多晶硅行業(yè)直接式電加熱器常見故障分析及優(yōu)化

曾曉國 張 偉 張曉偉

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.洛陽中硅高科技有限公司， 河南 洛陽 471023)

0 前言

多晶硅是信息產(chǎn)業(yè)和太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原材料，全球多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝有三氯氫硅氫還原法(又稱改良西門子法)和硅烷流化床法，前者占世界總產(chǎn)能的85%，是多晶硅生產(chǎn)的主流工藝[1]。多晶硅生產(chǎn)屬于典型的化工過程，當(dāng)加熱溫度較低時，一般采用熱水、蒸汽等熱源加熱；當(dāng)加熱溫度超過180 ℃以上，一般采用電加熱器直接加熱。多晶硅生產(chǎn)過程中，電加熱器主要用于氣體(包括氫氣、氮?dú)?、氯化氫、氯硅烷氣體等)、工藝液體(氯硅烷液體)及輔助介質(zhì)(如導(dǎo)熱油)的加熱。電加熱器分為直接式和間接式，其中直接式電加熱器加熱效率高，設(shè)備體積小，投資成本低，故一般采用直接式電加熱器。本文總結(jié)了國內(nèi)某大型多晶硅企業(yè)在直接式電加熱器的使用過程中的常見故障，并給出了優(yōu)化建議。

1 直接式電加熱器的結(jié)構(gòu)

直接式電加熱器由外殼和電加熱芯組成，其中電加熱芯主要由電加熱管、散熱區(qū)和接線盒等組成，如圖1所示。

圖1 直接式電加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 電加熱管

電加熱管是直接式電加熱器的最核心部件，是發(fā)熱元件，必須具有較高的熱效率、長期耐高溫、耐腐蝕性以及在長期工作條件下保持良好的絕緣性能和電氣強(qiáng)度的性能，以確保其長期工作穩(wěn)定、可靠、安全。每組電加熱芯根據(jù)功率的不同，含有一定數(shù)量的電加熱管，并含有10%左右的備用管。電加熱管主要由金屬外管、電阻絲和填料(氧化鎂粉)組成[2]。電加熱管束之間有折流板，起到支撐和安裝、導(dǎo)流作用，不僅可防振，而且可強(qiáng)化傳熱，有效避免形成加熱死角，并能有效提高電熱元件表面介質(zhì)流速。

1.2 接線盒

接線盒是放置電纜接入端的部件，由于介質(zhì)為氫氣或氯硅烷，故接線盒采用防爆結(jié)構(gòu)，防爆等級為dⅡCT4，防護(hù)等級為IP55，材質(zhì)為碳鋼。

1.3 散熱區(qū)

在直接式電加熱器主法蘭和接線盒之間設(shè)置300 mm長的散熱區(qū)，并加設(shè)一定數(shù)量的散熱片，使從加熱器輻射和傳導(dǎo)過來的熱量降至最低，這樣能有效地降低接線盒內(nèi)部的溫度(≤50 ℃)，避免接線盒內(nèi)部接線電纜長時間處于高溫而老化。

2 直接式電加熱器的使用情況

在國內(nèi)某大型多晶硅企業(yè)的生產(chǎn)過程中，電加熱器主要用于氫氣、導(dǎo)熱油、氯硅烷氣體的加熱，詳見表1。

表1 直接式電加熱器的使用情況

3 直接式電加熱器常見故障及分析

3.1 故障原因

多晶硅用電加熱器出現(xiàn)故障的原因主要有兩方面，一方面是設(shè)備本體質(zhì)量問題，另一方面與運(yùn)行工藝有關(guān)。常見故障為電加熱管與管板焊接問題、套管本體質(zhì)量問題導(dǎo)致泄漏、電加熱管燒壞、加熱管絕緣性低。電加熱器的故障原因及檢修方案詳見表2。

表2 電加熱器故障原因及檢修方案

3.2 故障統(tǒng)計及分析

本文對國內(nèi)某大型多晶硅企業(yè)的電加熱器的故障按照上述故障類型編號進(jìn)行統(tǒng)計，詳見表3。因為電加熱管絕緣性低(D)故障一般在設(shè)備調(diào)試時被發(fā)現(xiàn)，而設(shè)備正常運(yùn)行后很少會再出現(xiàn)此類問題，對生產(chǎn)的影響相對較少，故此類故障沒有統(tǒng)計。

表3 某大型多晶硅企業(yè)電加熱器故障統(tǒng)計表

由表3可知，電加熱器共投用108臺，投用至今共發(fā)生故障45次，其中C(電加熱管燒壞)故障率最高，占總故障的64%，主要原因是原料四氯化硅含粉塵多，其次是因為早期的工藝中二氯二氫硅未進(jìn)行反歧化處理，就直接加入到氫化四氯化硅原料儲罐內(nèi)，然后和四氯化硅、氫氣一起進(jìn)入混合氣電加熱器加熱，二氯二氫硅高溫下分解產(chǎn)生無定形硅附著在加熱管上，電阻絲產(chǎn)生的熱無法及時散出而導(dǎo)致局部溫度過高，使加熱管燒斷[3]。B(套管泄漏)故障率也較高，占總故障的27%，其原因主要是多晶硅工廠的大氣環(huán)境常含有氯離子，電加熱器正常工作時套管溫度高，水分無法在表面停留，不容易被腐蝕，但是冷氫化系統(tǒng)需要定期停車排渣，導(dǎo)致套管在常溫下易被大氣中的氯離子腐蝕。A故障(電加熱管與管板焊接問題)屬于設(shè)備質(zhì)量問題，占總故障的9%。電加熱器投用第2年的平均故障次數(shù)比第1年有所上升，但是投用第2年故障全部為電加熱管燒壞故障，與生產(chǎn)工況關(guān)系較大，投用第3年基本上無故障發(fā)生，這說明在工況較好(加熱介質(zhì)無二氯二氫硅且物料干凈)的條件下，無質(zhì)量問題的電加熱器的使用壽命能達(dá)到較長時間。

4 討論與建議

為減少多晶硅用直接式電加熱器的故障率，保證生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，建議在以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化：

1)電加熱器故障頻率與加熱溫度有關(guān)。氫氣電加熱器、導(dǎo)熱油電加熱器和活化干燥器的工作溫度低，不超過300 ℃，很少出現(xiàn)故障；而混合氣電加熱器的工作溫度高達(dá)530 ℃，故障較多。所以，當(dāng)電加熱器運(yùn)行溫度較高時，建議電加熱管的金屬外管采用高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕的鎳基合金Incoloy800H無縫管。常用的電阻絲材料有Fe-Cr-Al和Cr20Ni80電阻絲，但在較高的溫度下，F(xiàn)e-Cr-Al更容易氧化，而Cr20Ni80在高溫下也能保持穩(wěn)定[4]，具有更高的耐溫能力、更好的抗氧化性和高的電阻率。所以電阻絲建議采用Cr20Ni80。

2)由于混合氣預(yù)熱爐的出口溫度超過500 ℃，其電加熱元件的表面負(fù)荷一般控制在2 W/cm2以下，考慮到設(shè)備的體積不宜過大，故單臺電加熱器功率一般控制在250 kW 以下。由于混合氣預(yù)熱爐要求加熱的功率達(dá)1 200 kW，一般采用多臺電加熱器串聯(lián)使用，考慮到串聯(lián)位置越靠后的電加熱器的工作溫度越高，為保證電加熱管的壽命，建議多臺串聯(lián)的電加熱器的功率逐漸降低，即后端電加熱器采用更低的表面負(fù)荷，以提高電加熱管的使用壽命。

3)對于導(dǎo)熱油電加熱器，因?qū)嵊鸵走^熱分解與積碳，必須保證受熱面管中的導(dǎo)熱油流速，輻射受熱面流速不低于 2 m/s，對流受熱面流速不低于 1.5 m/s[5]。流速若達(dá)不到要求，應(yīng)降低電加熱管的表面負(fù)荷。此外，在導(dǎo)熱油入口處應(yīng)裝過濾器，以濾去導(dǎo)熱油在高溫運(yùn)行下形成的聚合物和殘渣，防止這些聚合物或殘渣進(jìn)入受熱面，影響傳熱。

4)電加熱器故障頻率與腐蝕性工作環(huán)境有關(guān)。因為多晶硅企業(yè)大氣中含氯離子較多，加熱管散熱器套管易腐蝕，建議在套管外表面刷涂高溫防腐漆或采用耐氯離子腐蝕的合金材質(zhì)的套管，同時在生產(chǎn)管理上減少腐蝕性氣體的無組織排放。

5)電加熱器故障頻率與被加熱的介質(zhì)關(guān)系較大。當(dāng)介質(zhì)含有較多固體顆粒時，電阻絲產(chǎn)生的熱無法及時散出而導(dǎo)致加熱管燒斷。故當(dāng)物料含較多固體顆粒時，建議增加預(yù)處理工藝，減少固體顆粒含量；或者調(diào)整工藝，減少易分解物質(zhì)的含量。此外，可采用間接式加熱的輻射式電加熱爐，物料在盤管內(nèi)部流動，盤管周圍布置多根電加熱管，電加熱管自發(fā)熱后輻射至盤管，從而間接加熱物料。從加熱的原理上來看，介質(zhì)含固體顆粒多僅僅影響換熱效率，而不會導(dǎo)致電加熱管聚熱而燒斷，所以在此工況下，輻射式電加熱爐的故障率要低很多。

6)針對電加熱器的套管本體質(zhì)量問題和電加熱管質(zhì)量問題，建議在采購技術(shù)文件中明確要求廠家出具對這些質(zhì)量問題的解決措施和第三方檢測結(jié)果，明確廠家的設(shè)備質(zhì)量問題責(zé)任，以避免此類問題的出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

電加熱器是多晶硅行業(yè)生產(chǎn)過程中冷氫化和活性炭吸附的關(guān)鍵設(shè)備，必須保證電加熱器的長期穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行，因此需要在設(shè)計、制造和使用等方面進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)計上要選擇合理的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，在制造上要保證高水平的加工及嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，在使用上做好設(shè)備的防腐和減少無組織排放。