提高氫化爐進(jìn)料溫度的措施

宋張佐，顧國(guó)寶，劉陽贊

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

提高氫化爐進(jìn)料溫度的措施

宋張佐，顧國(guó)寶，劉陽贊

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

四氯化硅熱氫化是改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，氫化爐的穩(wěn)定運(yùn)行是維持系統(tǒng)物料平衡的決定因素。分析了四氯化硅、氫氣的進(jìn)料狀況對(duì)氫化爐運(yùn)行的影響，并提出了既提高進(jìn)料的溫度，又節(jié)能降耗的措施。

多晶硅；熱氫化；四氯化硅；氫化爐

改良西門子法是多晶硅生產(chǎn)的主流工藝，采用此方法生產(chǎn)的多晶硅占世界總產(chǎn)量的80%左右［1］，該法的特點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)物料的閉路循環(huán)［2］。四氯化硅熱氫化是改良西門子法實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將還原爐生產(chǎn)多晶硅時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物四氯化硅，轉(zhuǎn)化為原料（三氯氫硅）。但氫化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低，四氯化硅轉(zhuǎn)化率最好也只達(dá)20%［3］。氫化轉(zhuǎn)化率直接關(guān)系到多晶硅的生產(chǎn)成本和產(chǎn)量，提高轉(zhuǎn)化率和氫化爐穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行時(shí)間是多晶硅生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗需要攻克的一大難題。本文根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為，提高氫化爐的進(jìn)料溫度可一定程度上提升氫化轉(zhuǎn)化率及氫化爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。

1 熱氫化工藝簡(jiǎn)介

四氯化硅熱氫化是將汽化后的四氯化硅與預(yù)熱后的氫氣混合，通入氫化爐，并在爐內(nèi)（1250℃左右）反應(yīng)生成三氯氫硅和氯化氫。爐內(nèi)的溫度通過石墨或C－C熱場(chǎng)通電發(fā)熱維持，其主反應(yīng)方程式［4］如下：氫化爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣送至尾氣回收。尾氣回收工序?qū)⒎磻?yīng)生成的三氯氫硅及未轉(zhuǎn)化的四氯化硅分離提純后又分別送至還原爐及氫化爐。四氯化硅熱氫化工藝流程如圖1所示。

圖1 四氯化硅熱氫化工藝流程Figure 1 Hot hydrogenation process of SiCl4

2 進(jìn)料狀況對(duì)氫化爐運(yùn)行的影響

2.1 四氯化硅汽化對(duì)氫化爐運(yùn)行的影響

四氯化硅在與氫氣混合之前，需要將其預(yù)熱、汽化。在操作上，控制氣態(tài)四氯化硅的進(jìn)料量及其在爐內(nèi)的氣流分布比控制液態(tài)四氯化硅更容易。若存在四氯化硅汽化不完全、輸送管道有死角、汽化后再冷凝等情況，則會(huì)導(dǎo)致四氯化硅在進(jìn)入氫化爐時(shí)夾帶有液體。夾帶液態(tài)四氯化硅的氣流進(jìn)入氫化爐后，不能在爐內(nèi)按正常狀況進(jìn)行分布，如圖2。

圖2 液態(tài)四氯化硅沿基盤面流動(dòng)情況Figure 2 Liquid SiCl4 flow along the base disk

液態(tài)四氯化硅接觸基盤或推動(dòng)石墨粉塵接觸電極都會(huì)使氫化爐絕緣性降低，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致氫化爐瞬間跳停。若大量的低溫四氯化硅進(jìn)入氫化爐，則會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度下降，從而達(dá)不到最佳反應(yīng)溫度，最終降低氫化爐轉(zhuǎn)化率。

2.2 液態(tài)四氯化硅對(duì)進(jìn)料控制的影響

為了準(zhǔn)確控制進(jìn)入氫化爐的四氯化硅與氫氣的量比，混氣臺(tái)四氯化硅輸料管上設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì)。對(duì)于測(cè)定氣態(tài)物質(zhì)的質(zhì)量流量計(jì)來說，一旦氣體中夾帶著液態(tài)，流量計(jì)顯示值波動(dòng)就較大，不能準(zhǔn)確測(cè)定流量，如圖3。在氫化爐進(jìn)料初期，若不能有效地排除進(jìn)料流里的液態(tài)物質(zhì)，就無法準(zhǔn)確地控制進(jìn)入氫化爐的四氯化硅流量。進(jìn)入爐內(nèi)物料的忽多忽少，必將造成爐內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定，情況嚴(yán)重時(shí)就會(huì)直接導(dǎo)致氫化爐的跳停。

圖3 進(jìn)料流量計(jì)波動(dòng)情況Figure 3 Fluctuations of flowmeter in feed

2.3 氫氣溫度對(duì)氫化爐運(yùn)行的影響

四氯化硅氫化使用的氫氣，絕大部分是由尾氣回收的，溫度為常溫，而爐內(nèi)溫度是1250℃，兩者差距較大。氫氣的流量又遠(yuǎn)大于四氯化硅的流量。氫氣進(jìn)入氫化爐后，使氫化爐內(nèi)的溫度急劇下降，靠近基盤部分的溫度下降過多，絕緣下降也較快。隨著氫化爐功率的提升，氫氣量也逐步增大，大量的常溫氫氣沖刷、腐蝕保溫罩內(nèi)部件，影響其使用壽命。如圖4所示。

2.4 進(jìn)料溫度對(duì)氫化爐運(yùn)行的影響

當(dāng)氫化爐的功率及進(jìn)料量達(dá)到最大設(shè)計(jì)值時(shí)，氫化爐將處于一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，爐內(nèi)的物料、溫度、壓力、轉(zhuǎn)化率也都處于平衡狀態(tài)。但若進(jìn)料的溫度有波動(dòng)，爐內(nèi)的氣流分布、溫度、轉(zhuǎn)化率也會(huì)隨之波動(dòng)。爐內(nèi)氣流及其他參數(shù)的波動(dòng)會(huì)改變氣流對(duì)加熱體、保溫罩內(nèi)壁、保溫罩底板等表面的沖刷路線，微塵有可能波動(dòng)至電極絕緣環(huán)處使絕緣值下降，從而導(dǎo)致氫化爐跳停。因此，進(jìn)料前段能否穩(wěn)定控制進(jìn)料溫度對(duì)氫化爐穩(wěn)定運(yùn)行有至關(guān)重要的作用。

圖4 物料沖刷腐蝕保溫罩情形Figure 4 Material erosion－corrosion situations of insulation cover

3 提高進(jìn)爐物料溫度的措施

3.1 管道冷凝積液回收

在四氯化硅進(jìn)料之前，需將上次開車后殘留于管道內(nèi)且不能被完全汽化的氯硅烷排出系統(tǒng)。由于此部分氯硅烷純度較高，如果將其直接排至廢液處理系統(tǒng)，不僅造成精制物料浪費(fèi)，而且會(huì)增大廢液處理系統(tǒng)的負(fù)荷。因此，將其引致氯硅烷回收裝置，然后，分離提純。這樣，既能實(shí)現(xiàn)氯硅烷的循環(huán)利用，又能降低廢液的處理負(fù)荷，同時(shí)，還有效地提高了四氯化硅進(jìn)爐的溫度。

3.2 用尾氣加熱氫氣

氫化爐內(nèi)反應(yīng)溫度高達(dá)1250℃，反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣送至回收系統(tǒng)之前需經(jīng)多級(jí)冷卻。而氫化回收的氫氣為常溫，進(jìn)入氫化爐之前還需要提高溫度。尾氣與回收的氫氣溫差較大，可實(shí)現(xiàn)有效換熱。用尾氣加熱氫氣，既能有效地提高氫氣進(jìn)入氫化爐前的溫度，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

3.3 排除汽化器內(nèi)的高沸物

四氯化硅在進(jìn)入氫化爐之前，需要在汽化器內(nèi)吸熱汽化。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，四氯化硅物料流中夾雜的高沸點(diǎn)物質(zhì)會(huì)富集于汽化器內(nèi)。隨著高沸物濃度的增加，在同等熱量下，四氯化硅的汽化量會(huì)減少，四氯化硅出汽化器時(shí)的溫度也會(huì)下降。連續(xù)或定期排除汽化器內(nèi)的高沸物能穩(wěn)定四氯化硅的汽化量，進(jìn)而避免因四氯化硅出汽化器溫度下降導(dǎo)致后續(xù)流程的溫度下降。

3.4 將電伴熱改為蒸汽盤管伴熱

汽化后的四氯化硅在進(jìn)入氫化爐之前還要流動(dòng)一段距離。為了保持四氯化硅的溫度，較為方便的做法是采用電伴熱，但電伴熱功率較小，且不能隨著負(fù)荷的改變調(diào)整發(fā)熱量?，F(xiàn)場(chǎng)使用也發(fā)現(xiàn)，電伴熱容易損壞且不利于檢修。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，將電伴熱改為蒸汽盤管伴熱。蒸汽盤管伴熱效率比電伴熱較好，且可根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)整供熱量，使用、檢修成本也較低。

3.5 合理設(shè)置氫化爐的進(jìn)料位置

氫化爐采用固定規(guī)格的熱場(chǎng)，不同于還原爐。氫化爐內(nèi)的空隙不會(huì)隨著氫化爐的運(yùn)行而發(fā)生變化。氫化爐需要多層保溫，一般采用的保溫罩均有內(nèi)罩及外罩。若合理設(shè)置氫化爐內(nèi)的噴料位置，使進(jìn)料在內(nèi)罩與外罩間迂回流動(dòng)，換熱后再進(jìn)入反應(yīng)場(chǎng)，則能有效地提升氫化爐進(jìn)料的溫度。

3.6 提高冷卻水的溫度

氫化爐在運(yùn)行時(shí)，需要用水冷卻尾氣、基盤及其他部位。在尾氣冷卻器、進(jìn)料換熱器處，也存在物料與水之間的換熱。合理提高冷卻水的溫度（3～5℃），可以避免基盤及進(jìn)料換熱器帶走過多的熱量，從而減少四氯化硅與氫氣的混合料進(jìn)入氫化爐時(shí)的熱量損失，以提高（或維持）氫化爐進(jìn)料口噴料的溫度。

［1］ 楊濤.改良西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝設(shè)計(jì)探討［J］.貴州化工，2009，34（3）：7－11.

［2］ 黃琰，李國(guó)安.多晶硅氫化爐防接地改造［J］.江西化工，2012（1）：120－121.

［3］ 陳涵斌，李育亮，印永祥.四氯化硅轉(zhuǎn)化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.氯堿工業(yè)，2009，4（4）：27－30.

［4］ 馬卓煌，宋東明.改良西門子法熱氫化反應(yīng)模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.氯堿工業(yè)，2013，49（6）：27－30.

Measures to Raise Feeding Temperature of SiCl4Converter

SONG Zhang－zuo，GU Guo－bao，LIU Yang－zan

（Kunming Yeyan New－material Co.，Ltd，Qujing 655011，China）

Hot hydrogenation of SiCl4is a critical step in achieving the closed cycle of polycrystalline silicon production based on the modified Simens process.The stable running of SiCl4converter is a determining factor in maintaining material balance in the system.In this paper，based on the production experience，the author has done an analysis on how the feeding situation of SiCl4and H2influences the running of SiCl4converter，and has put forward some effective measures to raise the feeding temperature.

polycrystalline silicon；hot hydrogenation；SiCl4；SiCl4converter

TQ127.2

A

1004-275X（2014）04-0068-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.04.020

收稿：2013-12-24

宋張佐（1986－），男，助理工程師，主要從事多晶硅生產(chǎn)技術(shù)工作。