黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司 楊紫琪 張 博

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多晶硅生產(chǎn)中常用換熱器簡(jiǎn)介及其腐蝕與防護(hù)

黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司 楊紫琪 張 博

【摘要】本文簡(jiǎn)單介紹了多晶硅用換熱器的分類(lèi)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(nèi)相關(guān)換熱器的防腐措施。

【關(guān)鍵詞】多晶硅；換熱器；泄露

改良西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)工藝是目前多晶硅生產(chǎn)企業(yè)最常用的生產(chǎn)工藝方法，因其形成了閉環(huán)生產(chǎn)而受到行業(yè)的歡迎，其反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)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(chǎn)流程為圖1所示，其中STC（sicl4）、TCS（sicl3）是其主要多晶硅項(xiàng)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(chǎn)成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，所以大量的換熱器被廣泛地應(yīng)用在多晶硅領(lǐng)域，以青海某家年產(chǎn)2500噸的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)為例，總計(jì)有換熱器共計(jì)256臺(tái)，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(chǎn)的高效正常運(yùn)行。

圖1　多晶硅生產(chǎn)總工藝流程簡(jiǎn)圖

換熱器是多晶硅生產(chǎn)中重要的化工設(shè)備之一，換熱器的類(lèi)型很多、特點(diǎn)也不一樣，可以根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)項(xiàng)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(yù)熱器、過(guò)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(méi)有發(fā)生相的變化。

預(yù)熱器：預(yù)熱器先加熱流體，使流體達(dá)到要求的溫度，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。

過(guò)熱器：用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過(guò)熱狀態(tài)。

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

據(jù)此家多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的相關(guān)資料顯示，目前導(dǎo)致?lián)Q熱器損壞的90%的原因是因?yàn)樾孤?，泄露一旦發(fā)生，整個(gè)生產(chǎn)就要被迫停止，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)，導(dǎo)致多晶硅產(chǎn)量下降。發(fā)生泄露的主要原因是多晶硅生產(chǎn)中換熱器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢等問(wèn)題，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器的泄露。

氯硅烷作為整個(gè)多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中的主要介質(zhì)，換熱器一旦出現(xiàn)小的泄漏點(diǎn)，氯硅烷就會(huì)與水發(fā)生激烈的反應(yīng)，反應(yīng)生成產(chǎn)物二氧化硅、腐蝕。產(chǎn)物二氧化硅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效，且鹽酸會(huì)對(duì)設(shè)備材料進(jìn)行腐蝕，加速了漏點(diǎn)的擴(kuò)大。

不僅如此，氯硅烷對(duì)人體眼睛和呼吸道粘膜有強(qiáng)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(xiǎn)。其次氯硅烷會(huì)與水進(jìn)行激烈的反應(yīng)，生成聚合水解物和氯化氫，其反應(yīng)生產(chǎn)的水解物二氧化硅等會(huì)堵塞設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備失效，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)導(dǎo)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(jīng)常泄露不僅對(duì)連續(xù)生產(chǎn)造成影響，而且隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，泄露后經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)生的分解物進(jìn)入系統(tǒng)，影響多晶硅的產(chǎn)品質(zhì)量。一臺(tái)換熱器的泄露不僅對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失而且還存在著嚴(yán)重的安全隱患。所以解決多晶硅用換熱器的泄漏問(wèn)題是目前多晶硅生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問(wèn)題之一。

據(jù)相關(guān)資料顯示，目前導(dǎo)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(gè)化工產(chǎn)業(yè)面對(duì)的難題，但是因?yàn)槎嗑Ч枭a(chǎn)介質(zhì)的特殊性，換熱器泄露問(wèn)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(wèn)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(wèn)題是企業(yè)所面臨的最亟待解決的問(wèn)題，通過(guò)同行業(yè)專家的技術(shù)交流及累積的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，目前針對(duì)換熱器的防漏措施企業(yè)們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(yáng)極（過(guò)程）抑制劑，當(dāng)它與合適的陰極抑制劑組合時(shí)，能得到令人滿意又經(jīng)濟(jì)的防腐效果，常見(jiàn)的陰極抑制劑有聚磷酸鹽、磷酸鈉、誰(shuí)接的聚丙烯酰胺等。研究表明，此方法對(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)緩蝕劑的研究相對(duì)較少，緩蝕劑種類(lèi)單一，并不能完全解決較多類(lèi)別的腐蝕現(xiàn)象，技術(shù)人員有待進(jìn)一步研發(fā)出更多類(lèi)型更加高效的緩蝕劑應(yīng)對(duì)企業(yè)的換熱器腐蝕問(wèn)題。

（2）對(duì)換熱器料進(jìn)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(jié)垢現(xiàn)象，另外一種更為經(jīng)濟(jì)可行的方法是在金屬表面，通過(guò)一定的涂覆方法，覆蓋一層耐腐蝕的涂料保護(hù)層，以避免金屬表面與腐蝕介質(zhì)的直接接觸。但是因?yàn)槎嗑Ч杵髽I(yè)對(duì)質(zhì)量的要求較高，特別是電子級(jí)多晶硅的生產(chǎn)，對(duì)任何元素的進(jìn)入都特別慎重，何種材料最為防腐而且不影響的產(chǎn)品質(zhì)量，是目前行業(yè)內(nèi)的相關(guān)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(diǎn)在于避免了循環(huán)水的腐蝕，而氯硅烷等對(duì)設(shè)備本身無(wú)腐蝕，總體來(lái)說(shuō)，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(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前普通水冷換熱器的價(jià)格，投資太大，加上近年來(lái)多晶硅價(jià)格的不景氣，越來(lái)越多企業(yè)不愿意再追加投資進(jìn)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(guó)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(huì)改變換熱器的結(jié)構(gòu)以減少腐蝕泄露的發(fā)生，同時(shí)設(shè)備管理部門(mén)也要加強(qiáng)設(shè)備的日常管理，定期進(jìn)行設(shè)備的檢修，工藝產(chǎn)線上也需要強(qiáng)化操作人員的操作技能等以減少對(duì)換熱器的不必要的人為損害，比如升溫降溫的操作過(guò)程盡可能的平穩(wěn)進(jìn)行等。

結(jié)論

換熱器的防腐蝕工作防泄漏是一個(gè)任重而道遠(yuǎn)的過(guò)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(wèn)題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以我們必須加強(qiáng)設(shè)備管理，采取綜合措施，且針對(duì)性治理，才能最大限度的延長(zhǎng)換熱器的使用壽命，取得良好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

《多晶硅生產(chǎn)工藝專用換熱器的研制》項(xiàng)目基金資助，項(xiàng)目編號(hào)：2016-014-HHS-KJ-X。