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        多晶硅還原爐系統(tǒng)余熱回收利用

        2019-11-26 07:34:32吳燕平
        山東化工 2019年21期
        關(guān)鍵詞:還原爐多晶硅閃蒸

        吳燕平

        (中國石化集團南京工程有限公司,江蘇 南京 210000)

        近年來隨著多晶硅價格的不斷下滑,多晶硅行業(yè)的競爭不斷加劇,導(dǎo)致不少高能耗的企業(yè)紛紛停產(chǎn)甚至倒閉。多晶硅生產(chǎn)工藝的改進,使得產(chǎn)品質(zhì)量已趨于穩(wěn)定,所以目前多晶硅產(chǎn)業(yè)的競爭之根本就是降低能耗節(jié)省生產(chǎn)成本,多晶硅還原爐系統(tǒng)電耗差不多占總電耗的50%,其主要能耗就是在還原爐硅芯兩端通高壓電,使硅芯由半導(dǎo)體變?yōu)閷?dǎo)體,通過電流使硅芯發(fā)熱,最終硅芯表面溫度達到1000多℃。在1000多℃的條件下原料氣在硅芯上發(fā)生氣相化學(xué)沉積反應(yīng),生成多晶硅。多晶硅行業(yè)已把降低多晶硅還原爐系統(tǒng)的能耗作為降低多晶硅生產(chǎn)能耗的主要方向,同時對還原爐輻射的余熱進行回收利用,以降低能耗來降低多晶硅的生產(chǎn)成本以提高其競爭能力有重要作用。節(jié)能降耗,余熱的回收利用也符合國家提出節(jié)能環(huán)保要求。

        1 原有還原爐冷卻水系統(tǒng)流程簡介

        從熱水罐出來的熱水用熱水輸送泵輸出,送至還原爐夾套進水口,冷卻水在還原爐內(nèi)從下往上吸收爐筒內(nèi)的輻射熱,高溫度熱水送至空冷器進行冷卻,冷卻后的熱水送至熱水罐,進行循環(huán)利用從底盤水罐出來的熱水用底盤水輸送泵輸出,送至還原爐底盤內(nèi),吸收底盤輻射的熱量,水溫升高,然后送到板換用循環(huán)冷卻水進行冷卻。

        還原爐出來的還原尾氣通過尾氣冷卻器,用循環(huán)冷卻將尾氣冷卻至200℃左右,送到尾氣回收單元。

        目前工藝存在的問題是:硅棒的表面溫度一千多度,而設(shè)備內(nèi)壁的溫度一般控制在三百多度,輻射熱量很大,以前采用小型還原爐時夾套水進口的溫度控制在100℃,出口溫度控制在120℃,被熱水帶走的這部分熱量,都沒有回收利用,通過空冷器、板換等進行冷卻增加了設(shè)備投資,公用工程用量較大,同時增加了公用工程的投資。

        通過對工藝參數(shù)和工藝流程的改進,提高熱水夾套水溫度至145~165℃,提高底盤水溫度至95~115℃,利用閃蒸原理來降低熱水問題同時產(chǎn)生0.3 MPa(g)低壓蒸汽,解決了目前存在的一些問題。

        2 改進后還原爐冷卻水系統(tǒng)流程簡介

        從閃蒸罐出來的145℃熱水經(jīng)熱水輸送泵輸出,分為兩路,一路去還原爐尾氣換熱器對還原尾氣進行冷卻,尾氣溫度由600℃降至200℃,熱水的溫度升高到164℃;另一路送至還原爐夾套進水口,冷卻水在還原爐內(nèi)從下往上吸收爐筒內(nèi)的輻射熱,溫度升高至164℃,最后這兩路水合并到一起送至閃蒸罐進行閃蒸,產(chǎn)生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽送至低壓管網(wǎng)。送至各裝置使用,然后將各裝置的低壓蒸汽冷凝液回收送至閃蒸罐循環(huán)使用。

        來自界區(qū)外的脫鹽水送進底盤水儲罐,開車時將采取一定的措施將脫鹽水加熱,然后通過底盤水輸送泵把95℃的水送至還原爐底盤內(nèi),吸收輻射的熱量,水溫升至115℃,然后送到溴化鋰機組進行余熱回收,產(chǎn)生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽,并送進低壓蒸汽管網(wǎng)。其流程見圖1還原爐冷卻水簡單流程。

        圖1 還原爐冷卻水簡單流程

        2.1 爐筒夾套水熱量的回收

        爐筒夾套內(nèi)冷卻水出口壓力提高到0.7 MPa(g),進水溫度提高到145℃,0.7 MPa(g)壓力下水的飽和蒸汽溫度約為164℃,從安全生產(chǎn)角度爐筒夾套內(nèi)冷卻水必須保持液相而不能汽化,爐筒內(nèi)夾套水出口溫度控制在164℃以下。

        以年產(chǎn)6000 t多晶硅為例,年生產(chǎn)時間按8000 h設(shè)計,電耗按50 kWh/kgSi計算,單臺還原爐產(chǎn)量為9 t/a,單爐生產(chǎn)周期130 h,單位時間內(nèi)在線爐子約為11臺,夾套水進口壓力為0.8 MPa(g),出口壓力為0.7 MPa(g),進水溫度145℃,單臺還原爐爐筒夾套水循環(huán)量為120 t/h;底盤夾套水進口溫度為0.4 MPa(g),出口壓力為0.3 MPa(g),進水溫度95℃,單臺還原爐底盤冷卻水循環(huán)量為60 t/h。多晶硅還原生產(chǎn)是間歇分批生產(chǎn)的,所以折合成平均單位時間使用ASPEN進行模擬,年產(chǎn)6000 t多晶硅,單位時間內(nèi)生產(chǎn)多晶硅6000000/8000=750 kg/h,單位時間內(nèi)爐筒夾套水的循環(huán)量約為1320 t/h。用ASPEN計算結(jié)果如下:

        圖2 還原爐夾套水閃蒸流程

        表1(續(xù))

        通過ASPEN計算,年產(chǎn)6000t多晶硅,電耗按50 kWh/kgSi計算回收還原爐產(chǎn)生熱量為可以產(chǎn)生0.3 MPa(g)低壓蒸汽39.82 t/h。

        2.2 還原尾氣熱量的回收

        還原爐尾氣出口溫度600℃左右,這部分熱量也可以加以回收利用,尾氣出口為600℃左右,需要耐高溫和腐蝕特殊材質(zhì)的管道,導(dǎo)致投資成本增加,通常在還原爐尾氣出口增加套管式換熱器,從爐筒夾套冷卻水管線上,引部分145℃熱水至還原爐尾氣套管式換熱器上,讓尾氣溫度降到200℃左右。單臺還原爐的尾氣量按為4250 kg/h計算,當(dāng)冷卻水溫度由145℃升高到164℃時,冷卻水的用量為33422 kg/h,單位時間內(nèi)11臺還原爐同時運行,所以熱水總量為33.422×11=367.642 t/h,還原爐尾氣換熱器冷卻水水量不多就不再設(shè)置閃蒸罐,加熱后的冷卻水回水與還原爐爐筒夾套回水合并一起,送至閃蒸罐進行閃蒸,從而還原爐尾氣的廢熱得以回收。

        2.3 還原爐底盤水熱量的回收

        同時帶走還原爐輻射熱的還有還原爐的底盤冷卻水,48對棒的還原爐,底盤夾套內(nèi)操作壓力為0.4 MPa(g),底盤冷卻水的進水溫度為95℃,底盤冷卻水出口溫度控制在115℃,115℃的冷卻水是不可能通過直接閃蒸產(chǎn)生0.3 MPa(g)的蒸汽的。于是利用溴化鋰熱泵機組進行熱量回收,產(chǎn)生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽,11臺還原爐底盤冷卻水回收的熱量可產(chǎn)生的蒸汽量4.95 t/h。

        溴化鋰吸收式熱泵的工作原理:以溴化鋰水溶液為工質(zhì),在蒸發(fā)器內(nèi)受到115℃底盤水的加熱,而蒸發(fā)成低壓冷劑蒸汽,然后進入吸收器被來自發(fā)生器的溴化鋰溶液吸收,吸收過程釋放出大量熱,把流過吸收器傳熱管內(nèi)的熱水加熱,然后送至閃蒸罐進行閃蒸產(chǎn)生0.3 MPa(g)低壓蒸汽,另一方面,吸收冷劑蒸汽后的稀溶液出吸收器,經(jīng)溶液熱交換器和節(jié)流閥進入發(fā)生器,被傳熱管內(nèi)115℃底盤水的加熱加熱升溫至沸騰,再產(chǎn)生冷劑蒸汽,同時溶液濃縮成濃溶液,溶液泵把濃溶液經(jīng)熱交換器輸送至吸收器,重新吸收冷劑蒸汽。發(fā)生器中產(chǎn)生的低壓冷劑蒸汽進入冷凝器,被傳熱管內(nèi)的冷卻水冷卻成液態(tài)冷劑,由冷劑泵輸送至蒸發(fā)器,再次被加熱蒸發(fā),從而完成循環(huán)。

        3 節(jié)能計算

        底盤水(如果進水按95℃,回水溫度按115℃)單臺爐子60000 kg/h,正常在線爐子數(shù)量約7臺。循環(huán)冷卻水按上水29℃,回水39℃算,底盤水需要循環(huán)水量計算:

        Q=CpM熱△T熱= CpM冷△T冷

        Cp×60000×(115-95)×7=Cp×M冷×(39-29)

        M冷=840000 kg/h

        還原尾氣由600℃冷卻到200℃,尾氣的比熱容Cp=1.48 kJ/(kg·℃), 循環(huán)水比熱容Cp=4.208 kJ/(kg·℃),單臺

        還原爐的尾氣量按為4250 kg/h計算。

        Q=CpM熱△T熱= CpM冷△T冷

        1.48×4250×(600-200)×7=4.208×M冷×(39-29)

        M冷=59791 kg/h

        通過以上計算可知,每年節(jié)約循環(huán)冷卻水量為(840000+59791)×8000=7198328 t。根據(jù)《中國石化能源及耗能工質(zhì)折標(biāo)準(zhǔn)》,1t循環(huán)水折噸標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)0.0001429 t,7198328×0.0001429=1028.64 t。

        通過對爐筒夾套水、還原尾氣、還原爐底盤水熱量的回收,可產(chǎn)生0.3 MPa(g)的蒸汽44.77 t/h,根據(jù) 《中國石化能源及耗能工質(zhì)折標(biāo)準(zhǔn)》,1 t低壓蒸汽折噸標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)0.094 t。年操作時間按8000 h計,每年可少耗煤0.094×44.77×8000=33667.04 t。

        流程改進后節(jié)省耗煤量為:1028.64+33667.04=34695.68 t,目前煤的價格按600元/t計,能節(jié)省年生產(chǎn)成本34695.68×600=2081.7408萬元,每噸多晶硅可降低生產(chǎn)成本3469.568元。

        4 結(jié)論

        通過多晶硅還原爐系統(tǒng)余熱回收閃蒸產(chǎn)生蒸汽的方法,不僅節(jié)省了設(shè)備投資,同時也降低了循環(huán)冷卻水的用量,從而降低了多晶硅生產(chǎn)的能耗。產(chǎn)生的蒸汽送至精餾單元使用,蒸汽冷凝水再從精餾單元返回至還原單元進行循環(huán)使用。該工藝安全可靠,節(jié)能效果明顯。經(jīng)理論計算,每年節(jié)省生產(chǎn)成本約為2082萬元。

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