尹玉晶，周萬(wàn)禮

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

多晶硅還原爐冷卻水再利用技術(shù)

尹玉晶，周萬(wàn)禮

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

提出一種將多晶硅還原爐高溫冷卻水用于溴化鋰機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱源的余熱回收利用方案，能夠有效的將冷卻水余熱進(jìn)行利用，可適當(dāng)降低多晶硅生產(chǎn)成本。

高溫冷卻水；溴化鋰機(jī)組；多晶硅還原爐

在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，主體設(shè)備還原爐反應(yīng)溫度高于1000℃，這些熱能要通過(guò)空冷器、循環(huán)水等來(lái)進(jìn)行冷卻。同時(shí)，在制冷、換熱等環(huán)節(jié)又要消耗大量的蒸汽，造成能耗的增加。將多晶硅還原爐高溫冷卻水用于溴化鋰機(jī)組制冷［1］，進(jìn)行操作優(yōu)化和有效管理，不失為一種能源互補(bǔ)利用、降低多晶硅生產(chǎn)能耗的有效方法。

1 系統(tǒng)介紹

1．1 還原爐高溫冷卻水

還原爐是多晶硅生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)溫度要控制在1050～1100℃之間，需要通過(guò)高溫冷卻水對(duì)爐筒及基盤(pán)進(jìn)行降溫。還原爐的大小、規(guī)格、材料各異，所使用高溫冷卻水的溫度也有所不同。目前，溫度較高的還原爐冷卻水（進(jìn)水溫度130℃，回水溫度150℃）多采用閃蒸制備低壓蒸汽，溫度較低的還原爐冷卻水（進(jìn)水溫度80℃，回水溫度90℃）則多采用直接冷卻達(dá)到進(jìn)水溫度［2］。還原爐循環(huán)冷卻水的溫度需要嚴(yán)格控制，其進(jìn)水溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 溴化鋰機(jī)組制冷系統(tǒng)

在多晶硅生產(chǎn)中，冷凍水廣泛應(yīng)用于硅芯制備工序、各種通風(fēng)系統(tǒng)冷源及取樣柜等，因此，溴化鋰機(jī)組也是多晶硅生產(chǎn)中的主要設(shè)備。溴化鋰機(jī)組發(fā)生器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)熱源通常采用蒸汽或者高溫水，在發(fā)生熱交換之后需要不斷消耗蒸汽或者給損失能量的高溫水進(jìn)行熱量補(bǔ)充，因此，需要耗費(fèi)大量的熱能。經(jīng)過(guò)改良的溴化鋰熱水二段機(jī)組，熱源驅(qū)動(dòng)可直接采用高溫水，能夠有效回收利用低溫余熱［3］。因此，可以將還原爐高溫水作為溴化鋰機(jī)組發(fā)生器的熱源。

2 還原爐高溫冷卻水余熱利用方法

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)還原爐冷卻水工藝參數(shù)及溴化鋰機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱源工藝參數(shù)要求進(jìn)行熱能互補(bǔ)回收利用設(shè)計(jì)。為避免兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中由于工藝參數(shù)波動(dòng)造成運(yùn)行不穩(wěn)定等事故發(fā)生，在設(shè)計(jì)中，一方面保證還原爐高溫冷卻水循環(huán)系統(tǒng)與溴化鋰機(jī)組熱水循環(huán)系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行、互不干擾，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)的快速切換。另一方面，在還原爐冷卻水溫度過(guò)低時(shí)，可以利用溴化鋰機(jī)組進(jìn)行加熱，從而保證還原爐冷卻水的供水溫度。

2.2 工藝流程

還原爐高溫冷卻水余熱利用工藝流程見(jiàn)圖1。

從還原爐高溫冷卻水出口接一根管道至溴化鋰機(jī)組的熱水槽，在進(jìn)口安裝有調(diào)節(jié)閥，與熱水槽液位計(jì)設(shè)計(jì)為連鎖控制，同時(shí)從溴化鋰機(jī)組出口接一根返回的管道至空冷器之后，使還原爐高溫冷卻水與溴化鋰機(jī)組形成閉路循環(huán)回路，如圖1中虛線所示。

圖1 還原爐高溫冷卻水余熱利用工藝流程Figure 1 Reduction furnace high tem perature cooling water waste heat recovery process

運(yùn)行中，當(dāng)從還原爐高溫水至溴化鋰機(jī)組的冷卻水溫度偏低，可自動(dòng)切換通過(guò)蒸汽進(jìn)行補(bǔ)充加熱；如果還原爐高溫水溫度過(guò)低，不能滿足溴化鋰機(jī)組的高溫水熱源，可截?cái)啻?lián)，采用蒸汽進(jìn)行直接加熱。同時(shí)在還原爐首次開(kāi)爐過(guò)程中，由于還原爐高溫冷卻水溫度過(guò)低，可通過(guò)換熱器利用蒸汽進(jìn)行加熱，以保證還原爐高溫水的進(jìn)水溫度。

2.3 節(jié)能計(jì)算

溴化鋰機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行時(shí)消耗的能量計(jì)量［4］：其中Q為溴化鋰機(jī)組所消耗的能量，kJ／h；m熱水為高溫水質(zhì)量，kg；cp為高溫水的比熱容，kJ／（kg ·℃）；Δt為高溫水的溫度差，℃；V水為高溫水的流量，m3／h；ρ水為高溫水的密度，kg／m3。

根據(jù)溴化鋰機(jī)組生產(chǎn)應(yīng)用情況，單臺(tái)流量為：V水＝450m3／h。按照設(shè)計(jì)溫差Δt＝10℃，取高溫水密度ρ水＝971.8 kg／m3、高溫水的比熱容cp＝4. 195 kJ／（kg·℃），則2臺(tái)溴化鋰機(jī)組需要補(bǔ)充的能量為：2×450×971.8×4.195×10＝36690310 kJ／h。

如果采用0.4 MPa的飽和蒸汽進(jìn)行加熱，取飽和蒸汽的凝固熱Hkg＝2133.8 kJ／kg［5］。

計(jì)算得出所需蒸汽用量為：36690310／2133.8＝17195 kg／h。

如果采用還原爐冷卻水（進(jìn)水溫度80℃，回水溫度90℃）作為發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)可知，保持4臺(tái)還原爐正常運(yùn)行其冷卻水的出水溫度就能達(dá)到90℃，其冷卻水流量達(dá)到1150 m3／h。按照設(shè)計(jì)溫差Δt＝10℃，取冷卻水密度ρ水＝965.3 kg／m3、冷卻水的比熱容cp＝4.208 kJ／（kg·℃），則還原爐冷卻水產(chǎn)生的熱能為：1150× 965.3×4.208×10＝46712798 kJ／h。

通過(guò)以上計(jì)算可知，4臺(tái)還原爐冷卻水提供的余熱大于溴化鋰機(jī)組2臺(tái)在線時(shí)消耗的全部熱能，完全能夠保持2臺(tái)溴化鋰機(jī)組的熱水供應(yīng)，因而可以將用于2臺(tái)溴化鋰加熱的蒸汽全部節(jié)約下來(lái)。

2.4 節(jié)能效果

還原爐在正常生產(chǎn)過(guò)程中，在線爐子均大于4臺(tái)，其提供的余熱完全能夠滿足溴化鋰機(jī)組正常運(yùn)行的熱能驅(qū)動(dòng)需求。還原爐高溫水在獨(dú)立循環(huán)過(guò)程中，主要通過(guò)空冷器進(jìn)行冷卻，空冷器電機(jī)功率為37 kW，如果將還原爐高溫水進(jìn)行利用，可節(jié)約空冷器電能消耗。蒸汽在實(shí)際生產(chǎn)中價(jià)格為160元／t，全年按照330天在線時(shí)間計(jì)算，每年在蒸汽上可節(jié)約的金額為17195×24×330×160／1000＝2179萬(wàn)元。

電價(jià)按照0.5元計(jì)算，用電可節(jié)約的金額為37×24×330×0.5＝14.6萬(wàn)元。

綜合節(jié)約成本約2193.6萬(wàn)元。

3 工藝操作方法

3.1 利用溴化鋰機(jī)組反向加熱

還原爐開(kāi)車主要通過(guò)外置加熱器進(jìn)行加熱擊穿，由于冷卻還原爐的高溫水溫度較低，容易導(dǎo)致還原爐啟動(dòng)困難。此時(shí)，利用溴化鋰機(jī)組熱水系統(tǒng)的蒸汽進(jìn)行反方向加熱，能快速將還原爐高溫水溫度加熱到設(shè)計(jì)要求，有效減少了還原爐開(kāi)車時(shí)間。當(dāng)還原爐高溫水溫度逐漸增加，能夠滿足冷凍水高溫加熱用水需要時(shí)，蒸汽流量慢慢減少，回到正方向加熱。

3.2 還原爐高溫冷卻水進(jìn)行溴化鋰機(jī)組加熱

當(dāng)還原爐高溫冷卻水溫度接近90℃時(shí)，即可啟動(dòng)兩個(gè)系統(tǒng)之間的連接閥門，進(jìn)行還原爐高溫水對(duì)溴化鋰機(jī)組加熱。溴化鋰機(jī)組高溫水罐設(shè)計(jì)有液位計(jì)，并設(shè)有連鎖控制，當(dāng)系統(tǒng)串聯(lián)調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定后，高溫水槽液位與串聯(lián)調(diào)節(jié)閥設(shè)為連鎖，此時(shí)即可穩(wěn)定操作。當(dāng)溴化鋰機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱源不足時(shí)，增加蒸汽流量進(jìn)行輔助加熱，當(dāng)還原爐高溫冷卻水溫度過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)空冷器進(jìn)行輔助冷卻。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證了兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)既能有效串聯(lián)運(yùn)行，又能隨時(shí)截?cái)噙M(jìn)行獨(dú)立操作。

4 結(jié)論

提出了一種將多晶硅還原爐高溫水用于溴化鋰機(jī)組作為加熱熱源的方法，工藝具有可操作性，節(jié)能耗效果顯著。經(jīng)理論計(jì)算，該工藝技術(shù)用于多晶硅生產(chǎn)，每年可節(jié)約成本約2193.6萬(wàn)元。在目前多晶硅價(jià)格回歸理性的情況下，加強(qiáng)生產(chǎn)管理和操作優(yōu)化，將還原爐冷卻水余熱與溴化鋰機(jī)組互補(bǔ)回收利用，是當(dāng)前形勢(shì)下多晶硅生產(chǎn)節(jié)能減排，降低成本的有效途徑之一。

［1］ 董黎民，雷欽祥，劉成玲.多晶硅氫化爐及還原爐的研發(fā)［J］.節(jié)能與環(huán)保，2009（9）：35-36.

［2］ 四季春，梁利鍇.多晶硅生產(chǎn)的節(jié)能降耗［J］.現(xiàn)代化工，2010（9）：5-9.

［3］ 田青，張寧寧，顏世雷，等.溴化鋰機(jī)組低溫余熱制冷技術(shù)［J］.石油和化工節(jié)能，2009（1）：17-19.

［4］ 夏清，陳長(zhǎng)貴.化工原理：上冊(cè)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2006.

［5］ 陳中秀，顧飛燕，胡望明.化工熱力學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.

Research on the Recycle Technology of Cooling Water from Polysilicon Reactor

YIN Yu-jing，ZHOUWan-li

（Kunming Metallurgy Research New－Material Co.，Ltd.Qujing655011，China）

A high－temperature polysilicon reduction furnace cooling water heat source for lithium bromide units driven heat recovery solution that can effectively use the waste heat to the cooling watermay be appropriate to reduce the cost of polysilicon production.

high－temperature cooling water；lithium brom ide units；polysilicon reduction furnace

TQ127.2

：A

： 1004-275X（2014）01-0053-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.015

收稿：2013-05-27

尹玉晶（1986-），女，云南騰沖人，主要從事多晶硅生產(chǎn)方面公輔系統(tǒng)的研究。