基于數(shù)值模擬的還原反應(yīng)器改進(jìn)研究

王 文

（新特能源股份有限公司 新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

對(duì)還原反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬是分析還原反應(yīng)器內(nèi)氣場(chǎng)、溫場(chǎng)分布，研究能量損失的重要方法。目前主要是通過(guò)使用ANSYS、STR 軟件等對(duì)還原反應(yīng)器內(nèi)氣流進(jìn)行模擬。

有文獻(xiàn)認(rèn)為[1]，大型還原反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是否合理與底盤構(gòu)造、電極排布等的關(guān)系很大。張鵬遠(yuǎn)等認(rèn)為[2]，需要進(jìn)一步模擬，包括底盤噴嘴的分布、結(jié)構(gòu)等對(duì)爐內(nèi)物料和熱場(chǎng)分布的影響， 尤其是怎么改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì)解決物料平均分布的問(wèn)題（主要指硅棒生長(zhǎng)中偏心，硅芯根部生長(zhǎng)不好包覆不住的問(wèn)題），提出通過(guò)側(cè)旋孔角度的調(diào)整，來(lái)解決硅芯根部物料氣流分布欠缺的問(wèn)題。 也有人用商用CFD軟件了解反應(yīng)器內(nèi)氣體的流動(dòng)特性， 應(yīng)用realizable kepsilon 湍流模型進(jìn)行了分析[3]。Kang 等[4]研究了氣體噴嘴對(duì)西門子反應(yīng)器中多晶硅沉積的影響。 秦榕等通過(guò)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析， 發(fā)現(xiàn)還原反應(yīng)器內(nèi)存在較多氣旋和流動(dòng)死區(qū)，以及爐內(nèi)溫度不均勻的現(xiàn)象，認(rèn)為這些現(xiàn)象都會(huì)引起倒棒或“爆米花”，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量還降低產(chǎn)品產(chǎn)率。他們通過(guò)改變硅棒直徑發(fā)現(xiàn)，隨著硅棒直徑的增加，反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)會(huì)變得更加均勻，所以直徑增加是利于氣相沉積反應(yīng)的[5]。

另有文獻(xiàn)[1]討論了多晶硅化學(xué)氣相沉積的熱損失問(wèn)題，提出了熱損失的綜合理論模型。 分析了能量消耗的貢獻(xiàn)程度。Gonzalodel Coso 等提出了減小能量損失的幾點(diǎn)建議：增大反應(yīng)器容量，改善反應(yīng)器壁的性能，引入熱屏蔽。認(rèn)為， 如果反應(yīng)器從36 對(duì)棒擴(kuò)大到60 對(duì)棒， 每生產(chǎn)1kg多晶硅可節(jié)省11kWh 左右的能量。 同時(shí)， 增加壁面反射率，可節(jié)省約17kWh/kg。 如采用隔熱板，則降低成本的潛力可達(dá)到20kWh/kg[6-7]。

還有文獻(xiàn)不同于普通還原反應(yīng)器， 提出用塞流反應(yīng)氣體可以顯著降低能耗[8]。 用高頻電源，由于“集膚效應(yīng)”，將至少70%的電流集中在棒的表面， 從而使加熱更均勻并降低棒的脆性[9]。

本文考慮噴嘴和出氣口的布置對(duì)還原反應(yīng)器內(nèi)氣體流動(dòng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 實(shí)驗(yàn)采用PolySim 軟件，分別對(duì)不同的噴嘴設(shè)計(jì)方案建模， 分析噴嘴分布對(duì)還原反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)和溫場(chǎng)分布的影響和改進(jìn)方法， 并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)值模擬

以36 對(duì)棒還原反應(yīng)器為模型開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)6種噴嘴分布方案，各方案的噴嘴高度相等，噴嘴直徑隨噴嘴個(gè)數(shù)相應(yīng)變化， 維持總氣速不變。 6 種方案的CVD 還原反應(yīng)器模型通過(guò)PolySim 軟件3D 模塊建立，噴嘴方案見(jiàn)表1。

表1 不同設(shè)計(jì)還原反應(yīng)器噴嘴方案

考察硅棒直徑為65 mm， 此時(shí)， 對(duì)應(yīng)硅棒生長(zhǎng)到中期，且TCS 料量已達(dá)到最大，因此其爐內(nèi)流場(chǎng)、溫場(chǎng)更具有代表意義。 實(shí)驗(yàn)對(duì)該直徑下6 種噴嘴設(shè)計(jì)方案的還原反應(yīng)器分別進(jìn)行建模。 邊界條件參數(shù)包括該生長(zhǎng)時(shí)刻下三氯氫硅流量、氫氣流量、DCS 含量、電流、硅棒發(fā)射率、進(jìn)氣溫度和操作壓力等，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型邊界條件

2 結(jié)果與分析

通過(guò)迭代計(jì)算，其殘差均小于10-3，收斂良好。 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理后， 得到了各設(shè)計(jì)方案爐體內(nèi)部的流場(chǎng)、溫場(chǎng)，以及硅棒表面溫度的分布圖。

2.1 流場(chǎng)分布對(duì)比分析

如圖1 所示， 為6 種方案下典型豎直截面的流速分布圖。 方案1、2、3 顯示出比較明顯的大渦流[2-3]。 方案5 也顯示出不對(duì)稱的流動(dòng)。 這種大渦流和不對(duì)稱的流動(dòng)，都不利于爐內(nèi)形成均勻的傳質(zhì)邊界層厚度， 補(bǔ)充新鮮TCS 和驅(qū)離反應(yīng)尾氣。

圖1 典型豎直截面的流速分布

圖2 為帶有矢量方向的0.3m 水平截面的流速分布。比較明顯的是，方案1、2、3、5 都形成了匯流趨勢(shì)，這也是大渦流現(xiàn)象在爐內(nèi)底部的表現(xiàn)。 值得注意的是，這種底部的匯流，會(huì)在局部形成與硅棒垂直的剪切力，在硅棒生長(zhǎng)前期直徑較小，與石墨結(jié)合不牢靠的情況下，可能是倒棒的原因之一。

圖2 0.3m 水平截面的流速分布（帶矢量方向）

硅棒表面流速的提高有利于帶走硅棒表面熱量，促進(jìn)硅棒表面溫度分布的均一性，從而有助于更多致密料的沉積。

圖3 顯示在2.0m 處，方案1 的進(jìn)氣流量匯聚成大勢(shì)力，其速度達(dá)到8m/s 以上，結(jié)合圖1 分析，這也是形成大渦流的特征。而且周圍大片藍(lán)色區(qū)域表明其氣速＜2m/s，滯留面積較大。方案2 的進(jìn)料氣速已迅速衰減至7m/s 下，且沒(méi)有明顯的流動(dòng)勢(shì)力，意味著2m 以上區(qū)域的氣體流動(dòng)較弱，將不利于上部硅棒的生長(zhǎng)，降低傳質(zhì)邊界層厚度，補(bǔ)充新鮮TCS 和驅(qū)離反應(yīng)尾氣。方案3 形成了3 股進(jìn)氣勢(shì)力，但明顯偏離中心。 方案4 隱約可辨認(rèn)出6 股進(jìn)氣勢(shì)力，相對(duì)分布比較均勻，且周圍藍(lán)色區(qū)域面積較小，表明流速過(guò)慢及滯留區(qū)域少。方案5 藍(lán)色區(qū)域面積大，流速顯著過(guò)低。方案6清晰可見(jiàn)9 股進(jìn)氣勢(shì)力，對(duì)應(yīng)9 個(gè)噴嘴的位置，分布均勻無(wú)偏流，其速度均在8m/s 以上。

圖3 2.0m 水平截面的流速分布

對(duì)比6 種方案， 方案2 和5 在2.0m 時(shí)其進(jìn)料氣速已衰減至7 m/s 下，不能保證硅棒上部直至爐體頂部的較高流速，不利于硅棒上部生長(zhǎng)；方案1 和方案5 存在較大面積藍(lán)色區(qū)域，意味著其氣速＜2m/s，形成滯留區(qū)。 方案1 和方案3 形成明顯的偏流， 這是導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)大渦流形成的原因。 因此， 通過(guò)對(duì)比2.0m 處6 種方案水平截面的流場(chǎng)分布，推斷方案4 和方案6 具有較好的流場(chǎng)分布。

2.2 還原反應(yīng)器內(nèi)部溫場(chǎng)分布

不同方案下，還原反應(yīng)器內(nèi)2.0m 處水平截面上的溫場(chǎng)分布情況如圖4 所示， 其反映硅棒周圍空間里的氣相溫度。 方案1、2、3、5 顯示占據(jù)截面約1/6 以上的區(qū)域，其爐內(nèi)氣相溫度達(dá)到了900K 以上。 對(duì)比圖3，方案1、3、4、6里該區(qū)域和爐內(nèi)氣體流動(dòng)停滯區(qū)也有較好的吻合關(guān)系，從側(cè)面說(shuō)明了爐內(nèi)流場(chǎng)對(duì)爐內(nèi)溫場(chǎng)有著深刻的影響。 低溫的混合進(jìn)料氣體經(jīng)噴嘴上行時(shí)流速迅速衰減， 導(dǎo)致還原反應(yīng)器上半部分混合氣體循環(huán)不強(qiáng)， 無(wú)法及時(shí)帶走該截面處熱量，即對(duì)該處溫場(chǎng)帶來(lái)明顯影響。

圖4 2.0m 水平截面的溫度分布

2.3 模擬結(jié)果數(shù)值的討論

表3 反映了不同方案下模擬結(jié)果數(shù)值的比較。

表3 模擬結(jié)果數(shù)值的比較

平均硅棒表面溫度結(jié)合總功率、 最大/最小硅棒表面溫度差，有可能反映電單耗情況。從最大/最小硅棒表面溫度差來(lái)看，方案4 和6 的溫度差在200K 以下，其他方案均高于此值。 即方案4 和6 能提供不同硅棒組之間的更均勻的溫場(chǎng)。 局部沉積區(qū)域溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域晶體硅沉積速度過(guò)快，從而產(chǎn)生大量表面粗糙的菜花料。

平均氣相主體溫度與平均硅棒表面溫度的變化趨勢(shì)相似，可能依賴于平均硅棒表面溫度。

熱輻射是從硅棒輻射到爐筒所損失的熱量。 輻射換熱對(duì)氣體是透過(guò)的， 因此意味著硅棒將熱量輻射給了爐筒。在本實(shí)驗(yàn)中，熱輻射功率損失約占總功率的30%～40%。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)固定壁面發(fā)射率和壁面溫度的情況下，各方案熱輻射損失的差異可能主要是由硅棒表面溫度的差異帶來(lái)的。 表面溫度越高，輻射熱越大，因?yàn)楣璋舯砻鏈囟葘?duì)輻射熱比對(duì)氣體換熱的影響要大很多[10]。

熱對(duì)流是通過(guò)氣體對(duì)流， 把硅棒的熱量帶給爐筒所損失的能量。在本實(shí)驗(yàn)中，熱對(duì)流功率損失約占總功率的40%～50%。如果想降低熱對(duì)流，需要考慮氣體流動(dòng)，使氣體在硅棒和爐壁之間少交換熱量。但實(shí)際上很難，因?yàn)闇p小熱對(duì)流意味著減小物料運(yùn)輸和交換。有研究認(rèn)為，物料運(yùn)輸和交換對(duì)沉積過(guò)程的換熱量影響較大，其進(jìn)料曲線影響沉積過(guò)程的能耗[10]。

氣體加熱功率是用來(lái)加熱氣體的功率。 把噴嘴提供的溫度低的新鮮氣體加熱成為溫度高的出口尾氣。 此值占總功率的10%～20%。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模擬計(jì)算表明， 方案4 和方案6 是較好的噴嘴分布方式。方案6 進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證表明：該方案下出爐硅棒整體表面較均勻，沒(méi)有明顯的偏心，表明氣場(chǎng)是比較均勻的。 菜花主要分布在中環(huán)硅棒的中部，也與模擬結(jié)果相當(dāng)吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果， 推斷還原反應(yīng)器優(yōu)化改進(jìn)的方向包括：優(yōu)化氣場(chǎng)、溫場(chǎng)和噴嘴分布。

（1）氣場(chǎng)應(yīng)均勻：進(jìn)氣不應(yīng)偏流，以防形成明顯的大渦流和滯留，或顯著不對(duì)稱的流動(dòng)。

（2）溫場(chǎng)應(yīng)均勻：水平截面上的溫場(chǎng)分布應(yīng)盡可能均勻。 要減少高溫區(qū)域。

（3）最大/最小硅棒表面溫度差<200K。

（4）噴嘴應(yīng)分組布置，不應(yīng)聚在一起，以防止偏流。 噴嘴組應(yīng)盡可能均勻分布，以防沒(méi)有噴嘴的區(qū)域過(guò)熱。

（5）噴嘴數(shù)量不宜過(guò)多，以保證適當(dāng)?shù)臍馑倌艿竭_(dá)硅棒上部。