段 超，王會(huì)林，裴 蕾，孫 強(qiáng)，2，張曉偉，張 征，楊 棟

(1.洛陽(yáng)中硅高科技有限公司,河南 洛陽(yáng) 417023;2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

多晶硅生產(chǎn)工藝目前主流工藝為改良西門子法,隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化升級(jí),其工藝環(huán)節(jié)的優(yōu)化節(jié)能,也變得更為復(fù)雜。多晶硅生產(chǎn)過(guò)程主要包括原料三氯氫硅的制備與提純、三氯氫硅氫還原以及還原尾氣的干法回收等。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,主要的提純系統(tǒng)及還原尾氣系統(tǒng)需要利用冷卻循環(huán)水系統(tǒng)對(duì)物料進(jìn)行降溫,以滿足生產(chǎn)要求的參數(shù)指標(biāo)。多晶硅生產(chǎn)過(guò)程的配套循環(huán)水系統(tǒng)一般分為開式循環(huán)水系統(tǒng)和閉式循環(huán)水系統(tǒng),其主要的工藝流程及水質(zhì)控制措施存在一定的差異。

1 開式循環(huán)水系統(tǒng)

1.1 工藝流程

開式循環(huán)水系統(tǒng)主要用在原料轉(zhuǎn)化以及提純、還原尾氣冷卻以及高溫泵的冷卻等對(duì)水質(zhì)要求不高的生產(chǎn)工序,補(bǔ)水來(lái)源一般為工業(yè)軟化水,也可直接使用河水、電廠中水等。多晶硅配套的開式循環(huán)水系統(tǒng)與其他工業(yè)行業(yè)的原理基本一致,其主要工藝部件包括循環(huán)水池、循環(huán)水泵、管路、用水設(shè)備、冷卻塔及旁濾系統(tǒng)等,其設(shè)備連接件圖見圖1。

圖1 開式循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備連接簡(jiǎn)圖

用離心清水泵抽取循環(huán)水池中的循環(huán)水,增壓后送入全廠地下循環(huán)水主管網(wǎng),至原料、提純、還原等車間,各車間的回水至廠區(qū)地下回水管網(wǎng)后直接送入位于循環(huán)水池上部的冷卻塔進(jìn)行冷卻,冷卻塔一般為機(jī)械能風(fēng)機(jī),如回水壓力滿足配置水能風(fēng)機(jī)工藝條件的,應(yīng)盡可能配置水能風(fēng)機(jī),以節(jié)約能耗;冷卻塔采用填料式冷卻塔,使回水經(jīng)噴頭至冷卻塔內(nèi)依托填料均勻分布,增大與空氣的換熱面積,以達(dá)到較好的冷卻效果。整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)必須配置旁濾系統(tǒng),對(duì)循環(huán)水循環(huán)過(guò)程進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的灰塵等固體雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾,保證循環(huán)水濁度達(dá)標(biāo)。另外循環(huán)水系統(tǒng)回水總管應(yīng)配置pH 在線監(jiān)測(cè)裝置,以便在工藝換熱器發(fā)生氯硅烷泄漏進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)時(shí),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相關(guān)措施,如條件允許可在各主要車間回水管道設(shè)pH監(jiān)測(cè),以便泄漏時(shí)更加精確判斷泄漏車間。

1.2 水質(zhì)的控制

循環(huán)冷卻水在運(yùn)行過(guò)程中,補(bǔ)充水不斷進(jìn)入冷卻水系統(tǒng),補(bǔ)充水中的一部分水蒸發(fā)進(jìn)入大氣,另一部分則留在冷卻水中被濃縮,并發(fā)生一系列的變化,如CO2含量降低、堿度增加、pH 值升高、濁度增加、溶解氧濃度增大、物料泄露物進(jìn)入、微生物滋生等。實(shí)踐表明,用水設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和微生物生長(zhǎng)與冷卻水的水質(zhì)有著密切的關(guān)系,同時(shí)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)使用的水質(zhì)穩(wěn)定劑是否能發(fā)揮其最佳作用與冷卻水的水質(zhì)也有著十分密切的關(guān)系。因此,在日常運(yùn)行中需要對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,其控制指標(biāo)見表1[1]。

表1 水質(zhì)控制指標(biāo)及分析頻率

在日常水質(zhì)控制過(guò)程中為了緩解管路及用水設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕,以及系統(tǒng)中藻類的滋生,需要對(duì)循環(huán)水日常運(yùn)行水質(zhì)進(jìn)行跟蹤,進(jìn)行全面分析,并選擇適合的水處理藥劑進(jìn)行投加,傳統(tǒng)水處理行業(yè)需要投加緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑[2-3]。目前磷系配方緩蝕阻垢劑被廣泛使用,磷系藥劑投加后,待循環(huán)水排污時(shí)會(huì)對(duì)外部水體造成一定的污染,目前我國(guó)大部分被污染水體均存在富氧化的問(wèn)題,因此在循環(huán)水選擇藥劑時(shí)要將成本與環(huán)保綜合考慮。

2 閉式循環(huán)水系統(tǒng)

2.1 工藝流程

多晶硅配套的閉式循環(huán)水系統(tǒng)就是冷卻水在一個(gè)密閉的系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)行,其吸收的工藝熱量通過(guò)一密閉式的冷卻塔將熱量釋放至大氣中,內(nèi)部循環(huán)水基本不與空氣接觸、不受陽(yáng)光照射、密閉循環(huán)時(shí)補(bǔ)充水量極少,常采用除鹽水或者電阻率為5 的純水作為內(nèi)部循環(huán)介質(zhì)。在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中閉式循環(huán)水的冷卻工藝對(duì)象主要為還原爐的電極等高溫部件,還原爐電極是重要的導(dǎo)電部件,從爐底盤進(jìn)入爐內(nèi),其電極四周靠四氟套進(jìn)行絕緣及密封,因此電極的有效冷卻是還原爐正常運(yùn)行的保障。還原爐正常運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)溫度最高達(dá)到1 100 ℃以上,與開式循環(huán)水系統(tǒng)相比,閉式循環(huán)水系統(tǒng)組成更加復(fù)雜,除了保證正常運(yùn)行時(shí)的冷卻效果外,還要考慮循環(huán)水系統(tǒng)突然斷流(如水泵跳停等),還原爐急停后電極部件的應(yīng)急冷卻降溫等。閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)主要部件包括:循環(huán)水泵、閉式冷卻塔、高位安保水箱、用水設(shè)備、應(yīng)急低位水箱、應(yīng)急補(bǔ)水泵、應(yīng)急連鎖自動(dòng)開關(guān)閥、自動(dòng)補(bǔ)水線,其設(shè)備連接簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 閉式循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖

系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的工藝路線為循環(huán)水泵出口→閉式冷卻塔→高位安保水箱→用水設(shè)備→循環(huán)水泵進(jìn)口。設(shè)在高處的系統(tǒng)高位水箱保持高液位運(yùn)行(補(bǔ)水線設(shè)定與高液位連鎖,根據(jù)水損失量自動(dòng)補(bǔ)水);低位水箱保持低液位運(yùn)行,在循環(huán)水泵的進(jìn)口(回水總管)處設(shè)置不少于兩個(gè)應(yīng)急放水閥,接至低位水箱,其大小取決于高位水箱的容積及設(shè)備所需的應(yīng)急延時(shí)時(shí)間,應(yīng)急放水閥在正常運(yùn)行時(shí)要與水泵的運(yùn)行狀態(tài)、回水的壓力進(jìn)行連鎖。當(dāng)閉式循環(huán)泵出現(xiàn)故障跳停,系統(tǒng)斷流時(shí),設(shè)定的水泵狀態(tài)或回水壓力升高,連鎖被觸發(fā),連鎖兩應(yīng)急開關(guān)閥自動(dòng)打開對(duì)空,高位安保水箱所存的大量水會(huì)在重力的作用下經(jīng)用水設(shè)備自流進(jìn)入低位水箱,可保證在水泵跳停的狀況下用水設(shè)備內(nèi)還有循環(huán)水流動(dòng),帶走高溫設(shè)備熱量,從而達(dá)到降溫目的。在此期間,供水車間有足夠時(shí)間開啟備用泵,向高位水箱繼續(xù)進(jìn)水,備用泵開啟后,將應(yīng)急開關(guān)閥關(guān)閉;如果無(wú)備用泵或備用泵無(wú)法開啟,此時(shí)在應(yīng)急開關(guān)閥打開后將高溫設(shè)備停止運(yùn)行,靠重力自流的水,足以將設(shè)備高溫余熱帶走,保證設(shè)備安全停運(yùn)。待系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后,單獨(dú)設(shè)置的補(bǔ)水泵將應(yīng)急狀態(tài)時(shí)流入低位水箱的水,重新打入閉式循環(huán)泵的進(jìn)口。

2.2 水質(zhì)控制

該閉式循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)介質(zhì)以及補(bǔ)水的電阻率至少達(dá)到5,為EDI 制水系統(tǒng)產(chǎn)水。因其整個(gè)系統(tǒng)為密閉系統(tǒng),因此相對(duì)于開式系統(tǒng)來(lái)講其水質(zhì)控制較為容易,其日常監(jiān)控指標(biāo)為:pH 值7～9,電導(dǎo)率≤8 μS/cm,硬度(以碳酸鈣計(jì))≤2 mg/L。閉式循環(huán)水系統(tǒng)雖然為閉式系統(tǒng),但隨著水在系統(tǒng)中不斷的循環(huán),水質(zhì)也會(huì)逐漸地變差,因此需要定期對(duì)水樣進(jìn)行檢測(cè),一般每周不少于2 次,如發(fā)現(xiàn)水質(zhì)超過(guò)控制指標(biāo),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行置換。特別是有新系統(tǒng)或新管道投運(yùn)時(shí),要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行特別關(guān)注。此外,為提高冷卻效率,通常使用噴淋泵將閉式冷卻塔底部軟水加壓,通過(guò)布水器均布,再采用冷卻塔頂部風(fēng)機(jī)加速蒸發(fā),因?yàn)閲娏芩锈}鎂離子易濃縮,易在布水器及冷卻器盤管上結(jié)垢,因此需要定期清理,保證傳熱效果。

3 水質(zhì)控制新技術(shù)

3.1 無(wú)磷配方除垢劑

隨著水處理藥劑行業(yè)的不斷發(fā)展,近些年無(wú)磷藥劑的配方也得到了一定的發(fā)展,出現(xiàn)了一些新的產(chǎn)品。雖然無(wú)磷配方較有磷配方使用成本較高,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)及環(huán)保角度考慮,應(yīng)優(yōu)先使用無(wú)磷配方。另外,為保證藥劑投加量的準(zhǔn)確性及連續(xù)性,還有作業(yè)人員的安全,水質(zhì)處理藥劑的投加應(yīng)當(dāng)盡可能的使用自動(dòng)投加設(shè)備投加,盡量避免人工粗放投加。

3.2 電子除垢儀

在噴淋泵出水管道上安裝電子除垢儀,通過(guò)線圈電流產(chǎn)生感應(yīng)式的交替磁場(chǎng),使水中的鈣鎂離子處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),難以沉積在管壁上從而有效阻止水垢形成[4]。此外,在高頻電磁能量的作用下,水的狀態(tài)發(fā)生改變,由飽和態(tài)變成高溶解狀態(tài),已有的水垢還可以溶于該狀態(tài)的水中從而達(dá)到除去老垢的目的。

3.3 新型防垢防腐蝕合金材料

新型防垢防腐蝕合金材料通過(guò)不同組分的適當(dāng)配比,使金屬材料具備特殊的防腐防垢性能。當(dāng)循環(huán)水流經(jīng)過(guò)該合金制備的設(shè)備時(shí),該合金作為電化學(xué)催化體,使水溶液發(fā)生電化學(xué)催化作用,從而改變水的靜電位,水分子被極化而處于能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)[5]。水中的結(jié)垢物質(zhì)CaCO3、Ca(HCO3)2、Mg-CO3等高硬度物質(zhì),在極化水中具有更大的溶解度,因此以顆粒物質(zhì)存在于水中。極化水環(huán)境改變了鈣鎂離子的水解度和半徑,使碳酸鈣傾向于在水中成膜而不是形成堅(jiān)固穩(wěn)定的水垢,粘附于器壁的固相顆粒膜可隨水排出,防止結(jié)垢;此外,老水垢浸泡在這種極化水中,可以逐漸溶解從而達(dá)到除垢的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了多晶硅企業(yè)配套循環(huán)水冷卻系統(tǒng)及其水質(zhì)控制工藝,并對(duì)幾種水質(zhì)控制的新措施進(jìn)行了介紹,這些新措施具有符合國(guó)家環(huán)保需求、降低防腐除垢藥劑費(fèi)用、減少排污水量、減少甚至消除冷卻塔及設(shè)備清洗頻次的優(yōu)點(diǎn)。因此,采用水質(zhì)控制新技術(shù),雖一次投入較大,但可以較快回收前期投入,基本為一次性投入;傳統(tǒng)的藥劑處理工藝,需要定期購(gòu)置藥劑,并進(jìn)行日常存放管理、投加,在使用過(guò)程中還會(huì)對(duì)操作人員的身體健康以及外部環(huán)境造成一定的影響。新型電子、新材料等處理工藝應(yīng)該是未來(lái)循環(huán)水場(chǎng)水質(zhì)控制技術(shù)的發(fā)展方向,因此,在新廠建設(shè)及技改項(xiàng)目中,為達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益,應(yīng)盡量選用新技術(shù)。