多晶硅生產中常用換熱器簡介及其腐蝕與防護

黃河水電光伏產業(yè)技術有限公司 楊紫琪 張 博

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多晶硅生產中常用換熱器簡介及其腐蝕與防護

黃河水電光伏產業(yè)技術有限公司 楊紫琪 張 博

【摘要】本文簡單介紹了多晶硅用換熱器的分類情況，闡述了多晶硅企業(yè)換熱器泄露的原因以及目前行業(yè)內相關換熱器的防腐措施。

【關鍵詞】多晶硅；換熱器；泄露

改良西門子法多晶硅生產工藝是目前多晶硅生產企業(yè)最常用的生產工藝方法，因其形成了閉環(huán)生產而受到行業(yè)的歡迎，其反應過程是一個復雜的化工流程，其工序主要包括氫氣制備、氫化氯化工序、精餾工序、還原工序、氫氣循環(huán)工序及后處理等工序，其主要生產流程為圖1所示，其中STC（sicl4）、TCS（sicl3）是其主要多晶硅項目中涉及到眾多冷熱流體之間的熱量交換，為了使能源的利用效率提高，減少企業(yè)的生產成本，提高企業(yè)的生產效率，所以大量的換熱器被廣泛地應用在多晶硅領域，以青海某家年產2500噸的多晶硅生產企業(yè)為例，總計有換熱器共計256臺，這些換熱器的作用不同，功能不同，但是都有共同的目的是保證生產的高效正常運行。

圖1　多晶硅生產總工藝流程簡圖

換熱器是多晶硅生產中重要的化工設備之一，換熱器的類型很多、特點也不一樣，可以根據生產要求進項選擇，可以按照傳熱原理分為間壁式換熱器、蓄熱式換熱器及混合式換熱器，也能按照其主要扮演的角色分為主要有加熱器、預熱器、過熱器、蒸發(fā)器等。

加熱器：加熱器的主要作用是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體并沒有發(fā)生相的變化。

預熱器：預熱器先加熱流體，使流體達到要求的溫度，為工序操作提供標準的工藝參數。

過熱器：用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。

蒸發(fā)器：蒸發(fā)器用于加熱流體，達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化

據此家多晶硅生產企業(yè)的相關資料顯示，目前導致?lián)Q熱器損壞的90%的原因是因為泄露，泄露一旦發(fā)生，整個生產就要被迫停止，嚴重影響了正常的生產，導致多晶硅產量下降。發(fā)生泄露的主要原因是多晶硅生產中換熱器經過一段時間運行后會出現(xiàn)腐蝕、結垢等問題，從而導致?lián)Q熱器的泄露。

氯硅烷作為整個多晶硅生產過程中的主要介質，換熱器一旦出現(xiàn)小的泄漏點，氯硅烷就會與水發(fā)生激烈的反應，反應生成產物二氧化硅、腐蝕。產物二氧化硅會導致設備失效，且鹽酸會對設備材料進行腐蝕，加速了漏點的擴大。

不僅如此，氯硅烷對人體眼睛和呼吸道粘膜有強烈的刺激作用，且易燃易爆，遇高溫、明火或者氧化劑接觸，有引起燃燒爆炸的危險。其次氯硅烷會與水進行激烈的反應，生成聚合水解物和氯化氫，其反應生產的水解物二氧化硅等會堵塞設備，導致設備失效，且隨著反應的進行進入后續(xù)系統(tǒng)導致系統(tǒng)大規(guī)模的癱瘓，增加了檢修的成本。所以換熱器的經常泄露不僅對連續(xù)生產造成影響，而且隨著系統(tǒng)的運行，泄露后經反應產生的分解物進入系統(tǒng)，影響多晶硅的產品質量。一臺換熱器的泄露不僅對企業(yè)造成嚴重的經濟損失而且還存在著嚴重的安全隱患。所以解決多晶硅用換熱器的泄漏問題是目前多晶硅生產企業(yè)亟待解決的問題之一。

據相關資料顯示，目前導致?lián)Q熱器損壞的90%以上的原因是由于腐蝕，而且換熱器的腐蝕是不僅是多晶硅行業(yè)中量普遍存在的現(xiàn)象，也是整個化工產業(yè)面對的難題，但是因為多晶硅生產介質的特殊性，換熱器泄露問題在多晶硅行業(yè)中尤為突出，因此只要能夠很好的解決腐蝕問題，就等于解決了換熱器損壞的根本。目前所有多晶硅泄露問題是企業(yè)所面臨的最亟待解決的問題，通過同行業(yè)專家的技術交流及累積的生產經驗，目前針對換熱器的防漏措施企業(yè)們主要從以下幾個方面進行努力。

（1）在傳熱流體中添加緩蝕劑

為了減輕腐蝕，在條件許可的情況下，可在流體中加入某些緩蝕劑。以鉻酸鹽為主要成分的緩蝕劑是冷卻水系統(tǒng)中常用的，鉻酸根離子是一種陽極（過程）抑制劑，當它與合適的陰極抑制劑組合時，能得到令人滿意又經濟的防腐效果，常見的陰極抑制劑有聚磷酸鹽、磷酸鈉、誰接的聚丙烯酰胺等。研究表明，此方法對換熱器的接觸腐蝕，孔蝕及盈利腐蝕效果較好。但是由于目前國內對緩蝕劑的研究相對較少，緩蝕劑種類單一，并不能完全解決較多類別的腐蝕現(xiàn)象，技術人員有待進一步研發(fā)出更多類型更加高效的緩蝕劑應對企業(yè)的換熱器腐蝕問題。

（2）對換熱器料進行防腐材料的噴涂

除了在傳熱流體中增加緩蝕劑，緩解換熱器的結垢現(xiàn)象，另外一種更為經濟可行的方法是在金屬表面，通過一定的涂覆方法，覆蓋一層耐腐蝕的涂料保護層，以避免金屬表面與腐蝕介質的直接接觸。但是因為多晶硅企業(yè)對質量的要求較高，特別是電子級多晶硅的生產，對任何元素的進入都特別慎重，何種材料最為防腐而且不影響的產品質量，是目前行業(yè)內的相關專家也在積極探索的，最合適的材料還有待研發(fā)。

（3）采用干式空冷器替代現(xiàn)有水冷器

采用空冷器的優(yōu)點在于避免了循環(huán)水的腐蝕，而氯硅烷等對設備本身無腐蝕，總體來說，腐蝕源大大減少，但是采取干式空冷器代替目前的換熱器并不是完美的解決方案，首先干式空冷器的造價遠遠大于目前普通水冷換熱器的價格，投資太大，加上近年來多晶硅價格的不景氣，越來越多企業(yè)不愿意再追加投資進行換熱器的更換，其次干式空冷器的環(huán)境溫度要求較高，在我國大部分濕熱的南方地區(qū)使用效果并不明顯。

（4）其他的方法

除了上述的幾種方法外，還有一些企業(yè)會改變換熱器的結構以減少腐蝕泄露的發(fā)生，同時設備管理部門也要加強設備的日常管理，定期進行設備的檢修，工藝產線上也需要強化操作人員的操作技能等以減少對換熱器的不必要的人為損害，比如升溫降溫的操作過程盡可能的平穩(wěn)進行等。

結論

換熱器的防腐蝕工作防泄漏是一個任重而道遠的過程，僅僅單靠一種單一的方法的效果有限，而且上述措施也只能較大程度的減緩腐蝕速度，但離從根本上徹底解決腐蝕的問題還遠遠不夠，所以我們必須加強設備管理，采取綜合措施，且針對性治理，才能最大限度的延長換熱器的使用壽命，取得良好的社會效益及經濟效益。

《多晶硅生產工藝專用換熱器的研制》項目基金資助，項目編號：2016-014-HHS-KJ-X。