冷氫化工藝的節(jié)能優(yōu)化研究

羅 周 ， 李 兵 ， 向春林

(四川永祥新能源有限公司 ， 四川 樂山 614802)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷變化，能源緊缺問題日益凸顯[1]。而碳中和概念的提出，加速了以多晶硅為代表的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。當(dāng)前，我國多晶硅生產(chǎn)主要以改良西門子法為主，各主要多晶硅生產(chǎn)廠家通過對(duì)還原工藝、TCS提純工藝、尾氣干法回收工藝及冷氫化工藝的不斷優(yōu)化，大大降低了多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)的能耗及成本。但多晶硅生產(chǎn)的綜合耗能仍然較高，每生產(chǎn)1 kg高純晶硅需耗電50 kW·h，因此，節(jié)能降耗仍是多晶硅生產(chǎn)的主旋律。而冷氫化裝置作為多晶硅生產(chǎn)的核心部分，是節(jié)能降耗的重點(diǎn)裝置[3]。劉繼三等[4]于2016年對(duì)冷氫化工藝進(jìn)行了優(yōu)化，大大降低了冷氫化生產(chǎn)運(yùn)行的能耗及成本。本文在其優(yōu)化后的冷氫化工藝流程基礎(chǔ)上，采用Aspenplus模擬軟件對(duì)冷氫化工藝的局部流程進(jìn)行了再次優(yōu)化，以進(jìn)一步降低冷氫化生產(chǎn)的能耗及成本，提高企業(yè)的生成能力，并對(duì)優(yōu)化前后的節(jié)能效果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 冷氫化工藝簡介

冷氫化是多晶硅副產(chǎn)物四氯化硅實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)的核心部分，其主要生產(chǎn)原料為硅粉、氫氣和四氯化硅[5-6]。其中由氫氣壓縮機(jī)加壓后的高壓循環(huán)氫氣和由精餾裝置罐區(qū)送來的高壓四氯化硅液體經(jīng)過預(yù)熱后，經(jīng)混合、汽化與從流化床頂部出來的高溫高壓氣體進(jìn)行多級(jí)熱量交換，輻射式電加熱器的終端加熱后升溫至400～600 ℃[7-8]。后高溫的氫氣和四氯化硅混合氣由設(shè)備底部進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在流化床反應(yīng)器內(nèi)以銅基或鎳基為催化劑，在2.0～3.0 MPa條件下，與從流化床頂部或側(cè)面加入的工業(yè)級(jí)硅粉進(jìn)行流化反應(yīng)，主要反應(yīng)方程式如下[9-10]：

由流化床反應(yīng)器頂部出來的含硅粉的高溫高壓混合氣體，經(jīng)兩級(jí)熱量回收換熱器換熱后，進(jìn)入旋風(fēng)分離器除去大粒徑硅粉，由旋風(fēng)分離器收集下來的硅粉重新返回流化床內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，后進(jìn)入金屬燒結(jié)，或陶瓷燒結(jié)濾芯的硅粉過濾器除去小粒徑硅粉，再進(jìn)入濕法除塵系統(tǒng)中進(jìn)行降溫、洗滌，去除金屬氯化物、高沸物及少量硅粉，由洗滌塔頂部出來的飽和氣體經(jīng)熱量回收、循環(huán)水冷卻及氟利昂深冷后得到氯硅烷液體，其中不凝氣體主要是氫氣經(jīng)循環(huán)氫氣壓縮機(jī)加壓后循環(huán)使用，冷凝下來的氯硅烷液體收集在氯硅烷產(chǎn)品罐中，后送至精餾裝置進(jìn)行提純分離[11]。冷氫化裝置主要包括壓縮機(jī)加壓及循環(huán)單元、預(yù)熱汽化單元、過熱單元、熱量回收單元、硅粉添加單元、流化反應(yīng)單元、硅粉去除單元、濕法除塵單元及冷凝單元[12]。

2 優(yōu)化前工藝

優(yōu)化前采用劉繼三等[4]提出的冷氫化工藝流程，見圖1。

圖1 優(yōu)化前冷氫化工藝流程

經(jīng)硅粉過濾器過濾后約250 ℃的高溫工藝氣體由底部進(jìn)入洗滌塔，經(jīng)頂部低溫噴淋液降溫、洗滌后，由洗滌塔頂部出來的高溫飽和氣體經(jīng)氫氣加熱器及四氯化硅換熱器回收熱量后降溫至133 ℃左右，后進(jìn)入循環(huán)水冷凝器及后端冷凝器進(jìn)行冷凝。加熱后的氫氣和四氯化硅分別進(jìn)入預(yù)熱器用蒸汽進(jìn)行加熱，后氫氣與四氯化硅液體進(jìn)行混合，進(jìn)入汽化器用蒸汽進(jìn)行加熱。以年產(chǎn)20萬t三氯氫硅的冷氫化裝置為例，優(yōu)化前設(shè)備的熱負(fù)荷見表1。

表1 設(shè)備熱負(fù)荷(優(yōu)化前工藝)

從表1可以看出，工藝優(yōu)化前，冷氫化裝置內(nèi)以蒸汽為熱源的氫氣預(yù)熱器、四氯化硅預(yù)熱器及汽化器總的蒸汽熱負(fù)荷為3 500 kW，對(duì)應(yīng)蒸汽消耗量為6 082 kg/h(按0.6 MPa飽和蒸汽冷卻為0.6 MPa的冷凝水考慮)。以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)的循環(huán)水冷凝器熱負(fù)荷為6 185 kW，對(duì)應(yīng)的循環(huán)水量為1 140 t/h(按循環(huán)水溫度上升5 ℃計(jì)算)。

3 優(yōu)化后工藝

為盡可能多地回收冷氫化系統(tǒng)的余熱，降低系統(tǒng)的整體運(yùn)行能耗及成本，結(jié)合預(yù)熱后的氫氣和預(yù)熱后的四氯化硅混合后，四氯化硅會(huì)因分壓降低而部分汽化吸熱，進(jìn)而混合后的氣液兩相流體的溫度降低，直至低于洗滌塔頂部出口的飽和工藝氣體溫度。利用夾點(diǎn)技術(shù)原理，在洗滌塔后端增加一臺(tái)多相流換熱器，讓氫氣與四氯化硅混合降溫后的兩相流體與從洗滌塔頂部出來的飽和工藝氣體進(jìn)行換熱，以達(dá)到回收熱量、節(jié)約蒸汽和循環(huán)水消耗的目的[13-15]。同時(shí)取消氫氣預(yù)熱器和四氯化硅預(yù)熱器，以節(jié)約設(shè)備采購成本。優(yōu)化后的工藝流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后冷氫化工藝流程

優(yōu)化后，經(jīng)硅粉過濾器過濾后約250 ℃的高溫工藝氣體由底部進(jìn)入洗滌塔，經(jīng)頂部低溫噴淋液降溫、洗滌后，經(jīng)多相流換熱器、氫氣加熱器及四氯化硅換熱器回收熱量后降溫至114 ℃左右，后進(jìn)入循環(huán)水冷凝器進(jìn)行冷凝。以蒸汽為熱源的氫氣和四氯化硅預(yù)熱器取消，氫氣和四氯化硅分別經(jīng)過加熱后直接混合，混合后的兩相流體經(jīng)多相流換熱器與從洗滌塔頂部出來的高溫飽和氣體進(jìn)行換熱，從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，因進(jìn)入循環(huán)水換熱的工藝氣體溫度降低，循環(huán)水用量降低。以年產(chǎn)20萬t三氯氫硅的冷氫化裝置為例，優(yōu)化后設(shè)備的熱負(fù)荷如表2所示。

表2 設(shè)備熱負(fù)荷(優(yōu)化后工藝)

從表2可以看出，工藝優(yōu)化后，冷氫化裝置內(nèi)僅汽化器以蒸汽為熱源，汽化器的蒸汽熱負(fù)荷為2 824 kW，對(duì)應(yīng)蒸汽消耗量為4 908 kg/h(按0.6 MPa飽和蒸汽冷卻為0.6 MPa的冷凝水考慮)。以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)的循環(huán)水冷凝器因進(jìn)口工藝介質(zhì)溫度降低，出口溫度保持不變，循環(huán)水換熱器的整體熱負(fù)荷降低為3 582 kW，對(duì)應(yīng)的循環(huán)水量為661 t/h(按循環(huán)水溫度上升5 ℃計(jì)算)。

4 結(jié)果分析

4.1 能耗分析

對(duì)比表1和表2，可以看出采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的冷氫化工藝流程，冷氫化裝置的余熱利用量提高，熱源蒸汽的消耗量及冷卻介質(zhì)循環(huán)水的消耗量均有一定程度的降低，工藝流程優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的蒸汽及循環(huán)水消耗量對(duì)比見表3。

表3 工藝優(yōu)化前后能耗對(duì)比

從表3中可以看出，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后工藝，冷氫化裝置的能耗得到大幅度降低。工藝節(jié)能效果明顯，且在優(yōu)化后已運(yùn)行的裝置上得到驗(yàn)證。

4.2 投資分析

優(yōu)化后的冷氫化工藝?yán)脷錃馀c四氯化硅混合后的低溫物料與洗滌塔頂部出來的高溫飽和物料進(jìn)行熱量交換，以達(dá)到余熱回收的目的，實(shí)現(xiàn)能量的最大利用。優(yōu)化后的工藝取消了四氯化硅預(yù)熱器和氫氣預(yù)熱器，增加了一臺(tái)多相流換熱器，因熱負(fù)荷減小，四氯化硅換熱器和循環(huán)水冷凝器換熱面積減??；因熱負(fù)荷增加，汽化器換熱面積增加。優(yōu)化前后的設(shè)備投資費(fèi)用見表4。

表4 工藝優(yōu)化前后設(shè)備投資對(duì)比

從表4中可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后取消四氯化硅預(yù)熱器和氫氣預(yù)熱器，可降低設(shè)備投資80萬元，增加一臺(tái)多相流換熱器需增加40萬元投入。四氯化硅換熱器和循環(huán)水換熱器因換熱負(fù)荷減小，可降低設(shè)備投資20萬元，汽化器因換熱負(fù)荷增大需增加10萬元投入，綜合設(shè)備投資費(fèi)用可降低50萬元。

5 結(jié)論

本文在劉繼三等優(yōu)化后的冷氫化工藝基礎(chǔ)上，利用夾點(diǎn)技術(shù)原理，應(yīng)用Aspenplus模擬軟件，再次對(duì)冷氫化工藝進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝在能耗及運(yùn)行費(fèi)用上較優(yōu)化前的工藝均有大幅降低。以年產(chǎn)20萬t三氯氫硅冷氫化裝置為例，通過比較工藝流程優(yōu)化前后的能耗，可以發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化后的工藝流程可降低蒸汽消耗19.31%，可降低循環(huán)水消耗42.09%，可降低設(shè)備投資費(fèi)用50萬元，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約766萬元。