度を、亜鉛の融点（４２０℃）以上で、塩化亜鉛の沸点（７３２℃）以下、好ましくは４５０〜５５０℃に保つことにより、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを同時に液化することができる。
【００４１】
このようにして排ガスを冷却する際、排ガス凝縮装置１内で排ガスの保有熱と、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが液状に戻るときに熱を放出する凝縮熱が発生する。一方で、排ガス凝縮装置１自体からの熱放射、熱伝導も存在する。これらの熱バランスを図り、液体亜鉛の温度範囲を一定に保つためには、必須要件ではないが加熱機構と冷却機構の双方を有する温度調整機構が必要である。この温度調整機構は、液体亜鉛が循環しているので、本体部１０内に温度調整機構を設けるようにしても良いし、湯溜り２０に温度調整機構を設けるようにしても良い。また、排ガス凝縮装置１の外部に設けた液体亜鉛貯留槽（本発明者等はタッピングウェルと称している。）から、温度制御された液体亜鉛を排ガス凝縮装置１に循環させるようにしても良い。
【００４２】
本体部１０における気−液接触部（経路Ｘ）では、急激な熱交換が行われるため、部分的に液体亜鉛の温度が高くなる。また排ガスが高速で通過するため、液体亜鉛がガス流とともに上昇する。液体亜鉛の液面付近が局所的に高温になるのを防止すべく、液体亜鉛の循環機構として上下仕切板１３が設けられている。液体亜鉛の上昇流と下降流の境界に上下仕切板１３を配置することで、図３（ａ）示す方向に循環する安定した循環流を作り出している。図４に示したように、経路Ｘを通過することにより、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛は、冷却用液体亜鉛と混合するが、一部は図４に示すように、液体亜鉛液面上でスプラッシュ（点線表示）する。
【００４３】
このスプラッシュした液体Ｙ（液体亜鉛と液体塩化亜鉛の混合液）は、堰部材１４の上方を通過して、内壁頂部に設けられたブロッカ１５に衝突して落下する。落下して静置された液体Ｙは、比重の高い液体亜鉛（約６．５）と比重の低い液体塩化亜鉛（約２．４）に分離し、上層が液体塩化亜鉛層、下層が液体亜鉛層となっている。図５に示すように、液体塩化亜鉛は、排出部３０の底部に設けられた液体排出口２１から排出され、図６に示すように回収装置５０に回収される。なお、下層の液体亜鉛は、堰部材１４の下面に設けられた貫通孔１４ａから本体の循環流と合流する。
【００４４】
液化した亜鉛は、湯溜り２０から回収可能であり、前述したように液化した塩化亜鉛は液体排出口２１から回収される。この回収は、液体亜鉛が一定の高さを保つようにセンシングされて制御される。更に、ガス出口１２からは、未反応の四塩化珪素ガスと、添加した不活性ガスが排出される。このようにして排ガスの処理が完了する。なお、この排ガスには通常シリコン粉末も混入しているが、液体亜鉛に混入したシリコン粉末は湯溜り２０上に浮いてくるため、容易に回収することができる。また、液体塩化亜鉛に混入したシリコン粉末は、回収装置５０から連続的に排出される塩化亜鉛と共に回収できる。以上説明したように、連続的に反応炉で生じた排ガスを、本実施の形態の排ガス凝縮装置に連続的に供給し、連続的に処理して排出させることが可能である。
【００４５】
［３．排ガス凝縮装置の運転管理方法］
（温度管理）
本体１０に充填されている液体亜鉛の許容温度範囲は、４２０〜７３２℃であるが、最適温度範囲は４５０〜５５０℃であり、液体亜鉛の温度がこの範囲内で推移するよう温度管理を行う。温度が高いと塩化亜鉛のガス分圧が大きくなり、塩化亜鉛の凝縮率が低下する。一方、温度が低いと液体亜鉛の流動性が悪化し、気液のミキシングが不十分となり、亜鉛、塩化亜鉛ともに凝縮率が低下する。これらの障害を解消するための温度管理方法を以下に示す。
【００４６】
まず、運転開始までは、排ガス凝縮装置１からの放散熱に見合う熱量を外部から与え、液体亜鉛の許容温度範囲を維持する。この際、前述した加熱装置を単独、或いは組み合わせて使用する。運転を開始すると、亜鉛還元排ガスの保有熱と凝縮熱により、液体亜鉛が加熱される。加熱熱量が放散熱量を下回っている間は、加熱操作を継続する。処理ガス量が多くなると、加熱熱量が放散熱量を上回るようになるので、管理基準を逸脱しないよう冷却操作を開始する。この際、前述した冷却装置を単独あるいは組み合わせて使用する。
【００４７】
（圧力管理）
ガス入口１１とガス出口１２との間に差圧を生じさせるために、ガス出口１２を吸引ポンプで吸引する。本例では、この際、ガス入口１１の圧力を９６〜１０６ｋＰａ（大気圧±５ｋＰａ）とし、ガス出口１２側の圧力を、ガス入口１１の圧力より−１５〜−４０ｋＰａ低い圧力に制御する。前述した湯溜り２０を設置しない場合（後述する排ガス凝縮装置１’のような場合）、排ガス凝縮装置内の差圧は、「ガス入口１１の液体亜鉛液面と液体排出口２１とのレベル差×液体亜鉛の比重」となる。反応炉の操業圧力（＝ガス入口１１の圧力）は「吸引ポンプの吸引圧力−排ガス凝縮装置内差圧」となるので吸引ポンプの吸引圧力を調整することで液面の高さを制御できる。
【００４８】
一方、本例のように湯溜り２０が設置されている場合、排ガス凝縮装置１内の液体亜鉛保有量を調整することによって、同装置内の液体塩化亜鉛の保有量を調整できる。そのため排ガス凝縮装置内の差圧は、厳密には、［（（ガス入口１１の液体亜鉛液面）と（液体亜鉛と液体塩化亜鉛の界面）とのレベル差×液体亜鉛比重）＋（（液体亜鉛と液体塩化亜鉛の界面）と（液体排出口２１）の液体表面とのレベル差×液体塩化亜鉛比重）］となる。従って、排ガス凝縮装置１内の差圧は、同装置内の液体塩化亜鉛のレベルの指標となる。液体亜鉛が液体排出口２１から排出されず、かつ気液接触部には液体亜鉛が常時存在するよう液体亜鉛の抜き出し量を調整することで差圧調整を行う。反応炉の操業圧力は「吸引ポンプの吸引圧力−排ガス凝縮装置内差圧」となるので吸引ポンプの吸引圧力を調整することで制御できる。
【００４９】
上述した運転管理方法によって、亜鉛還元反応装置（反応炉）からの排ガスを連続的に排ガス凝縮装置で処理することが可能であり、反応炉と排ガス凝縮装置を含むシステムとしての連続操業が可能となる。
【００５０】
［４．排ガス凝縮装置の他の構成］
図７には、本発明の排ガス凝縮装置の他の実施の形態を示す外観図である。図８は、図７に示した排ガス凝縮装置の断面図である。図７に示すように、この例では、排ガス凝縮装置１’に湯溜りが設けられておらず、代わりに、液体亜鉛が貯留されているタッピングウェル４０が、本体１０の側面の位置に配置されている。このタッピングウェル４０から本体部１０内に液体亜鉛が供給される。図８に示すように、本実施の形態の排ガス凝縮装置１’は、前述した排ガス凝縮装置１と同様に、本体部１０は傾斜して設置されている。
【００５１】
この本体部１０の下端部近辺に、鉛直方向にガス入口１１が配置されている。本体部１０の上端部近辺には、鉛直方向にガス出口１２が配置されている。ガス出口１２の下方の、本体１０の内面の底面２１ａは、水平（本体部１０が傾斜している状態で水平面と平行）に形成されている。本体部１０の上端面の下端部には、本体１０の内面の底面２１ａに沿って貫通孔である液体排出口２１が設けられている。この液体排出口２１からは、排ガス凝縮装置１’内で液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛が排出される。
【００５２】
本実施の形態の本体部１０の内部には、前述した実施の形態の上下仕切板１３が設けられておらず、代わりに第１バッフル１６、第２バッフル１７が配置されている。図９に示すように、これら第１バッフル１６（図９（ｂ））及び第２バッフル１７（図９（ａ））は、本体部１０の内壁面に本体部１０の中心軸線と平行（中心軸線を含む面）に配置されている。前述した実施の形態と同様に、第１バッフル１６及び第２バッフル１７の上方、即ち、本体部１０の内壁面の頂部に沿って排ガスの経路が形成される。
【００５３】
ガス入口１１に近い第１バッフル１６は、気−液の乱流攪拌を促進する機能を有する。ガス出口１２に近い第２バッフル１７は、液体亜鉛の循環を維持する役割を果たす。本例では、第２バッフル１７とガス出口１２との間の亜鉛液面下にタッピングウェル４０に液体亜鉛を排出する抜出口２２を配置し、ガス入口１１の下方には、タッピングウェル４０から液体亜鉛を流入させるための流入口２３を配置している。第２バッフル１７は、液体亜鉛をタッピングウェル４０へ導くと共に、排ガス凝縮装置１’内の液体亜鉛の循環を維持する役割を果たしている。
【００５４】
このようにして、タッピングウェル４０と本体部１０との間で液体亜鉛を循環させる。大容量のタッピングウェル４０を使用することで、液体亜鉛の急激な温度変動を抑制することが可能であり、一定範囲内に液体亜鉛の温度を制御しやすい。また、大容量のタッピングウェル４０は、複数の水冷管（クーリングコイル）を、タッピングウェル４０内の液体亜鉛に同時に浸漬させて除熱することが可能で除熱能力が大きく、また容量が大きいので温度変化が少ない。このような実施の形態の排ガス凝縮装置１’は、大規模な生産設備に適している。一方、前述した湯溜りを備えた排ガス凝縮装置１は、小規模な生産設備に適している。
【００５５】
本実施の形態に係る排ガス凝縮装置１’は、前述した排ガス凝縮装置１と同様の方法で、排ガス中の亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスを液化するものである。但し、前述した排ガス凝縮装置１と異なり、堰部材やブロッカを有していない。また、液化した亜鉛を回収するための湯溜りも有していない。このように湯溜りを設置していない場合、液体排出口２１からは、凝縮の開始に伴い、排ガス凝縮装置１’内で液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛の混合液が排出されることになる。この混合液は、液体排出口２１から排出された後、比重の相違によって液体亜鉛と液体塩化亜鉛に分離することが可能である。減圧状態にある本体部１０から大気圧下に連続的に混合液を抜き出すために、図１０に示すような混合液を分離する比重分離装置８０を使用する。
【００５６】
図１０は、液化した亜鉛及び塩化亜鉛の回収のための比重分離装置８０を示す断面図である。比重分離装置８０は、一部の上方が開口されたもので、液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の違いにより分離するための容器である。比重分離装置８０には、上方から液体排出口２１に連なる配管が挿入されている。また、上部壁面８２の側壁には、オーバーフローした液体塩化亜鉛を抜き出すための管路である抜出口８１が挿入されている。抜出口８１は、外部空間、即ち、大気と連通している。比重分離装置８０を構成する容器の底部は、略Ｕ字状の空間が形成されており、Ｕ字を構成する一方の壁面である下部壁面８３は、比重分離装置８０の上部壁面８２よりも外周で突出した形状となっている。
【００５７】
下部壁面８３と上部壁面８２との間には間隙が設けられ、上部壁面８２と比重分離装置８０底面との間にも間隙が設けられている。要するに、上部壁面８２は、比重分離装置８０の内部空間を２分割するように配置されているが、液体亜鉛は両空間を自由に流れることになる。下部壁面８３の上部の縁部８４の高さは、所定高さに形成されていて、抜出口８１の下方の高さ位置である。この縁部８４から、液体亜鉛がオーバーフローすることにより液体亜鉛のみが回収できる。図１０に示すように、比重分離装置８０の容器内部の下層には液体亜鉛が充填され、上層には液体塩化亜鉛が充填されていることになる。
【００５８】
容器内の液体亜鉛層には、比重分離装置８０の上部壁面８２が上から突っ込んだような形で浸漬された状態となっている。この上部壁面８２が邪魔板として機能し、略Ｕ字状の容器の底部は隙間無く液体亜鉛で満たされることになる。これにより、サイフォンの原理によって液体亜鉛が縁部８４からオーバーフローする。即ち、上部壁面８２内部の液体亜鉛の液面より高い位置にある突出部の縁部８４から液体亜鉛のみを回収することが可能になる。なお、このような回収方法を採るためには、排ガス凝縮装置１の運転時に、予め加熱溶融した液体亜鉛を比重分離装置８０に所定レベルまで注入しておく。
【００５９】
次いで、液体塩化亜鉛を抜出口８１からオーバーフローするまで注入する。その際、液体排出口２１に連なる配管の先端は、液体塩化亜鉛の層のみに浸漬した状態となっている。本体内部が真空吸引されると、液体排出口２１に連なる配管内部も減圧され、比重分離装置８０内の液体塩化亜鉛が配管の先端から配管内部に一定量入り込む（逆流する）。これにより、比重分離装置８０内の液体亜鉛の液面レベルが低下する。このとき、配管先端から空気を吸い込まず、液体塩化亜鉛に配管が浸漬された状態を維持できるように、配管の径と浸漬深さに関しては留意する必要がある。
【００６０】
本体１０内部で凝縮が開始されると、液体排出口２１から配管を通じて比重分離装置８０に混合液が流入する。混合液は比重の相違によって速やかに液体亜鉛と液体塩化亜鉛に分離され、液体塩化亜鉛は浮上し大気圧下の抜出口８１からオーバーフローする。一方、液体亜鉛は底部に溜まり、大気圧下の縁部８４からオーバーフローする。この比重分離装置８０では、底部に溜まっている液体亜鉛の温度を４５０〜５００℃、上層の液体塩化亜鉛の温度を４５０℃程度とすることで流動性を確保することができる。また、液体塩化亜鉛は、必要があれば塩化リチウム（ＬｉＣｌ）の添加によっても流動性を確保することができる。
【００６１】
［５．液体亜鉛及び液体亜鉛の他の抜き取り方法］
液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛の抜き取り方法に関しては前述したが、以下に示す方法を用いることもできる。
（減圧下バッチ方式）
排ガスの凝縮が開始されて一定時間経過すると、排ガス凝縮装置１において、液化した塩化亜鉛が液体排出口２１から流出する。このとき排出される液体塩化亜鉛を、排ガス凝縮装置１内部と同一圧力に保ったタンクに貯蔵し、バッチ方式で外部に取り出す方法も採ることができる。
【００６２】
図１１に示すように、吸引ポンプが接続されるガス出口１２に連結されている配管からバイパスされた配管６０を、密閉状態の貯蔵タンク５１内に挿入することで、排出部３０内が吸引されているときに、貯蔵タンク５１内を減圧状態にする。このときガス出口１２につながる配管のバルブ６１及びバイパスされた配管６０のバルブ６２は、いずれも開いた状態にある。一方、液体排出口２１につながる配管も、密閉状態の貯蔵タンク５１内に挿入されており、このとき当該配管のバルブ６３は、開いた状態にある。この状態で運転することで、液体塩化亜鉛が貯蔵タンク５１に貯蔵されていく。運転中に、バルブ６２、６３を閉じ、貯蔵タンク５１内を窒素ガスで加圧し、貯蔵タンク５１底部に設けられたバルブ６４を開いて、貯蔵された液体亜鉛を貯蔵タンク５１から抜き出す。この処理を一定時間毎に行う。
【００６３】
（亜鉛の抜出方法）
前述した排ガス凝縮装置１のように湯溜り２０が設置されている場合、液体亜鉛はこの湯溜り２０から汲み出すことができる。また、前述した排ガス凝縮装置１’のように、タッピングウェル４０を有している場合には、このタッピングウェル４０に設けた排出口から液体亜鉛を抜き出すことができる。
【００６４】
（サイフォン方式）
液体亜鉛の抜き出し方法として、排ガス凝縮装置内の液体亜鉛のレベル差を一定に保つようサイフォン式亜鉛抜取管を設置するようにしても良い。図１２に示すように、湯溜り２０を有している排ガス凝縮装置に関して本手法を採ることができる。図１２に示すように、湯溜り２０内の液体亜鉛内に、二股状の亜鉛抜取管７０の一方の管を浸漬させておき、他方の管は亜鉛受槽５２の液体亜鉛内に浸漬させておく。これら二股状の管の間には水平部が設けられている。
【００６５】
亜鉛抜取管７０の上部（主管部）は、吸引ポンプがつながるガス出口１２の配管にバイパス接続されており、吸引が開始されると、亜鉛抜取管７０の二股状の管の双方に液体亜鉛が侵入する。このとき侵入した液体亜鉛の高さ（管内での液面レベル）は、本体内の液体亜鉛のレベル差と同じである。湯溜り２０の液面から亜鉛抜取管７０の水平部までの高さを、侵入する液体亜鉛の高さよりも低くすることにより、排ガス凝縮装置内から液体亜鉛を連続的に抜き出すことが可能である。
【００６６】
［５．排ガス凝縮装置の運転実験］
以下、排ガス凝縮装置の運転実験を行った結果を示す。本実験で使用した装置は、図８に示した第１バッフル１７と第２バッフル１６を有し、ガス出口１２側の底部が水平である排ガス凝縮装置１’である。本体部１０の内径は、本実施の形態の実験例では０．５ｍφであり、長さは３．８ｍのものを使用した。この実験例ではタッピングウェル及び湯溜りを設けず、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛は液体排出口２１から排出させた。
【００６７】
（運転開始）
まず、本体外周部に複数ブロックに分けて設置した電気ヒータにより、液体亜鉛注入前に本体部１０内部の温度が５００℃以上になるように加熱した。次に、亜鉛インゴッドを誘導炉で溶解し、本体部１０の注入口（図示せず）から所定量を注ぎ込む。液体亜鉛の注入が完了したら、空気が侵入しないように注入口を密封する。液体亜鉛が所定温度になるように本体部１０の外周に設置した電気ヒータの出力を自動調整する。次に、ガス出口１２に接続された吸引ポンプによって本体部１０内部の吸引を行う。これにより、反応炉から排出された排ガスが本体部１０内部に吸引される。この際、吸引ポンプ入口に設けられたニードルバルブによってガス入口１１側の圧力を大気圧（約１０１ｋＰａ）となるように調整する。その結果、本体部１０内部の差圧が２８ｋＰａとなった。
【００６８】
排ガスの吸引を開始すると、外部加熱ヒータの出力が低下してくる。亜鉛還元反応の負荷が上昇するのに伴い、排ガスの保有熱と凝縮熱による液体亜鉛の加熱が促進され、加熱熱量が放散熱量を上回るようになる。その結果、ヒータの出力は０になる。このときの反応炉の負荷を亜鉛蒸発量であらわすと、４０ｋｇ／ｈであった。この時点から本体部１０の複数箇所に埋め込んだ温度計の指示値を見ながら、送風ファンにより本体部１０を空冷した。反応炉の亜鉛蒸発量を最大６０ｋｇ／ｈに向上させたが、空冷機構によって本体部１０の温度は所定範囲（４５０〜５５０℃）に維持することができた。
【００６９】
（混合液の抜き出し）
本体部１０に引き込んだ排ガスの凝縮が開始すると、内部の液体量が増加してくる。ガス入口１１の圧力を所定の範囲に保つため、真空ポンプの吸引量を調整した。その結果、本体内部の差圧が３２ｋＰａまで上昇した時点で、液体排出口２１から、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛の混合液の流出が開始した。混合液は前述した図１０に示した装置と方法で比重分離し、液体亜鉛と液体塩化亜鉛を分離して回収することができた。
【００７０】
（凝縮率）
表２には、操業Ｎｏ毎に、排ガスに含まれる成分量を示した。これに示されるように、排ガスには亜鉛ガス、塩化亜鉛ガス、窒素ガス、及び四塩化珪素ガスが含まれる。また、各操業Ｎｏの操業時間（排ガス処理時間）と、ガス入口１１における排ガスの温度も併記した。ここで反応炉における四塩化珪素と亜鉛との混合モル比は、四塩化珪素：亜鉛＝１：１．８〜１：２．５の間で変動させた。排ガス凝縮装置１’に関しては、３．５〜１１．５時間の連続運転を行い、液体亜鉛及び液体塩化亜鉛を回収することができた。表２に示す排ガス凝縮装置１’の運転時間は、反応炉内のシリコン取り出し作業のために中断したために一定時間に区切られているものであり、排ガス凝縮装置１’自体の要因で運転時間を区切ったものではない。
【００７１】
【表２】
【００７２】
これら各操業Ｎｏ毎に、亜鉛回収量及び塩化亜鉛回収量を計測し、その結果を表３に示した。亜鉛凝縮に際して、亜鉛製錬で発生するような金属亜鉛粉末（Blue Powder）の発生は見られなかった。表２の亜鉛ガス量と表３の亜鉛回収量との比較から、排ガス中の亜鉛ガスは、排ガス凝縮装置１’を通過させることで１００％液化凝縮することが判明した。
【００７３】
【表３】
【００７４】
また、表２の塩化亜鉛ガス量と表３の塩化亜鉛回収量との比較から、排ガス中の塩化亜鉛ガスは、排ガス凝縮装置１’を通過させることで９８％以上液化凝縮することが判明した。なお、ガス出口１２付近と、本体部１０と吸引ポンプとの間に設置しているバグフィルターに若干の塩化亜鉛の付着が見られたものの、凝縮率に影響を与える程度ではなかった。未反応四塩化珪素は、ガス出口１２からガス状態で抜き出した後、液化温度（５８℃）以下に冷却し、回収する。回収率は冷却温度とガス圧力に依存する。
【００７５】
（湯溜り設置の効果に関して）
本実験例においては湯溜りを設置しなかったが、排ガス凝縮装置１’に湯溜りを設置することにより、以下の効果を期待することができる。まず、湯溜りにガスバーナーを設置することで、液体亜鉛注入前の排ガス凝縮装置１’の昇温時間を短縮することができる。また、液体亜鉛の保有量を増やすことができるため、操業中の液体亜鉛の温度変動を緩和することができる。また、湯溜りの表面を解放することで、液体亜鉛の取り扱いが容易になる。即ち、液体亜鉛の注入及び排出、液体亜鉛の温度調整、並びに混入シリコンの除去が容易となる。図２及び図３の例に示したように、湯溜り２０の上面を解放しておくことで、混入したシリコンが液体亜鉛中に存在することを目視することができるので、これを容易に取り除くことができる。
（その他について）
前記実施の形態では、四塩化珪素の反応炉のための排ガス凝縮方法及び排ガス凝縮装置について説明した。しかしながら、これに限定されることはなく、シラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、ジブロモシラン、トリブロモシラン、シリコンテトラブロマイド、ジアイオドシラン、トリアイオドシラン、シリコンテトラアイオダイド等であっても良い。従って、クロロシランと呼ばれているトリクロロシラン、四塩化珪素等のような、シリコン、塩素及び/又は水素との化合物の反応炉にも使用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１…排ガス凝縮装置
１０…本体部
１１…ガス入口
１２…ガス出口
１３…上下仕切板
１４…堰部材
１５…ブロッカ
２０…湯溜り
２１…液体排出口
３０…排出部
５０…回収装置
８０…比重分離装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスを反応させて固体のシリコンを製造するときに生じる、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが含まれる排ガスを、４２０℃以上７３２℃以下の液体亜鉛中を通過させ、前記亜鉛ガス及び前記塩化亜鉛ガスを前記液体亜鉛で冷却して液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とする
ことを特徴とするシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法において、
前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とした後、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の相違によって分離することにより各々回収する
ことを特徴とするシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載したシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法に用いる排ガス凝縮装置であって、
中心線が水平面に対する傾斜角は５〜５５度であり、内部が空洞である本体部と、
この空洞と連通し、前記本体部の下端部付近に配置され、前記シリコン製造時に反応炉から排出される前記排ガスを供給するためのガス入口と、
前記空洞と連通し、前記本体部の上端部付近に配置されたガス出口と、
前記本体部の内部には前記液体亜鉛を前記ガス入口を超える高さである第１のレベルまで満たし、前記ガス出口側から吸引することによって、前記液体亜鉛のレベルを前記第１のレベルから第２のレベルまで上昇させて、前記ガス入口と前記ガス出口間で前記液体亜鉛のレベル差を生じさせるための吸引手段と
とからなることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項４】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記空洞には、前記液体亜鉛を循環させるための循環機構が設けられていることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項５】
請求項４に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記循環機構は、前記空洞を上限に２分割し、前記本体の中心軸線を含む面を有する板材であることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項６】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記ガス出口の下方であって、前記本体部の内部上面には前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛が当該ガス出口に侵入することを防止するためのブロッカが設けられていることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項７】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の上端部付近には、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口の外部に配置され、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の相違によって分離させるための比重分離装置を有する
ことを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項８】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の上端部付近には、前記液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口には、前記液化した塩化亜鉛を回収するための回収装置が配置されてることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項９】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記傾斜角が１０〜３０度であることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１０】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の液体亜鉛の温度を４５０〜５５０℃に制御するための温度調整機構を有することを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１１】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の材質が炭化珪素、又は溶融シリカであることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１２】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記シリコン塩化物がクロロシランであることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１】
シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスを反応させて固体のシリコンを製造するときに生じる、亜鉛ガス及び塩化亜鉛ガスが含まれる排ガスを、４２０℃以上７３２℃以下の液体亜鉛中を通過させ、前記亜鉛ガス及び前記塩化亜鉛ガスを前記液体亜鉛で冷却して液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とする
ことを特徴とするシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法において、
前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛とした後、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の相違によって分離することにより各々回収する
ことを特徴とするシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載したシリコン製造時に発生する排ガス凝縮方法に用いる排ガス凝縮装置であって、
中心線が水平面に対する傾斜角は５〜５５度であり、内部が空洞である本体部と、
この空洞と連通し、前記本体部の下端部付近に配置され、前記シリコン製造時に反応炉から排出される前記排ガスを供給するためのガス入口と、
前記空洞と連通し、前記本体部の上端部付近に配置されたガス出口と、
前記本体部の内部には前記液体亜鉛を前記ガス入口を超える高さである第１のレベルまで満たし、前記ガス出口側から吸引することによって、前記液体亜鉛のレベルを前記第１のレベルから第２のレベルまで上昇させて、前記ガス入口と前記ガス出口間で前記液体亜鉛のレベル差を生じさせるための吸引手段と
とからなることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項４】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記空洞には、前記液体亜鉛を循環させるための循環機構が設けられていることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項５】
請求項４に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記循環機構は、前記空洞を上限に２分割し、前記本体の中心軸線を含む面を有する板材であることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項６】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記ガス出口の下方であって、前記本体部の内部上面には前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛が当該ガス出口に侵入することを防止するためのブロッカが設けられていることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項７】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の上端部付近には、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口の外部に配置され、前記液化した亜鉛及び液化した塩化亜鉛を比重の相違によって分離させるための比重分離装置を有する
ことを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項８】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の上端部付近には、前記液化した塩化亜鉛を抜き出すための液体排出口が設けられ、当該液体排出口には、前記液化した塩化亜鉛を回収するための回収装置が配置されてることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項９】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記傾斜角が１０〜３０度であることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１０】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の液体亜鉛の温度を４５０〜５５０℃に制御するための温度調整機構を有することを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１１】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記本体部の材質が炭化珪素、又は溶融シリカであることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【請求項１２】
請求項３に記載した排ガス凝縮装置であって、
前記シリコン塩化物がクロロシランであることを特徴とする排ガス凝縮装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２５６１６（Ｐ２０１２−２５６１６Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６５３２６（Ｐ２０１０−１６５３２６）
【出願日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【出願人】（５０７１９９３３３）ソーラーシリコンテクノロジー株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【出願人】（５０７１９９３３３）ソーラーシリコンテクノロジー株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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