多晶硅還原熱能利用途徑的探討

楊志國，柯曾鵬（華陸工程科技有限責任公司，陜西西安，710065）

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多晶硅還原熱能利用途徑的探討

楊志國，柯曾鵬
（華陸工程科技有限責任公司，陜西西安，710065）

生產(chǎn)多晶硅的主流工藝是改良西門子法，其主要耗能單元在多晶硅還原裝置中，耗能的主要形式為電能消耗，多晶硅還原裝置的電耗占整個多晶硅流程的40～60%。本文研究了多晶硅生產(chǎn)中如何實現(xiàn)節(jié)能，分析了多晶硅還原中消耗的電能以熱能的形式再利用；還系統(tǒng)地探討以高溫水為熱載體對還原熱能進行綜合利用的途徑，從而降低整個多晶硅生產(chǎn)裝置的綜合能耗，以減少生產(chǎn)成本。

多晶硅；還原爐；冷卻介質(zhì)；熱能利用

引言

隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，多晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)鏈的基石，也得到迅猛的發(fā)展，裝置產(chǎn)能規(guī)模逐步擴大。目前國內(nèi)產(chǎn)能已經(jīng)過剩，如何有效降低生產(chǎn)成本，成為各多晶硅生產(chǎn)工廠盈利的根本。本文系統(tǒng)的探討了一種以高溫水為熱載體對還原熱能進行綜合利用的方法，通過這種方法可以有效降低多晶硅生產(chǎn)的綜合能耗，從而實現(xiàn)降低生產(chǎn)成本的目的。本文供多晶硅生產(chǎn)工廠參考。

1　多晶硅還原生產(chǎn)工藝

多晶硅為重要的半導(dǎo)體材料，國內(nèi)多晶硅的生產(chǎn)主要采用改良西門子法，多晶硅還原為多晶硅生產(chǎn)重要的單元，即高純度的三氯氫硅和氫氣在通電的高溫硅棒表面發(fā)生化學沉積反應(yīng)。

在約1100℃硅棒表面，生成高純度多晶硅，其主導(dǎo)反應(yīng)為［1］：

上述沉積反應(yīng)以高純?nèi)葰涔铻樵?，在硅棒表面發(fā)生沉積反應(yīng)生成多晶硅，同時產(chǎn)生氯化氫和四氯化硅。此沉積反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，要維持硅棒表面溫度1100℃，必須給硅棒兩端通電，保證一定量的電流通過硅棒，使硅棒發(fā)熱；隨著單質(zhì)硅在硅棒表面的沉積，所需要的維持電流也愈大，硅棒的表面積也愈大，硅棒向鐘罩式還原爐內(nèi)壁輻射的熱量也愈多； 如果熱量不能從還原爐內(nèi)壁及時的移走，將導(dǎo)致還原爐內(nèi)壁的溫度最終和硅棒表面的溫度一樣。 為了不影響還原爐設(shè)備材質(zhì)的選擇，需要不斷的移走硅棒輻射的熱量。

由于生成多晶硅的反應(yīng)中，副產(chǎn)了一定量的HCL，根據(jù)大量氣態(tài)HCL對各種金屬合金高溫腐蝕影響的研究［2-10］，HCL對金屬的高溫強腐蝕主要發(fā)生在溫度在550～700℃區(qū)域，為了不影響還原爐的壽命，需要控制還原爐內(nèi)壁溫度在550℃以下。因此，就需要引入合理的冷卻介質(zhì)，不斷從還原爐內(nèi)壁移走硅棒向內(nèi)壁輻射的熱量，維持還原爐內(nèi)壁溫度在一個穩(wěn)定的值，而且需要保證內(nèi)壁溫度低于550℃。另考慮到還原爐內(nèi)壁材料316L的許用應(yīng)力等條件，工業(yè)生產(chǎn)中通常控制還原爐內(nèi)壁溫度在350℃以下。

2　多晶硅還原熱能利用途徑

為了實現(xiàn)多晶硅還原的熱能利用，合理熱載體的選擇至關(guān)重要，熱載體的溫度不宜太低，如果熱載的溫度低，必然還原爐內(nèi)壁的溫度較低，依據(jù)輻射傳熱的原理，單位時間內(nèi)硅棒向還原爐內(nèi)壁輻射的熱量就多，因此導(dǎo)致還原生產(chǎn)的電耗就高。在工業(yè)生產(chǎn)中，通常采用的熱載體為較低溫度冷卻水和導(dǎo)熱油，熱能利用效率較低。本文系統(tǒng)提出以高溫脫鹽水為熱載體的熱能利用途徑，可以降低多晶硅還原生產(chǎn)的電耗，同時最大限度地實現(xiàn)熱能的綜合利用。

2.1以高溫水為熱載體的熱能利用途徑

多晶硅還原爐為鐘罩式，高溫脫鹽水在鐘罩的夾套中流動移走熱量，保證內(nèi)壁溫度不超過內(nèi)壁材料的使用溫度。從硅棒表面輻射的熱量不斷傳遞到還原爐鐘罩內(nèi)壁，熱載體高溫水不斷地從內(nèi)壁移走熱量實現(xiàn)熱平衡。高溫水吸收了熱量，溫度升高，通過控制高溫水的壓力保證高溫度始終處于液態(tài)。溫度升高的高溫水進入蒸汽閃蒸槽減壓閃蒸，產(chǎn)生0.2MPa（G）～0.4MPa（G）低壓飽和蒸汽，同時高溫水的溫度降低。降溫后的高溫水繼續(xù)作為熱載體返回還原爐鐘罩夾套循環(huán)使用。

在多晶硅工業(yè)生產(chǎn)中，0.2MPa（G）～0.4MPa（G）低壓飽和蒸汽可以供給精餾提純單元使用，也可以供給溴化鋰制冷機組使用，實現(xiàn)熱能的最大限度利用。

以高溫水為熱載體的熱能利用形式，大大減小了硅棒表面與還原爐鐘罩內(nèi)壁的溫差，降低了硅棒的輻射熱，從而降低多晶硅還原的電耗。另一方面，高溫水減壓閃蒸低壓飽和蒸汽供給多晶硅生產(chǎn)的其它單元直接使用，系統(tǒng)簡單，熱能利用效率高。

以高溫水為熱載體的熱能利用工藝流程見圖1。

圖1　以高溫水為熱載體的熱能利用工藝流程圖

如圖1所示，進入還原爐鐘罩夾套的高溫水通過TV-01控制流量，穩(wěn)定高溫水出還原爐夾套的出水溫度；PV-01控制高溫水的回水壓力，保證吸熱后溫度升高的高溫水在其出口溫度下不汽化；PV-02控制閃蒸槽閃蒸飽和蒸汽的壓力；LV-01控制閃蒸槽內(nèi)高溫水的液位，保證熱能利用系統(tǒng)的正常循環(huán)。

2.2還原爐鐘罩內(nèi)壁壁溫核算

如圖1所示的以高溫水為熱載體的熱能利用途徑，關(guān)鍵控制還原爐鐘罩的內(nèi)壁的壁溫，使內(nèi)壁溫度不能超過設(shè)備材質(zhì)正常使用溫度和氯化氫對其內(nèi)壁的腐蝕溫度。為了進一步驗證高溫水作為熱載體是否可行，以工業(yè)中常用的36對棒多晶硅還原爐為例進行內(nèi)壁溫度核算。

還原爐硅棒表面溫度～1100℃；硅棒最大生長直徑150mm；鐘罩外徑3100mm； 鐘罩內(nèi)徑2900 mm；硅棒高度2500mm；還原爐鐘罩內(nèi)壁材質(zhì)316L；內(nèi)壁厚28mm； 鐘罩夾套間隙100mm；夾套熱載體進出口管徑150mm；夾套直筒段高2500mm；夾套傳熱面積33m2。

多晶硅還原生產(chǎn)過程中硅棒到還原爐鐘罩主要依靠輻射傳熱，當沉積反應(yīng)到硅棒直徑為150mm時，工業(yè)中通常的供電功率為5000kW；電功率轉(zhuǎn)化的熱能主要為沉積反應(yīng)吸熱，還原尾氣、硅棒供電電極、還原爐底盤帶走的熱量和硅棒對還原爐鐘罩傳遞的熱量；其中還原爐鐘罩吸收熱量約占總供電功率的54%，主要為硅棒對還原爐內(nèi)壁的輻射傳熱。

根據(jù)熱量傳遞的過程，從還原爐鐘罩內(nèi)壁到熱載體高溫水之間建立熱平衡；以傳熱量最大的工況考慮，即硅棒直徑為150mm的工況，硅棒以5000×0.54kW的傳熱速度向還原爐鐘罩內(nèi)壁傳遞熱量，還原爐鐘罩內(nèi)壁吸收的熱量克服內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻，將熱量傳導(dǎo)到還原鐘罩的夾套，然后通過鐘罩夾套高溫水移走熱量，同時克服鐘罩夾套的污垢系數(shù)；移走熱量的高溫水減壓閃蒸0.2MPa（G）的飽和蒸汽，同時熱載體高溫水溫度從152℃降到132℃。

（1）高溫水與還原爐鐘罩夾套之間的無相變夾套水的傳熱膜系數(shù)：

還原爐鐘罩夾套流道的當量直徑：

雷諾數(shù)：

普朗特數(shù)：

入口接管出口外的流速：

還原爐鐘罩夾套間隙速度：

還原爐鐘罩夾套內(nèi)流體溫升而產(chǎn)生的平均流速：

式中：

h0――還原爐鐘罩無相變夾套水的傳熱膜系數(shù)，kcal/m2.h.k；

υ0――還原爐鐘罩入口接管的流速，m/s；

υA――還原爐鐘罩夾套內(nèi)流體間隙速度，m/ s；

υB――由于還原爐鐘罩夾套內(nèi)流體溫升而產(chǎn)生的平均流速，m/s；

W――還原爐鐘罩夾套水流量，kg/s；

Do――還原爐鐘罩夾套外徑，m；

Di――還原爐鐘罩夾套內(nèi)徑，m；

Hi――還原爐鐘罩夾套直筒段高度，m；

通過高溫水的進出口溫度以及需要移走的熱量，則計算出高溫水量W=31.95 kg/s，同時根據(jù)以上公式進行計算得出 3436 kcal/m2.h.k

（2）還原爐鐘罩內(nèi)壁導(dǎo)熱熱阻R

由于不銹鋼316L材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)15kcal/ m.h.k；因此計算出還原爐鐘罩導(dǎo)熱熱阻R=28mm/15kcal/m.h.k=0.00187 m2.h.k/kcal。

（3）總傳熱系數(shù)K

由于熱載體高溫水為脫鹽水，因此取還原爐鐘罩夾套污垢系數(shù)Rs=0.0001m2 h.k/kcal；依據(jù)公式1/K=1/h0+R+Rs計算得出K=443 kcal/ m2.h.k。

（4）傳熱平均溫差ΔTm

由Q=KAΔTm計算得出ΔTm=159℃。

（5）還原爐鐘罩內(nèi)壁的壁溫

還原爐鐘罩夾套高溫水的平均溫度（132℃+152℃）/2=142℃

結(jié)合以上計算結(jié)果，可以得出還原爐鐘罩內(nèi)壁溫度約159℃+ΔTm=301℃，通常還原爐鐘罩內(nèi)壁的溫度要求不高于350℃；所以，以高溫水為熱載體移走熱量，閃蒸低壓飽和蒸汽的熱能利用途徑是可行的。

3　結(jié)束語

多晶硅還原為多晶硅工業(yè)化生產(chǎn)的耗能裝置，如何有效的減少電能消耗，并最大限度地利用熱能為各多晶硅工廠追求的目標。以高溫水為熱載體移走熱量，閃蒸低壓飽和蒸汽的熱能利用方式為目前降低生產(chǎn)成本的有效途徑；傳統(tǒng)的以低溫水為熱載體的熱能利用方式逐漸被淘汰，一方面由于其溫度低，硅棒輻射熱量增大，電耗增加；另一方面熱載體溫度低很難實現(xiàn)最大限度的熱能利用。

［1］朱駿業(yè).降低多晶硅還原電耗的途徑［J］.世界有色金屬，1995，1（5）:41-45.

［2］Mayer P，Manolescu AV.Corrosion-NACE，1980 （36）:367.

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［11］上海醫(yī)藥工業(yè)設(shè)計院.化工工藝設(shè)計手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003.311.

楊志國（1977-），男，工程碩士，高級工程師。研究方向：工程設(shè)計。

柯曾鵬（1982-），男，碩士 ，工程師。研究方向：工程設(shè)計。

Discussion on Thermal Energy Reusage in Polysilicon CVD Reactor

Zhiguo Yang， Zengpeng Ke
（Hualu Engineering and Technology Co，Ltd.， Xian， Shanxi， 710065， China）

The improved Siemens approach is general method to produce polysilicon . Due to the CVD device influence the energy consumption of the polysilicon ， the form of energy main is the power. especially the power consumption is 40～60 percentage in total energy consumption ， so it is very important for saving energy to produce polysilicon ， and it becomes key method that the power consumption in the polysilicon CVD reactor can be used to transform heat energy.The latter will be discussed for thermal energy reuse with the high temperature water. The result show that this measurements can save energy and reduce polysilicon cost greatly.

Polysilicon； CVD Reactor； Coolant Fluid； Thermal Energy Reusage

TQ110.6

A

2095-8412 （2016） 03-318-04