多晶硅還原爐系統余熱回收利用

吳燕平

(中國石化集團南京工程有限公司，江蘇 南京 210000)

近年來隨著多晶硅價格的不斷下滑，多晶硅行業的競爭不斷加劇，導致不少高能耗的企業紛紛停產甚至倒閉。多晶硅生產工藝的改進，使得產品質量已趨于穩定，所以目前多晶硅產業的競爭之根本就是降低能耗節省生產成本，多晶硅還原爐系統電耗差不多占總電耗的50%，其主要能耗就是在還原爐硅芯兩端通高壓電，使硅芯由半導體變為導體，通過電流使硅芯發熱，最終硅芯表面溫度達到1000多℃。在1000多℃的條件下原料氣在硅芯上發生氣相化學沉積反應，生成多晶硅。多晶硅行業已把降低多晶硅還原爐系統的能耗作為降低多晶硅生產能耗的主要方向，同時對還原爐輻射的余熱進行回收利用，以降低能耗來降低多晶硅的生產成本以提高其競爭能力有重要作用。節能降耗，余熱的回收利用也符合國家提出節能環保要求。

1 原有還原爐冷卻水系統流程簡介

從熱水罐出來的熱水用熱水輸送泵輸出，送至還原爐夾套進水口，冷卻水在還原爐內從下往上吸收爐筒內的輻射熱，高溫度熱水送至空冷器進行冷卻，冷卻后的熱水送至熱水罐，進行循環利用從底盤水罐出來的熱水用底盤水輸送泵輸出，送至還原爐底盤內，吸收底盤輻射的熱量，水溫升高，然后送到板換用循環冷卻水進行冷卻。

還原爐出來的還原尾氣通過尾氣冷卻器，用循環冷卻將尾氣冷卻至200℃左右，送到尾氣回收單元。

目前工藝存在的問題是：硅棒的表面溫度一千多度，而設備內壁的溫度一般控制在三百多度，輻射熱量很大，以前采用小型還原爐時夾套水進口的溫度控制在100℃，出口溫度控制在120℃，被熱水帶走的這部分熱量，都沒有回收利用，通過空冷器、板換等進行冷卻增加了設備投資，公用工程用量較大，同時增加了公用工程的投資。

通過對工藝參數和工藝流程的改進，提高熱水夾套水溫度至145～165℃，提高底盤水溫度至95～115℃,利用閃蒸原理來降低熱水問題同時產生0.3 MPa(g)低壓蒸汽，解決了目前存在的一些問題。

2 改進后還原爐冷卻水系統流程簡介

從閃蒸罐出來的145℃熱水經熱水輸送泵輸出，分為兩路，一路去還原爐尾氣換熱器對還原尾氣進行冷卻，尾氣溫度由600℃降至200℃，熱水的溫度升高到164℃；另一路送至還原爐夾套進水口，冷卻水在還原爐內從下往上吸收爐筒內的輻射熱，溫度升高至164℃，最后這兩路水合并到一起送至閃蒸罐進行閃蒸，產生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽。產生的蒸汽送至低壓管網。送至各裝置使用，然后將各裝置的低壓蒸汽冷凝液回收送至閃蒸罐循環使用。

來自界區外的脫鹽水送進底盤水儲罐，開車時將采取一定的措施將脫鹽水加熱，然后通過底盤水輸送泵把95℃的水送至還原爐底盤內，吸收輻射的熱量，水溫升至115℃，然后送到溴化鋰機組進行余熱回收，產生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽，并送進低壓蒸汽管網。其流程見圖1還原爐冷卻水簡單流程。

圖1 還原爐冷卻水簡單流程

2.1 爐筒夾套水熱量的回收

爐筒夾套內冷卻水出口壓力提高到0.7 MPa(g)，進水溫度提高到145℃，0.7 MPa(g)壓力下水的飽和蒸汽溫度約為164℃，從安全生產角度爐筒夾套內冷卻水必須保持液相而不能汽化，爐筒內夾套水出口溫度控制在164℃以下。

以年產6000 t多晶硅為例，年生產時間按8000 h設計，電耗按50 kWh/kgSi計算，單臺還原爐產量為9 t/a,單爐生產周期130 h，單位時間內在線爐子約為11臺，夾套水進口壓力為0.8 MPa(g)，出口壓力為0.7 MPa(g)，進水溫度145℃，單臺還原爐爐筒夾套水循環量為120 t/h；底盤夾套水進口溫度為0.4 MPa(g)，出口壓力為0.3 MPa(g)，進水溫度95℃，單臺還原爐底盤冷卻水循環量為60 t/h。多晶硅還原生產是間歇分批生產的，所以折合成平均單位時間使用ASPEN進行模擬，年產6000 t多晶硅，單位時間內生產多晶硅6000000/8000=750 kg/h，單位時間內爐筒夾套水的循環量約為1320 t/h。用ASPEN計算結果如下：

圖2 還原爐夾套水閃蒸流程

表1(續)

通過ASPEN計算，年產6000t多晶硅，電耗按50 kWh/kgSi計算回收還原爐產生熱量為可以產生0.3 MPa(g)低壓蒸汽39.82 t/h。

2.2 還原尾氣熱量的回收

還原爐尾氣出口溫度600℃左右，這部分熱量也可以加以回收利用，尾氣出口為600℃左右，需要耐高溫和腐蝕特殊材質的管道，導致投資成本增加，通常在還原爐尾氣出口增加套管式換熱器，從爐筒夾套冷卻水管線上，引部分145℃熱水至還原爐尾氣套管式換熱器上，讓尾氣溫度降到200℃左右。單臺還原爐的尾氣量按為4250 kg/h計算，當冷卻水溫度由145℃升高到164℃時，冷卻水的用量為33422 kg/h，單位時間內11臺還原爐同時運行，所以熱水總量為33.422×11=367.642 t/h，還原爐尾氣換熱器冷卻水水量不多就不再設置閃蒸罐，加熱后的冷卻水回水與還原爐爐筒夾套回水合并一起，送至閃蒸罐進行閃蒸，從而還原爐尾氣的廢熱得以回收。

2.3 還原爐底盤水熱量的回收

同時帶走還原爐輻射熱的還有還原爐的底盤冷卻水，48對棒的還原爐，底盤夾套內操作壓力為0.4 MPa(g)，底盤冷卻水的進水溫度為95℃，底盤冷卻水出口溫度控制在115℃，115℃的冷卻水是不可能通過直接閃蒸產生0.3 MPa(g)的蒸汽的。于是利用溴化鋰熱泵機組進行熱量回收，產生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽，11臺還原爐底盤冷卻水回收的熱量可產生的蒸汽量4.95 t/h。

溴化鋰吸收式熱泵的工作原理：以溴化鋰水溶液為工質，在蒸發器內受到115℃底盤水的加熱，而蒸發成低壓冷劑蒸汽，然后進入吸收器被來自發生器的溴化鋰溶液吸收，吸收過程釋放出大量熱，把流過吸收器傳熱管內的熱水加熱，然后送至閃蒸罐進行閃蒸產生0.3 MPa(g)低壓蒸汽,另一方面，吸收冷劑蒸汽后的稀溶液出吸收器，經溶液熱交換器和節流閥進入發生器，被傳熱管內115℃底盤水的加熱加熱升溫至沸騰，再產生冷劑蒸汽，同時溶液濃縮成濃溶液，溶液泵把濃溶液經熱交換器輸送至吸收器，重新吸收冷劑蒸汽。發生器中產生的低壓冷劑蒸汽進入冷凝器，被傳熱管內的冷卻水冷卻成液態冷劑，由冷劑泵輸送至蒸發器，再次被加熱蒸發，從而完成循環。

3 節能計算

底盤水(如果進水按95℃，回水溫度按115℃)單臺爐子60000 kg/h,正常在線爐子數量約7臺。循環冷卻水按上水29℃，回水39℃算，底盤水需要循環水量計算：

Q=CpM熱△T熱= CpM冷△T冷

Cp×60000×(115-95)×7=Cp×M冷×(39-29)

M冷=840000 kg/h

還原尾氣由600℃冷卻到200℃，尾氣的比熱容Cp=1.48 kJ/(kg·℃), 循環水比熱容Cp=4.208 kJ/(kg·℃)，單臺

還原爐的尾氣量按為4250 kg/h計算。

Q=CpM熱△T熱= CpM冷△T冷

1.48×4250×(600-200)×7=4.208×M冷×(39-29)

M冷=59791 kg/h

通過以上計算可知，每年節約循環冷卻水量為(840000+59791)×8000=7198328 t。根據《中國石化能源及耗能工質折標準》，1t循環水折噸標準煤系數0.0001429 t，7198328×0.0001429=1028.64 t。

通過對爐筒夾套水、還原尾氣、還原爐底盤水熱量的回收，可產生0.3 MPa(g)的蒸汽44.77 t/h，根據 《中國石化能源及耗能工質折標準》，1 t低壓蒸汽折噸標準煤系數0.094 t。年操作時間按8000 h計，每年可少耗煤0.094×44.77×8000=33667.04 t。

流程改進后節省耗煤量為：1028.64+33667.04=34695.68 t，目前煤的價格按600元/t計，能節省年生產成本34695.68×600=2081.7408萬元，每噸多晶硅可降低生產成本3469.568元。

4 結論

通過多晶硅還原爐系統余熱回收閃蒸產生蒸汽的方法，不僅節省了設備投資，同時也降低了循環冷卻水的用量，從而降低了多晶硅生產的能耗。產生的蒸汽送至精餾單元使用，蒸汽冷凝水再從精餾單元返回至還原單元進行循環使用。該工藝安全可靠，節能效果明顯。經理論計算，每年節省生產成本約為2082萬元。