吳燕平

(中國石化集團(tuán)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(jìn)，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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行冷卻，冷卻后的熱水送至熱水罐，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)組進(jìn)行余熱回收，產(chǎn)生0.3 MPa(g)的低壓蒸汽，并送進(jìn)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(jìn)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(jìn)口壓力為0.8 MPa(g)，出口壓力為0.7 MPa(g)，進(jìn)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(jìn)口溫度為0.4 MPa(g)，出口壓力為0.3 MPa(g)，進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jī)組進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。