多晶硅漿料干燥機軸端密封結構改進

夏 杰 張傳杰 安 震 張 娟 吳衛偉

(南京天華化學工程有限公司)

多晶硅漿料干燥機軸端密封結構改進

夏 杰*張傳杰 安 震 張 娟 吳衛偉

(南京天華化學工程有限公司)

介紹了一種密封效果好、壽命長、檢修方便、可用于強磨蝕性物料和微正壓操作條件下的多晶硅漿料干燥機軸端密封裝置。

漿料干燥機 軸端密封 多晶硅 結構改進

多晶硅作為單質硅的一種形態，是大規模集成電路、太陽能電池和半導體產業的重要原料。目前世界上絕大部分廠家均采用改良西門子法生產多晶，但是這個生產過程中會產生大量的廢渣、廢液和廢氣，必須對污染物進行處理、回收和重新利用，以減少排放實現清潔生產。四氯化硅是多晶硅生產過程中最主要的副產物，連同二氯硅烷、三氯硅烷等其他形式的氯硅烷，以及硅、氯化鋁、二氯化鐵、氯化鈣等共同組成多晶硅漿料[1]。在目前的多晶硅行業中，一些企業仍采用“水解中和法”處理固渣漿料，該方法存在許多局限性：如耗費大量的水和氫氧化鈉、原材料成本非常高且水解中和過濾等環節增加了工藝流程和設備，增加了運行成本[2]。為解決上述傳統工藝中的難題，通過干燥的手段將固渣漿料中三氯氫硅、四氯化硅提取出來，二氧化硅固渣可直接進入旋葉過濾膜裝置進一步水解，得到環保的二氧化硅。直接提取出來的三氯氫硅、四氯化硅可以循環到加氫工段加氫生產三氯氫硅，并用于三氯氫硅的精餾提純，從而形成了固渣漿料的內部封閉循環回收處理工藝，實現了無污染、低成本、低能耗的目標。漿料干燥機是多晶硅副產物回收單元的核心設備，其作用是通過夾套內的蒸汽或導熱油對漿料進行加熱，使氯硅烷漿料蒸發，進而回收和重復利用[3]。

1 多晶硅漿料干燥機密封要求

漿料干燥機采用正壓操作，工作介質中即含有磨蝕性極強的硅粉，又含有易燃易爆的氯硅烷，加熱后液態的氯硅烷將變為氣態，因此密封結構需要對固、液、氣3種狀態介質都能起到良好的密封作用。由于氯硅烷在遇到空氣或水后會迅速反應生成氯化氫，因此要求正常工作時，泄漏量必須十分微小。即便是在故障時，也不能產生突然的、較大的泄漏。復雜的工作介質、苛刻的密封要求，使得傳統的多晶硅漿料干燥機軸端密封結構一直不能很好地滿足工程要求。

2 軸封原理與分類

傳統的干燥機軸端密封多采用填料密封、機械密封和螺旋密封的形式。

填料密封通過填料和軸表面接觸，從而阻止介質通過實現密封。當擰緊壓蓋螺栓時，柔性軟填料受到軸向壓緊力的作用產生彈塑性變形，并沿徑向擴張而貼緊軸。由于軸表面存在不平度等原因，柔性軟填料并不能和軸在整個表面全部、充分地接觸。當軸與填料存在相對運動時，凸起的接觸部位與下凹的非接觸部位之間將形成微小的、不規則的迷宮，造成流體截留減壓，即所謂柔性軟填料的“迷宮效應”，進而使流體沿軸向的流動受阻[4]。雖然填料密封具有結構簡單、更換方便以及價格便宜等優點，但在多晶硅漿料這樣的苛刻工況下，并不能很好地滿足工程要求，尤其是漿料中含有的磨蝕性極強的硅粉，將導致填料短期內快速磨損[5]，造成漿料的泄漏，甚至多晶硅漿料干燥機停機。

機械密封是借助流體壓力和補償機構的彈力(或磁力)作用，依靠一對或數對垂直于軸，并作相對滑動的端面，保持貼合并配合以輔助密封，從而達到阻漏的軸封裝置[6]。機械密封具有密封效果好、功率損耗小、無需經常調整的優點，但當密封物料硬度較高時，機械密封摩擦副磨損加快，所積累的雜質也會影響到彈簧元件在密封中的補償作用，導致密封失效、物料泄漏和污染環境[7]，并且機械密封存在安裝精度要求高、拆卸不便及價格昂貴等缺點，也限制了它在多晶硅漿料干燥機軸端密封的應用[8]。

螺旋密封是一種非接觸型流體動力密封，其基本結構是在旋轉軸或靜止的殼體內表面切削出螺紋槽。當軸旋轉時，螺旋軸對液體施加一個推動力，并進行能量交換。軸的旋轉動能轉換為粘性流體的壓力能，從而形成密封壓力。密封壓力與被密封壓力平衡，從而阻止泄漏。螺旋密封具有功率損耗小、加工簡單、安裝方便及使用壽命長等優點。由于停車狀態下軸不再旋轉，密封壓力消失，螺旋密封失效，因此無法單獨使用。

填料密封、機械密封和螺旋密封都無法滿足多晶硅漿料干燥機軸端密封的嚴苛要求。因此，設計一種集多種密封形式于一體的組合式密封，以滿足多晶硅漿料干燥機軸端密封要求就顯得十分必要。

3 軸端密封組合結構

多晶硅漿料干燥機軸端密封組合結構如圖1所示。

圖1 多晶硅漿料干燥機軸端密封組合結構

多晶硅漿料干燥機軸端密封組合結構分為3道，詳述如下：

a. 第一道為部分深入至筒體內的螺旋密封套。攪拌軸旋轉時，端座和螺旋密封套之間的渣漿將被從筒體外側推向筒體內側，并且隨著容積被不斷壓縮，其壓力不斷升高，所建立起來的密封壓力與被密封流體壓力平衡，從而阻止渣漿、粉塵等的泄漏，很好地提高了密封性能。端座和螺旋密封套之間增設軸套Ⅱ，安裝于筒體外側，當它被渣漿、粉塵等磨損嚴重時，可以在不拆卸軸和端座的情況下進行更換，拆卸方便、檢修容易。螺旋密封套、軸套Ⅰ、Ⅱ內壁采用特殊工藝，提高硬度，增強耐磨性。

b. 第二道密封由擋渣器、油封和沖洗液接管構成。設置于填料函中的擋渣器起到特殊密封作用，其一端為向里開口的開槽結構，筒體內側正壓操作使得工作時擋渣器開槽處于張口狀態，可以有效阻擋泄漏的渣漿、粉塵等進入填料腔內，從而使填料發揮更好的密封作用;在填料函上增設的沖洗液接管一端與密封腔連通，沖洗液可以將部分泄漏的渣漿、粉塵等重新沖洗回筒體內，從而減少渣漿和粉塵等對填料和油封的磨蝕，降低密封組合結構的溫度，延長密封元件壽命，保證密封性能。

c. 第三道密封由氮氣反吹掃和方形填料組成。氮氣反吹掃可以在必要時將可能出現的、穿過前兩道密封的渣漿、粉塵等重新吹掃回筒體內，從根本上杜絕渣漿和粉塵的泄漏。

4 結束語

改進的多晶硅漿料干燥機軸端密封結構采用螺旋密封套、擋渣器、油封、沖洗液接管、填料、氮氣反吹掃、方型填料等依次三道密封結構，共同組成密封組合結構。整個組合密封性能可靠、密封元件壽命長、拆卸方便、檢修容易。目前，該密封組合結構已經成功應用于某光伏企業多晶硅生產裝置的漿料干燥機上，完全滿足密封要求。該密封組合結構對于類似渣漿、粉塵等物料的密封均具有參考和借鑒作用。

[1] 王志民.臥式螺帶干燥機用于多晶硅渣漿的干燥過程研究[D].天津：天津大學，2012.

[2] 黃國強，楊勁，王紅星.四氯化硅殘液處理方法的研究進展[J].化工進展,2012,31(8)：1818～1833.

[3] Breneman W C.Process for the Treatment of Waste Metal Chlorides[P]. USA：0193958，2006-08-17.

[4] 陳匡民，董宗玉，陳文梅.流體動密封[M].成都：成都科技大學出版社,1990：235～236.

[5] 張際強，汪任初.旋轉閃蒸干燥機喂料螺旋軸端密封結構的改造[J].化工機械,2006,33(3)：183～184.

[6] 張永平，邵芝梅，張寶忠.雜質泵的密封與應用[J].煤礦機械,2005,(10)：142～143.

[7] 惠懷明，孫鐵.軟化水泵機械密封故障分析與改造[J].化工機械,2008,35(2)：104～106.

[8] 李建偉，白穎.高溫高雜質化工泵密封結構的改進[J].化工設備與管道,2007,44(6)：45～46.

*夏 杰，女，1984年1月生，工程師。江蘇省南京市，211000。

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