多晶硅還原爐冷卻水再利用技術

尹玉晶，周萬禮

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

多晶硅還原爐冷卻水再利用技術

尹玉晶，周萬禮

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

提出一種將多晶硅還原爐高溫冷卻水用于溴化鋰機組驅動熱源的余熱回收利用方案，能夠有效的將冷卻水余熱進行利用，可適當降低多晶硅生產成本。

高溫冷卻水；溴化鋰機組；多晶硅還原爐

在多晶硅生產過程中，主體設備還原爐反應溫度高于1000℃，這些熱能要通過空冷器、循環水等來進行冷卻。同時，在制冷、換熱等環節又要消耗大量的蒸汽，造成能耗的增加。將多晶硅還原爐高溫冷卻水用于溴化鋰機組制冷［1］，進行操作優化和有效管理，不失為一種能源互補利用、降低多晶硅生產能耗的有效方法。

1 系統介紹

1．1 還原爐高溫冷卻水

還原爐是多晶硅生產中的關鍵設備，運行時爐內溫度要控制在1050～1100℃之間，需要通過高溫冷卻水對爐筒及基盤進行降溫。還原爐的大小、規格、材料各異，所使用高溫冷卻水的溫度也有所不同。目前，溫度較高的還原爐冷卻水（進水溫度130℃，回水溫度150℃）多采用閃蒸制備低壓蒸汽，溫度較低的還原爐冷卻水（進水溫度80℃，回水溫度90℃）則多采用直接冷卻達到進水溫度［2］。還原爐循環冷卻水的溫度需要嚴格控制，其進水溫度過高或過低，都會影響多晶硅產品質量。

1.2 溴化鋰機組制冷系統

在多晶硅生產中，冷凍水廣泛應用于硅芯制備工序、各種通風系統冷源及取樣柜等，因此，溴化鋰機組也是多晶硅生產中的主要設備。溴化鋰機組發生器內的驅動熱源通常采用蒸汽或者高溫水，在發生熱交換之后需要不斷消耗蒸汽或者給損失能量的高溫水進行熱量補充，因此，需要耗費大量的熱能。經過改良的溴化鋰熱水二段機組，熱源驅動可直接采用高溫水，能夠有效回收利用低溫余熱［3］。因此，可以將還原爐高溫水作為溴化鋰機組發生器的熱源。

2 還原爐高溫冷卻水余熱利用方法

2.1 設計思路

根據還原爐冷卻水工藝參數及溴化鋰機組驅動熱源工藝參數要求進行熱能互補回收利用設計。為避免兩個系統運行中由于工藝參數波動造成運行不穩定等事故發生，在設計中，一方面保證還原爐高溫冷卻水循環系統與溴化鋰機組熱水循環系統可以獨立運行、互不干擾，同時又能實現兩個系統運行穩定時的快速切換。另一方面，在還原爐冷卻水溫度過低時，可以利用溴化鋰機組進行加熱，從而保證還原爐冷卻水的供水溫度。

2.2 工藝流程

還原爐高溫冷卻水余熱利用工藝流程見圖1。

從還原爐高溫冷卻水出口接一根管道至溴化鋰機組的熱水槽，在進口安裝有調節閥，與熱水槽液位計設計為連鎖控制，同時從溴化鋰機組出口接一根返回的管道至空冷器之后，使還原爐高溫冷卻水與溴化鋰機組形成閉路循環回路，如圖1中虛線所示。

圖1 還原爐高溫冷卻水余熱利用工藝流程Figure 1 Reduction furnace high tem perature cooling water waste heat recovery process

運行中，當從還原爐高溫水至溴化鋰機組的冷卻水溫度偏低，可自動切換通過蒸汽進行補充加熱；如果還原爐高溫水溫度過低，不能滿足溴化鋰機組的高溫水熱源，可截斷串聯，采用蒸汽進行直接加熱。同時在還原爐首次開爐過程中，由于還原爐高溫冷卻水溫度過低，可通過換熱器利用蒸汽進行加熱，以保證還原爐高溫水的進水溫度。

2.3 節能計算

溴化鋰機組獨立運行時消耗的能量計量［4］：其中Q為溴化鋰機組所消耗的能量，kJ／h；m熱水為高溫水質量，kg；cp為高溫水的比熱容，kJ／（kg ·℃）；Δt為高溫水的溫度差，℃；V水為高溫水的流量，m3／h；ρ水為高溫水的密度，kg／m3。

根據溴化鋰機組生產應用情況，單臺流量為：V水＝450m3／h。按照設計溫差Δt＝10℃，取高溫水密度ρ水＝971.8 kg／m3、高溫水的比熱容cp＝4. 195 kJ／（kg·℃），則2臺溴化鋰機組需要補充的能量為：2×450×971.8×4.195×10＝36690310 kJ／h。

如果采用0.4 MPa的飽和蒸汽進行加熱，取飽和蒸汽的凝固熱Hkg＝2133.8 kJ／kg［5］。

計算得出所需蒸汽用量為：36690310／2133.8＝17195 kg／h。

如果采用還原爐冷卻水（進水溫度80℃，回水溫度90℃）作為發生器的驅動熱源，根據實際生產可知，保持4臺還原爐正常運行其冷卻水的出水溫度就能達到90℃，其冷卻水流量達到1150 m3／h。按照設計溫差Δt＝10℃，取冷卻水密度ρ水＝965.3 kg／m3、冷卻水的比熱容cp＝4.208 kJ／（kg·℃），則還原爐冷卻水產生的熱能為：1150× 965.3×4.208×10＝46712798 kJ／h。

通過以上計算可知，4臺還原爐冷卻水提供的余熱大于溴化鋰機組2臺在線時消耗的全部熱能，完全能夠保持2臺溴化鋰機組的熱水供應，因而可以將用于2臺溴化鋰加熱的蒸汽全部節約下來。

2.4 節能效果

還原爐在正常生產過程中，在線爐子均大于4臺，其提供的余熱完全能夠滿足溴化鋰機組正常運行的熱能驅動需求。還原爐高溫水在獨立循環過程中，主要通過空冷器進行冷卻，空冷器電機功率為37 kW，如果將還原爐高溫水進行利用，可節約空冷器電能消耗。蒸汽在實際生產中價格為160元／t，全年按照330天在線時間計算，每年在蒸汽上可節約的金額為17195×24×330×160／1000＝2179萬元。

電價按照0.5元計算，用電可節約的金額為37×24×330×0.5＝14.6萬元。

綜合節約成本約2193.6萬元。

3 工藝操作方法

3.1 利用溴化鋰機組反向加熱

還原爐開車主要通過外置加熱器進行加熱擊穿，由于冷卻還原爐的高溫水溫度較低，容易導致還原爐啟動困難。此時，利用溴化鋰機組熱水系統的蒸汽進行反方向加熱，能快速將還原爐高溫水溫度加熱到設計要求，有效減少了還原爐開車時間。當還原爐高溫水溫度逐漸增加，能夠滿足冷凍水高溫加熱用水需要時，蒸汽流量慢慢減少，回到正方向加熱。

3.2 還原爐高溫冷卻水進行溴化鋰機組加熱

當還原爐高溫冷卻水溫度接近90℃時，即可啟動兩個系統之間的連接閥門，進行還原爐高溫水對溴化鋰機組加熱。溴化鋰機組高溫水罐設計有液位計，并設有連鎖控制，當系統串聯調節達到穩定后，高溫水槽液位與串聯調節閥設為連鎖，此時即可穩定操作。當溴化鋰機組驅動熱源不足時，增加蒸汽流量進行輔助加熱，當還原爐高溫冷卻水溫度過高時，啟動空冷器進行輔助冷卻。合理的系統設計，保證了兩個獨立系統既能有效串聯運行，又能隨時截斷進行獨立操作。

4 結論

提出了一種將多晶硅還原爐高溫水用于溴化鋰機組作為加熱熱源的方法，工藝具有可操作性，節能耗效果顯著。經理論計算，該工藝技術用于多晶硅生產，每年可節約成本約2193.6萬元。在目前多晶硅價格回歸理性的情況下，加強生產管理和操作優化，將還原爐冷卻水余熱與溴化鋰機組互補回收利用，是當前形勢下多晶硅生產節能減排，降低成本的有效途徑之一。

［1］ 董黎民，雷欽祥，劉成玲.多晶硅氫化爐及還原爐的研發［J］.節能與環保，2009（9）：35-36.

［2］ 四季春，梁利鍇.多晶硅生產的節能降耗［J］.現代化工，2010（9）：5-9.

［3］ 田青，張寧寧，顏世雷，等.溴化鋰機組低溫余熱制冷技術［J］.石油和化工節能，2009（1）：17-19.

［4］ 夏清，陳長貴.化工原理：上冊［M］.天津：天津大學出版社，2006.

［5］ 陳中秀，顧飛燕，胡望明.化工熱力學［M］.北京：化學工業出版社.2006.

Research on the Recycle Technology of Cooling Water from Polysilicon Reactor

YIN Yu-jing，ZHOUWan-li

（Kunming Metallurgy Research New－Material Co.，Ltd.Qujing655011，China）

A high－temperature polysilicon reduction furnace cooling water heat source for lithium bromide units driven heat recovery solution that can effectively use the waste heat to the cooling watermay be appropriate to reduce the cost of polysilicon production.

high－temperature cooling water；lithium brom ide units；polysilicon reduction furnace

TQ127.2

：A

： 1004-275X（2014）01-0053-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.015

收稿：2013-05-27

尹玉晶（1986-），女，云南騰沖人，主要從事多晶硅生產方面公輔系統的研究。