還原爐冷卻水工藝優(yōu)化

張新紅

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

多晶硅還原生產(chǎn)過(guò)程要消耗大量的電能，電能在爐內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，以維持還原爐內(nèi)硅棒表面溫度1 000℃～1 100℃。還原爐內(nèi)傳熱主要以熱輻射為主，根據(jù)物體對(duì)熱能的反射、吸收和透射作用的理論，生產(chǎn)中還原爐因內(nèi)壁易沉積硅垢(不定型硅和硅油)，導(dǎo)致還原爐內(nèi)熱量漫反射減少，爐內(nèi)大量的熱量被鐘罩內(nèi)壁基盤(pán)面吸收。還原爐設(shè)備的主體材質(zhì)為不銹鋼，為了保障生產(chǎn)的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，及時(shí)帶走各個(gè)部位輻射的熱量。在整個(gè)還原爐殼體及底盤(pán)外部設(shè)有循環(huán)冷卻水夾套，采用高溫循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，以維持壁面溫度恒定。

有研究證明，冷卻水帶走的熱量，占還原爐總能耗的72.28%，從節(jié)能角度考慮應(yīng)回收利用這些熱能。爐體的冷卻水主要集中在爐筒和基盤(pán)，還原爐的爐筒基盤(pán)水有兩種工藝，工藝一：爐筒水和基盤(pán)水串聯(lián)使用較高的高溫冷卻水(進(jìn)水溫度～130℃，回水溫度～150℃)，冷卻水通過(guò)空冷加循環(huán)水冷卻后循環(huán)使用；工藝二：爐筒水和基盤(pán)水分開(kāi)冷卻，爐筒水為較低的高溫冷卻水(進(jìn)水溫度～75℃，回水溫度～90℃)，經(jīng)空冷加循環(huán)水冷卻后循環(huán)使用，基盤(pán)用中溫冷卻水(進(jìn)水溫度～50℃，回水溫度～60℃)，經(jīng)循環(huán)水冷卻后循環(huán)使用。本文通過(guò)對(duì)以上兩種工藝的分析，針對(duì)還原冷卻水的工藝問(wèn)題提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 還原爐結(jié)構(gòu)

還原爐作為多晶硅生產(chǎn)的主體設(shè)備，由筒體和基盤(pán)兩大主體部分組成，筒體和基盤(pán)均采用雙層夾腔結(jié)構(gòu)，夾腔內(nèi)走冷卻水。筒體結(jié)構(gòu)為圓筒和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。基盤(pán)面上布置有電極槽、噴嘴進(jìn)氣口、尾氣口等。基盤(pán)冷卻水的主要作用除了帶走爐腔內(nèi)反應(yīng)中的熱量，兼有冷卻基盤(pán)面上的各個(gè)配件的作用，見(jiàn)圖1。

圖1 還原爐結(jié)構(gòu)圖

2 工藝問(wèn)題分析

2.1 工藝1

爐筒水和基盤(pán)水均串聯(lián)使用較高的高溫冷卻水(進(jìn)水～130℃，回水～150℃)，～150℃回水熱焓值較高，空冷加循環(huán)水冷卻造成較大的資源浪費(fèi)。

還原爐基盤(pán)水使用～130℃的高溫冷卻水，停爐后需要進(jìn)行硅棒收割、基盤(pán)清理和下一爐次硅芯安裝等操作，130℃的冷卻水使得基盤(pán)面溫度過(guò)高，必須斷基盤(pán)水才能操作以免燙傷人員。等到再次開(kāi)爐時(shí)基盤(pán)內(nèi)存有靜態(tài)冷卻水，需要將基盤(pán)水重新通啟。

基盤(pán)冷卻水間歇性通停會(huì)帶來(lái)以下幾方面的弊端：

1)基盤(pán)水的間歇性通停，致使電極絕緣密封結(jié)構(gòu)熱脹冷縮，降低電極密封性。還原爐電極與基盤(pán)間的絕緣密封結(jié)構(gòu)主要是“絕緣環(huán)+金屬纏繞墊+四氟套筒”。冷縮下的金屬纏繞墊+四氟套筒對(duì)電極與基盤(pán)的密封性能降低，在四氟套筒與基盤(pán)間隙間就會(huì)滲入微量氯硅烷，基盤(pán)高溫水通啟時(shí)依然無(wú)法保障密封性；造成基盤(pán)底部泄露腐蝕嚴(yán)重，致使操作環(huán)境惡劣并存在較大安全隱患，同時(shí)增加了電極檢修頻率。

2)基盤(pán)水的間歇性通停，也使得還原爐基盤(pán)絕緣降低。生產(chǎn)期間整個(gè)還原大廳內(nèi)彌漫著少量氯硅烷氣體，停基盤(pán)水的爐子溫度偏低，就會(huì)引起氯硅烷在基盤(pán)面下富集水解(基盤(pán)面上開(kāi)爐前會(huì)清理，基盤(pán)面下水管母排密集難以清理)，腐蝕電極與母排夾鋸，引起基盤(pán)絕緣差。且靜態(tài)水也會(huì)比動(dòng)態(tài)水的電導(dǎo)率高，致使停爐期間的基盤(pán)絕緣低。

3)頻繁的開(kāi)停基盤(pán)水致使還原爐操作繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力。

通過(guò)以上分析工藝1的爐筒水和基盤(pán)水均需要優(yōu)化改進(jìn)。

2.2 工藝2

爐筒水和基盤(pán)水水系統(tǒng)分開(kāi)，爐筒為較低的高溫冷卻水(進(jìn)水～75℃，回水～90℃)冷卻，基盤(pán)用中溫冷卻水(進(jìn)水～45℃，回水～60℃)冷卻。爐筒水被空冷和循環(huán)水板換冷卻，熱能浪費(fèi)也較大。基盤(pán)采用中溫水冷卻在停爐期間不用斷水，避免了工藝1存在的問(wèn)題。

爐筒較低的高溫冷卻水(進(jìn)水溫度～75℃ ，回水溫度～90℃)有文獻(xiàn)建議采用溴化鋰制冷機(jī)組回收利用。但增加溴化鋰機(jī)組設(shè)備投資成本過(guò)高，而且隨著產(chǎn)能擴(kuò)大還原爐的增加冷卻水量增加，溴化鋰機(jī)組消耗不了這么多能量，這時(shí)就需要尋找更好更經(jīng)濟(jì)的途徑余熱利用。

同心圓結(jié)構(gòu)布局狀的還原爐電極，最外圈的硅棒有一面靠近爐壁，一面靠近內(nèi)環(huán)硅棒，硅棒靠近爐壁面?zhèn)容^靠近內(nèi)環(huán)面?zhèn)葴囟鹊停沟猛猸h(huán)的硅棒常呈現(xiàn)陰陽(yáng)面。一側(cè)生長(zhǎng)快一側(cè)生長(zhǎng)慢棒體不均勻，進(jìn)而容易引起運(yùn)行后期靠壁倒棒停爐。而爐筒冷卻水使用較低溫度較使用較高溫度會(huì)使這種情況加劇化，增加運(yùn)行后期靠壁倒棒停爐的概率。

工藝2的基盤(pán)水采用中溫水，避免了工藝1出現(xiàn)的問(wèn)題，故工藝2的基盤(pán)水不需要優(yōu)化僅對(duì)爐筒水進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化方案

對(duì)2種工藝的利弊互相參考借鑒給出優(yōu)化方案。對(duì)工藝1整體爐筒水和基盤(pán)水進(jìn)行優(yōu)化，工藝2的爐筒水進(jìn)行優(yōu)化。

多晶硅作為高能耗產(chǎn)業(yè)，從整個(gè)西門(mén)子生產(chǎn)工藝考慮，精餾系統(tǒng)需要大量的蒸汽，還原爐冷卻水較理想的余熱利用方式為閃蒸蒸汽補(bǔ)給精餾能耗。閃蒸需要水溫具備一定的熱焓值，水溫越高熱焓值越高。冷卻水帶走熱量主要以進(jìn)出水溫差的形式體現(xiàn)，按照最基本的換熱計(jì)算原理Q=CpρV△T(Cp—介質(zhì)比熱容；ρ—介質(zhì)密度；V—介質(zhì)體積流量；△T—介質(zhì)進(jìn)出口溫度之差)。比熱熔一定在溫差不變的情況下帶走相同的熱量，所以為了更好的利用爐筒水閃蒸蒸汽，需要對(duì)高溫水進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)提高進(jìn)水溫度，進(jìn)而提高回水溫度，獲得更高熱焓值的熱水。

3.1 基盤(pán)水優(yōu)化

工藝二的基盤(pán)水問(wèn)題，可通過(guò)將基盤(pán)水與爐筒水管路分開(kāi)，基盤(pán)水更換用中溫水冷卻解決，不必停爐斷基盤(pán)水。考慮設(shè)備投資可先尋求廠區(qū)內(nèi)水溫相近的冷卻系統(tǒng)配管加泵改造，若沒(méi)有則需要增設(shè)水罐、泵等設(shè)備。

3.2 爐筒水優(yōu)化

高溫水減壓閃蒸，將高溫?zé)崴⑷雺毫^低的容器中，突然擴(kuò)容使部分液體迅速汽化為蒸汽，使得氣液兩相分開(kāi)。由于壓力降低，液體在較低溫度下沸騰，液體降溫放出的顯熱作為汽化部分蒸汽的潛熱，因而無(wú)需另行加熱便可得到蒸汽。蒸汽相變后釋放潛熱，蒸汽冷凝液返回作為進(jìn)水的補(bǔ)充水。

工藝1的爐筒水可直接閃蒸蒸汽，在原有儲(chǔ)水罐的基礎(chǔ)上做局部設(shè)備改進(jìn)，設(shè)備投資低。工藝2的爐筒水，將原～75℃的進(jìn)水提升至～130℃使得回水溫度可達(dá)～150℃，可通過(guò)開(kāi)爐初期逐漸提升，并同工藝1一樣對(duì)原有儲(chǔ)水罐做局部改進(jìn)當(dāng)水溫逐漸升至～150℃后進(jìn)行閃蒸。閃蒸出的低壓飽和蒸汽，可作為精餾工序的熱源，而精餾工序又將冷凝水返回作為爐筒進(jìn)水的補(bǔ)充水，這樣形成一個(gè)水系統(tǒng)的大循環(huán)。

4 結(jié) 語(yǔ)

還原爐冷卻水對(duì)還原爐生產(chǎn)至關(guān)重要，合理先進(jìn)的還原爐冷卻水工藝，不僅可以為生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，還可解決生產(chǎn)中因冷卻水工藝缺陷帶來(lái)的其它問(wèn)題。爐筒水閃蒸余熱回收節(jié)能效果好，基盤(pán)水中溫水冷卻利于基盤(pán)絕緣便于生產(chǎn)操作。工藝技改充分結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的配置情況，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)最有效的技改方案。