立式壓縮機在多晶硅領域的應用

柴卓，劉斌，胡波，王國鵬

(沈陽遠大壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110027)

0 引言

在應對全球氣候變暖的戰(zhàn)略中，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)占據(jù)著不可或缺的地位，因為全球至少80% 的太陽能組件和電池板是由我國制造商生產(chǎn)的。在這種大環(huán)境下，我國光伏、半導體等行業(yè)規(guī)模隨之快速擴大，對多晶硅的需求也日益增加。多晶硅作為光伏電池的主要材料，根據(jù)純度分為太陽能級(光伏級)和電子級(半導體級)。在高純度多晶硅的生產(chǎn)工藝中，氫氣的壓力、硅純度至關重要。設計及制造出符合多晶硅工藝要求的氫氣壓縮機，對多晶硅生產(chǎn)、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起著關鍵作用。本文闡述了立式壓縮機在設計及應用過程中其技術特點的考慮與總結。

1 壓縮機應用環(huán)境

目前國際上高純多晶硅的制備方法主要采用改良西門子法(閉環(huán)式三氯氫硅還原法)，通過氯氣(Cl2)和氫氣(H2)合成氯化氫(HCl)，氯化氫(HCl)配比適當?shù)囊苯鸸璺墼趯獪囟认律扇葰涔?SiHCl3)。將分離精餾提純后的三氯氫硅(SiHCl3) 引入還原爐中與氫氣進行化學反應，通過化學氣相沉積(CVD)反應可生成高純度的多晶硅產(chǎn)品。多晶硅壓縮機主要應用于“原料氣裝置”“冷氫化裝置”“尾氣回收裝置”。所壓縮的介質(zhì)主要有氫氣(H2)、氯化氫(HCl)、二氯氫硅(SiHCl2)、三氯氫硅(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)等，其中H2為易燃易爆介質(zhì)，而HCl、SiHCl2、SiHCl3、SiCl4介質(zhì)與空氣中的水分接觸后會形成有毒且具有強腐蝕性的白霧狀介質(zhì)，對與工藝氣接觸的金屬零件產(chǎn)生腐蝕性破壞。通常，在工藝介質(zhì)中含有一定量的硅粉，硅粉可加速密封環(huán)、導向環(huán)的磨損，是設計多晶硅壓縮機過程重點考慮的問題之一。多晶硅壓縮機內(nèi)部介質(zhì)泄漏至曲軸箱，則會導致潤滑油變質(zhì)、酸化，進而造成運動機構腐蝕失效。因此，多晶硅壓縮機在設計過程中應注意防止外界油、水等進入工作腔，更應防止工藝氣體泄漏到周圍設備環(huán)境中。

2 壓縮機結構介紹

壓縮機通過驅(qū)動機提供動力源，帶動曲軸-連桿旋轉(zhuǎn)，并通過連桿-十字頭將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為十字頭-活塞的往復直線運動。活塞在氣缸中形成一個體積可變化的封閉空間，通過活塞的往復運動使氣缸內(nèi)的封閉空間發(fā)生體積變化，進而實現(xiàn)氣體增壓，并在氣閥的作用下形成單向流動的氣體，將高壓氣體不斷輸送到下游設備。如果將十字頭—活塞的往復運動布置在水平方向上，則為臥式壓縮機，如果布置在垂直方向上則為立式壓縮機。普通壓縮機活塞上設置有導向環(huán)和活塞環(huán)，活塞桿上設有填料環(huán)。導向環(huán)的作用是使活塞盡量保持與氣缸進行同心運動；活塞環(huán)、填料環(huán)是為了形成密封腔體，防止工藝氣體的泄漏。為了提高氣缸活塞的利用率，活塞的兩側都做成密封腔體，通常稱為雙作用氣缸。靠近缸蓋側的腔體，通常不設置活塞桿，通過缸蓋和活塞環(huán)形成密封腔體，稱為蓋側工作腔；靠近曲軸側的腔體，含有活塞桿，需要設置填料與活塞環(huán)形成密封腔體，稱為軸側工作腔[1]。

在氣缸與機身之間設置有接筒(隔離室)和中體(十字頭滑道)，接筒和中體都有較大的窗口，用于拆裝填料和十字頭。接筒中設有給填料通水、注油、充氮等接管。接筒與中體之間設有刮油器，阻止機身、中體內(nèi)的潤滑油進入到接筒[2]。

無論是臥式壓縮機還是立式壓縮機，其組成結構都是相同的，不同的是對十字頭—活塞的往復運動布置方向有所區(qū)別，這一點在下文中進行詳細介紹和對比。

3 立式機的優(yōu)勢

3.1 活塞與氣缸保持良好的同心度

由于立式機的活塞進行垂直往復運動，其重力在水平方向上的分力幾乎為零，其他力對活塞產(chǎn)生的水平分力也可以忽略或抵消，所以活塞在運動過程中可以與氣缸保持更好的同心度。

活塞上設置了起導向作用的導向環(huán)(又名支承環(huán))，是保證活塞往復運動的關鍵元件之一，可以防止活塞運動過程中偏離缸體中心。導向環(huán)的性能與自身材料性質(zhì)、結構特點及工作環(huán)境關系密切。對臥式壓縮機，為了克服重力對活塞運行造成的影響，通過設置導向環(huán)將活塞托起至接近氣缸中心線位置。同時為了降低導向環(huán)的磨損速率，延長其使用壽命，要根據(jù)活塞重量計算導向環(huán)承受的壓力，活塞重量越大，相應的導向環(huán)的寬度越大、數(shù)量越多[3]。而立式壓縮機無論活塞大小、重量多少，都不需要設置較寬的導向環(huán)。對于大缸徑的壓縮機，導向環(huán)的寬度甚至可以減少至臥式機導向環(huán)的1/8～1/10。由于導向環(huán)屬于易損件，機組后期運行需要定期更換，因此立式機可以為用戶節(jié)省很多后期維護成本。同時，過多的導向環(huán)在活塞高頻往復運行過程中產(chǎn)生的熱量，對密封環(huán)、導向環(huán)的使用效果也會產(chǎn)生不利的影響。而在立式多晶硅壓縮機中，由于導向環(huán)數(shù)量及寬度的減少，不僅可以節(jié)省維護成本，避免附加熱量產(chǎn)生，還可以大量減少導向環(huán)磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)，這樣為下游工藝提純氫氣減輕了很多負擔。

臥式機的活塞長度會受到導向環(huán)環(huán)寬度的影響，通常為滿足導向環(huán)比壓需要通過加長活塞來布置足夠的導向環(huán)，這樣使得運動零件的質(zhì)量及往復慣性力增加，機組綜合活塞力增加，影響了機組的受力狀態(tài)、使用壽命。并且，由于活塞長度的增加，氣缸的長度也會相應加長，重量也會隨之增大[4]。這樣對設備的原材料成本、運輸?shù)跹b、安裝維護等都帶來不利影響。在多晶硅壓縮機上這一特點尤為突出，因為多晶硅工藝氣體中含有特殊介質(zhì)，對鋁制活塞腐蝕嚴重，因此多晶硅工藝的活塞材質(zhì)一般不采用鋁合金，而采用鑄鐵、鍛鋼、銅合金等材料，其制成的活塞一般重量較大，會帶來上述問題。然而采用臥式壓縮機，其活塞最好的材質(zhì)為鋁合金，雖然滿足強度要求，又可以減輕重量，但在多晶硅工藝中對鋁的禁用，導致這一矛盾幾乎無法解決。但采用立式結構的多晶硅壓縮機，可以很大程度上減小活塞的重量，使這一問題迎刃而解。

隨著運行時間的增加，臥式機導向環(huán)受壓一側的厚度逐漸減小，活塞逐漸向下傾斜。一旦活塞接觸氣缸，金屬零件之間直接接觸勢必造成活塞、缸套或缸體損壞等問題，發(fā)生較嚴重的機械事故。為了解決此問題，通常在活塞桿上方加裝活塞桿下沉監(jiān)測裝置來測量活塞偏離中心的距離。當偏離的距離過大可能會引發(fā)事故時，監(jiān)控系統(tǒng)將提醒維護人員停機檢修立式機通過在多個運行周期的驗證下，導向環(huán)磨損率小，保證了活塞與氣缸良好的同心度。上述的這些監(jiān)控設備的采購成本、維護、操作等生產(chǎn)成本在立式機上均是不需要考慮的。

在活塞桿下沉監(jiān)測裝置報警之前的運行階段，由于活塞體中心逐漸下沉，而十字頭高度未發(fā)生變化，導致活塞桿缸蓋側的向下傾斜度逐漸增加，活塞桿與填料盒密封面的垂直度將發(fā)生變化。這種狀態(tài)對于填料環(huán)與活塞桿、填料盒的密封性能也會產(chǎn)生不良的影響。對多晶硅壓縮機，硅粉向低壓側滲漏的現(xiàn)象也會加劇，最終勢必影響填料密封環(huán)的使用壽命、縮短檢修周期，并造成介質(zhì)泄漏等問題。

綜合以上分析，多晶硅生產(chǎn)工藝中采用立式壓縮機可以避免臥式機帶來的諸多不利因素。立式機的這一優(yōu)點從多方面給機組運行帶來明顯的有利條件，為機組穩(wěn)定、長期運行提供了良好的保證。

立式壓縮機的優(yōu)點可以總結為以下五項：

(1)保證填料環(huán)的良好密封狀態(tài)、阻止硅粉滲漏；

(2)無需設置活塞桿偏離監(jiān)控設備；

(3)避免活塞與缸體直接接觸造成的機械事故；

(4)活塞質(zhì)量減小，機組受力得到改善，延長使用壽命；

(5)導向環(huán)數(shù)量少、寬度小，減少大量摩擦熱的累計，減少采購、運行、維修成本。

3.2 減輕硅粉的破壞作用

多晶硅工藝中壓縮的氣體含有一定量的硅粉，硅粉增大了活塞環(huán)、導向環(huán)與氣缸，填料環(huán)與活塞桿之間的摩擦系數(shù)，加劇了活塞環(huán)、導向環(huán)、填料環(huán)的磨損。在這種不可避免的工況下，立式壓縮機在延長密封環(huán)、導向環(huán)的壽命方面明顯優(yōu)于臥式壓縮機，主要原因通過兩種機型結構分別進行討論分析：

(1) 對臥式機，當硅粉隨氣流進入氣缸以后，在重力作用下分布在缸體底部的硅粉逐漸增多，由于硅粉屬于超細粉末，很容易進入到環(huán)與金屬零件的間隙中。活塞環(huán)與氣缸底部接觸的位置在硅粉的作用下其摩擦系數(shù)加大，該位置的磨損概率、磨損速率大大增加，容易造成活塞環(huán)、導向環(huán)偏磨現(xiàn)象。導向環(huán)在重力及粉末的雙重作用下，缸體底部的磨損狀態(tài)加劇、壽命縮短。

(2)對立式機，氣缸中的粉末同樣受到重力的影響，根據(jù)其結構，可分別從活塞與氣缸形成的上、下兩個工作腔討論：對上部工作腔，密封環(huán)四周與硅粉接觸是均勻的，硅粉不會出現(xiàn)因重力作用集中分布到某一區(qū)域的現(xiàn)象，環(huán)的每個位置摩擦情況大致相同，每個點的摩擦系數(shù)也不會過大，產(chǎn)生的磨損速率會明顯低于臥式機的情況；對下部工作腔，由于硅粉在重力作用下向缸體底部下落，因此活塞環(huán)、導向環(huán)接觸硅粉的情況明顯減弱，磨損情況也相對減輕。

立式氣缸中硅粉隨重力向下沉降，相當于氣體雜質(zhì)的自重分離，也有利于對下游氣體的提純。

3.3 整體剛性強，結構緊湊

臥式機由于各列氣缸、接筒、中體分成兩組向機身兩側布置，如果將接筒、中體、機身設計成一個零件，則零件尺寸較大。在加工上需要的工作臺、機床設備相應增加，乃至加工車間也會受到影響。零件產(chǎn)成后，其起吊、安裝、運輸?shù)榷紩砗芏嗖槐恪嶋H生產(chǎn)中只有小型壓縮機可以將中體、機身設計成一個整體，大部分臥式機機身與中體都是分開的。而立式壓縮機由于所有運動部件都在同一側，可實現(xiàn)將各列接筒、中體(十字頭滑道)與機身整合到一起，制作成一個零件。即使是大中型機組，整合到一起后的零件尺寸也不會很大，在加工制造上都是可以實現(xiàn)。這樣相對于臥式機，不僅零件的尺寸大幅度縮小，整體零件在加工上其形位公差會得到很好保證，更會大大減少像臥式機那樣因多組零件組裝造成的累計誤差，有利于保證十字頭、連桿運行過程中與曲軸軸線的垂直度。而且整體零件的剛度相對于分體組裝的形式要好很多。

立式壓縮機的相鄰列氣缸也可以做成一體的，最多可以做到三缸一體，這樣可以簡化整機大型零件數(shù)量。以六列的大中型壓縮機為例，除運動部件外，僅有兩個缸體和一個機身組件，總共3 個零件；而如果同樣的機型采用了臥式壓縮機，即使中體和隔離室做成一體的，也至少有6 個氣缸、6 個中體、1 個機身，共13 個零件。對比立式壓縮機，從加工制造、運輸?shù)跹b、安裝施工等各方面都會增加很大的工作量。

3.4 占地面積小

立式壓縮機將臥式機分布到機組兩側的氣缸、接筒、中體，全部收攏在一個豎直的方向上，氣缸接筒置于中體機身的上方，其整體占地尺寸減小。雖然其緩沖器不能像臥式機那樣放置在氣缸上方，但在機身周圍布置立式緩沖器即可，立式緩沖器的占地面積也很小，而且可以預留很多檢維修通道，方便巡檢與維護。

多晶硅項目通常體量較大，一個生產(chǎn)線采用的壓縮機通常在10 臺以上，因此可節(jié)省的占地面積是很有利用價值的。

4 結語

根據(jù)以上對立式壓縮機結構的詳細介紹，并結合多晶硅生產(chǎn)過程中的特點、難點，不難看出立式壓縮機相對臥式機在處理多晶硅生產(chǎn)工藝上具有自己獨特的優(yōu)勢。面對目前國內(nèi)、國際市場對多晶硅產(chǎn)品的廣泛需求，相信立式壓縮機在此行業(yè)中會得到越來越多的認可與青睞。