立式壓縮機(jī)在多晶硅領(lǐng)域的應(yīng)用

柴卓，劉斌，胡波，王國鵬

(沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司，遼寧 沈陽 110027)

0 引言

在應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的戰(zhàn)略中，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)占據(jù)著不可或缺的地位，因?yàn)槿蛑辽?0% 的太陽能組件和電池板是由我國制造商生產(chǎn)的。在這種大環(huán)境下，我國光伏、半導(dǎo)體等行業(yè)規(guī)模隨之快速擴(kuò)大，對(duì)多晶硅的需求也日益增加。多晶硅作為光伏電池的主要材料，根據(jù)純度分為太陽能級(jí)(光伏級(jí))和電子級(jí)(半導(dǎo)體級(jí))。在高純度多晶硅的生產(chǎn)工藝中，氫氣的壓力、硅純度至關(guān)重要。設(shè)計(jì)及制造出符合多晶硅工藝要求的氫氣壓縮機(jī)，對(duì)多晶硅生產(chǎn)、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起著關(guān)鍵作用。本文闡述了立式壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中其技術(shù)特點(diǎn)的考慮與總結(jié)。

1 壓縮機(jī)應(yīng)用環(huán)境

目前國際上高純多晶硅的制備方法主要采用改良西門子法(閉環(huán)式三氯氫硅還原法)，通過氯氣(Cl2)和氫氣(H2)合成氯化氫(HCl)，氯化氫(HCl)配比適當(dāng)?shù)囊苯鸸璺墼趯?duì)應(yīng)溫度下生成三氯氫硅(SiHCl3)。將分離精餾提純后的三氯氫硅(SiHCl3) 引入還原爐中與氫氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)可生成高純度的多晶硅產(chǎn)品。多晶硅壓縮機(jī)主要應(yīng)用于“原料氣裝置”“冷氫化裝置”“尾氣回收裝置”。所壓縮的介質(zhì)主要有氫氣(H2)、氯化氫(HCl)、二氯氫硅(SiHCl2)、三氯氫硅(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)等，其中H2為易燃易爆介質(zhì)，而HCl、SiHCl2、SiHCl3、SiCl4介質(zhì)與空氣中的水分接觸后會(huì)形成有毒且具有強(qiáng)腐蝕性的白霧狀介質(zhì)，對(duì)與工藝氣接觸的金屬零件產(chǎn)生腐蝕性破壞。通常，在工藝介質(zhì)中含有一定量的硅粉，硅粉可加速密封環(huán)、導(dǎo)向環(huán)的磨損，是設(shè)計(jì)多晶硅壓縮機(jī)過程重點(diǎn)考慮的問題之一。多晶硅壓縮機(jī)內(nèi)部介質(zhì)泄漏至曲軸箱，則會(huì)導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)、酸化，進(jìn)而造成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)腐蝕失效。因此，多晶硅壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意防止外界油、水等進(jìn)入工作腔，更應(yīng)防止工藝氣體泄漏到周圍設(shè)備環(huán)境中。

2 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

壓縮機(jī)通過驅(qū)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，帶動(dòng)曲軸-連桿旋轉(zhuǎn)，并通過連桿-十字頭將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為十字頭-活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?；钊跉飧字行纬梢粋€(gè)體積可變化的封閉空間，通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使氣缸內(nèi)的封閉空間發(fā)生體積變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體增壓，并在氣閥的作用下形成單向流動(dòng)的氣體，將高壓氣體不斷輸送到下游設(shè)備。如果將十字頭—活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)布置在水平方向上，則為臥式壓縮機(jī)，如果布置在垂直方向上則為立式壓縮機(jī)。普通壓縮機(jī)活塞上設(shè)置有導(dǎo)向環(huán)和活塞環(huán)，活塞桿上設(shè)有填料環(huán)。導(dǎo)向環(huán)的作用是使活塞盡量保持與氣缸進(jìn)行同心運(yùn)動(dòng)；活塞環(huán)、填料環(huán)是為了形成密封腔體，防止工藝氣體的泄漏。為了提高氣缸活塞的利用率，活塞的兩側(cè)都做成密封腔體，通常稱為雙作用氣缸?？拷咨w側(cè)的腔體，通常不設(shè)置活塞桿，通過缸蓋和活塞環(huán)形成密封腔體，稱為蓋側(cè)工作腔；靠近曲軸側(cè)的腔體，含有活塞桿，需要設(shè)置填料與活塞環(huán)形成密封腔體，稱為軸側(cè)工作腔[1]。

在氣缸與機(jī)身之間設(shè)置有接筒(隔離室)和中體(十字頭滑道)，接筒和中體都有較大的窗口，用于拆裝填料和十字頭。接筒中設(shè)有給填料通水、注油、充氮等接管。接筒與中體之間設(shè)有刮油器，阻止機(jī)身、中體內(nèi)的潤滑油進(jìn)入到接筒[2]。

無論是臥式壓縮機(jī)還是立式壓縮機(jī)，其組成結(jié)構(gòu)都是相同的，不同的是對(duì)十字頭—活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)布置方向有所區(qū)別，這一點(diǎn)在下文中進(jìn)行詳細(xì)介紹和對(duì)比。

3 立式機(jī)的優(yōu)勢(shì)

3.1 活塞與氣缸保持良好的同心度

由于立式機(jī)的活塞進(jìn)行垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其重力在水平方向上的分力幾乎為零，其他力對(duì)活塞產(chǎn)生的水平分力也可以忽略或抵消，所以活塞在運(yùn)動(dòng)過程中可以與氣缸保持更好的同心度。

活塞上設(shè)置了起導(dǎo)向作用的導(dǎo)向環(huán)(又名支承環(huán))，是保證活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵元件之一，可以防止活塞運(yùn)動(dòng)過程中偏離缸體中心。導(dǎo)向環(huán)的性能與自身材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作環(huán)境關(guān)系密切。對(duì)臥式壓縮機(jī)，為了克服重力對(duì)活塞運(yùn)行造成的影響，通過設(shè)置導(dǎo)向環(huán)將活塞托起至接近氣缸中心線位置。同時(shí)為了降低導(dǎo)向環(huán)的磨損速率，延長其使用壽命，要根據(jù)活塞重量計(jì)算導(dǎo)向環(huán)承受的壓力，活塞重量越大，相應(yīng)的導(dǎo)向環(huán)的寬度越大、數(shù)量越多[3]。而立式壓縮機(jī)無論活塞大小、重量多少，都不需要設(shè)置較寬的導(dǎo)向環(huán)。對(duì)于大缸徑的壓縮機(jī)，導(dǎo)向環(huán)的寬度甚至可以減少至臥式機(jī)導(dǎo)向環(huán)的1/8～1/10。由于導(dǎo)向環(huán)屬于易損件，機(jī)組后期運(yùn)行需要定期更換，因此立式機(jī)可以為用戶節(jié)省很多后期維護(hù)成本。同時(shí)，過多的導(dǎo)向環(huán)在活塞高頻往復(fù)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，對(duì)密封環(huán)、導(dǎo)向環(huán)的使用效果也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。而在立式多晶硅壓縮機(jī)中，由于導(dǎo)向環(huán)數(shù)量及寬度的減少，不僅可以節(jié)省維護(hù)成本，避免附加熱量產(chǎn)生，還可以大量減少導(dǎo)向環(huán)磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)，這樣為下游工藝提純氫氣減輕了很多負(fù)擔(dān)。

臥式機(jī)的活塞長度會(huì)受到導(dǎo)向環(huán)環(huán)寬度的影響，通常為滿足導(dǎo)向環(huán)比壓需要通過加長活塞來布置足夠的導(dǎo)向環(huán)，這樣使得運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量及往復(fù)慣性力增加，機(jī)組綜合活塞力增加，影響了機(jī)組的受力狀態(tài)、使用壽命。并且，由于活塞長度的增加，氣缸的長度也會(huì)相應(yīng)加長，重量也會(huì)隨之增大[4]。這樣對(duì)設(shè)備的原材料成本、運(yùn)輸?shù)跹b、安裝維護(hù)等都帶來不利影響。在多晶硅壓縮機(jī)上這一特點(diǎn)尤為突出，因?yàn)槎嗑Ч韫に嚉怏w中含有特殊介質(zhì)，對(duì)鋁制活塞腐蝕嚴(yán)重，因此多晶硅工藝的活塞材質(zhì)一般不采用鋁合金，而采用鑄鐵、鍛鋼、銅合金等材料，其制成的活塞一般重量較大，會(huì)帶來上述問題。然而采用臥式壓縮機(jī)，其活塞最好的材質(zhì)為鋁合金，雖然滿足強(qiáng)度要求，又可以減輕重量，但在多晶硅工藝中對(duì)鋁的禁用，導(dǎo)致這一矛盾幾乎無法解決。但采用立式結(jié)構(gòu)的多晶硅壓縮機(jī)，可以很大程度上減小活塞的重量，使這一問題迎刃而解。

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，臥式機(jī)導(dǎo)向環(huán)受壓一側(cè)的厚度逐漸減小，活塞逐漸向下傾斜。一旦活塞接觸氣缸，金屬零件之間直接接觸勢(shì)必造成活塞、缸套或缸體損壞等問題，發(fā)生較嚴(yán)重的機(jī)械事故。為了解決此問題，通常在活塞桿上方加裝活塞桿下沉監(jiān)測(cè)裝置來測(cè)量活塞偏離中心的距離。當(dāng)偏離的距離過大可能會(huì)引發(fā)事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將提醒維護(hù)人員停機(jī)檢修立式機(jī)通過在多個(gè)運(yùn)行周期的驗(yàn)證下，導(dǎo)向環(huán)磨損率小，保證了活塞與氣缸良好的同心度。上述的這些監(jiān)控設(shè)備的采購成本、維護(hù)、操作等生產(chǎn)成本在立式機(jī)上均是不需要考慮的。

在活塞桿下沉監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警之前的運(yùn)行階段，由于活塞體中心逐漸下沉，而十字頭高度未發(fā)生變化，導(dǎo)致活塞桿缸蓋側(cè)的向下傾斜度逐漸增加，活塞桿與填料盒密封面的垂直度將發(fā)生變化。這種狀態(tài)對(duì)于填料環(huán)與活塞桿、填料盒的密封性能也會(huì)產(chǎn)生不良的影響。對(duì)多晶硅壓縮機(jī)，硅粉向低壓側(cè)滲漏的現(xiàn)象也會(huì)加劇，最終勢(shì)必影響填料密封環(huán)的使用壽命、縮短檢修周期，并造成介質(zhì)泄漏等問題。

綜合以上分析，多晶硅生產(chǎn)工藝中采用立式壓縮機(jī)可以避免臥式機(jī)帶來的諸多不利因素。立式機(jī)的這一優(yōu)點(diǎn)從多方面給機(jī)組運(yùn)行帶來明顯的有利條件，為機(jī)組穩(wěn)定、長期運(yùn)行提供了良好的保證。

立式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為以下五項(xiàng)：

(1)保證填料環(huán)的良好密封狀態(tài)、阻止硅粉滲漏；

(2)無需設(shè)置活塞桿偏離監(jiān)控設(shè)備；

(3)避免活塞與缸體直接接觸造成的機(jī)械事故；

(4)活塞質(zhì)量減小，機(jī)組受力得到改善，延長使用壽命；

(5)導(dǎo)向環(huán)數(shù)量少、寬度小，減少大量摩擦熱的累計(jì)，減少采購、運(yùn)行、維修成本。

3.2 減輕硅粉的破壞作用

多晶硅工藝中壓縮的氣體含有一定量的硅粉，硅粉增大了活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)與氣缸，填料環(huán)與活塞桿之間的摩擦系數(shù)，加劇了活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)、填料環(huán)的磨損。在這種不可避免的工況下，立式壓縮機(jī)在延長密封環(huán)、導(dǎo)向環(huán)的壽命方面明顯優(yōu)于臥式壓縮機(jī)，主要原因通過兩種機(jī)型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行討論分析：

(1) 對(duì)臥式機(jī)，當(dāng)硅粉隨氣流進(jìn)入氣缸以后，在重力作用下分布在缸體底部的硅粉逐漸增多，由于硅粉屬于超細(xì)粉末，很容易進(jìn)入到環(huán)與金屬零件的間隙中。活塞環(huán)與氣缸底部接觸的位置在硅粉的作用下其摩擦系數(shù)加大，該位置的磨損概率、磨損速率大大增加，容易造成活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)偏磨現(xiàn)象。導(dǎo)向環(huán)在重力及粉末的雙重作用下，缸體底部的磨損狀態(tài)加劇、壽命縮短。

(2)對(duì)立式機(jī)，氣缸中的粉末同樣受到重力的影響，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可分別從活塞與氣缸形成的上、下兩個(gè)工作腔討論：對(duì)上部工作腔，密封環(huán)四周與硅粉接觸是均勻的，硅粉不會(huì)出現(xiàn)因重力作用集中分布到某一區(qū)域的現(xiàn)象，環(huán)的每個(gè)位置摩擦情況大致相同，每個(gè)點(diǎn)的摩擦系數(shù)也不會(huì)過大，產(chǎn)生的磨損速率會(huì)明顯低于臥式機(jī)的情況；對(duì)下部工作腔，由于硅粉在重力作用下向缸體底部下落，因此活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)接觸硅粉的情況明顯減弱，磨損情況也相對(duì)減輕。

立式氣缸中硅粉隨重力向下沉降，相當(dāng)于氣體雜質(zhì)的自重分離，也有利于對(duì)下游氣體的提純。

3.3 整體剛性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊

臥式機(jī)由于各列氣缸、接筒、中體分成兩組向機(jī)身兩側(cè)布置，如果將接筒、中體、機(jī)身設(shè)計(jì)成一個(gè)零件，則零件尺寸較大。在加工上需要的工作臺(tái)、機(jī)床設(shè)備相應(yīng)增加，乃至加工車間也會(huì)受到影響。零件產(chǎn)成后，其起吊、安裝、運(yùn)輸?shù)榷紩?huì)帶來很多不便。實(shí)際生產(chǎn)中只有小型壓縮機(jī)可以將中體、機(jī)身設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，大部分臥式機(jī)機(jī)身與中體都是分開的。而立式壓縮機(jī)由于所有運(yùn)動(dòng)部件都在同一側(cè)，可實(shí)現(xiàn)將各列接筒、中體(十字頭滑道)與機(jī)身整合到一起，制作成一個(gè)零件。即使是大中型機(jī)組，整合到一起后的零件尺寸也不會(huì)很大，在加工制造上都是可以實(shí)現(xiàn)。這樣相對(duì)于臥式機(jī)，不僅零件的尺寸大幅度縮小，整體零件在加工上其形位公差會(huì)得到很好保證，更會(huì)大大減少像臥式機(jī)那樣因多組零件組裝造成的累計(jì)誤差，有利于保證十字頭、連桿運(yùn)行過程中與曲軸軸線的垂直度。而且整體零件的剛度相對(duì)于分體組裝的形式要好很多。

立式壓縮機(jī)的相鄰列氣缸也可以做成一體的，最多可以做到三缸一體，這樣可以簡化整機(jī)大型零件數(shù)量。以六列的大中型壓縮機(jī)為例，除運(yùn)動(dòng)部件外，僅有兩個(gè)缸體和一個(gè)機(jī)身組件，總共3 個(gè)零件；而如果同樣的機(jī)型采用了臥式壓縮機(jī)，即使中體和隔離室做成一體的，也至少有6 個(gè)氣缸、6 個(gè)中體、1 個(gè)機(jī)身，共13 個(gè)零件。對(duì)比立式壓縮機(jī)，從加工制造、運(yùn)輸?shù)跹b、安裝施工等各方面都會(huì)增加很大的工作量。

3.4 占地面積小

立式壓縮機(jī)將臥式機(jī)分布到機(jī)組兩側(cè)的氣缸、接筒、中體，全部收攏在一個(gè)豎直的方向上，氣缸接筒置于中體機(jī)身的上方，其整體占地尺寸減小。雖然其緩沖器不能像臥式機(jī)那樣放置在氣缸上方，但在機(jī)身周圍布置立式緩沖器即可，立式緩沖器的占地面積也很小，而且可以預(yù)留很多檢維修通道，方便巡檢與維護(hù)。

多晶硅項(xiàng)目通常體量較大，一個(gè)生產(chǎn)線采用的壓縮機(jī)通常在10 臺(tái)以上，因此可節(jié)省的占地面積是很有利用價(jià)值的。

4 結(jié)語

根據(jù)以上對(duì)立式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹，并結(jié)合多晶硅生產(chǎn)過程中的特點(diǎn)、難點(diǎn)，不難看出立式壓縮機(jī)相對(duì)臥式機(jī)在處理多晶硅生產(chǎn)工藝上具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。面對(duì)目前國內(nèi)、國際市場對(duì)多晶硅產(chǎn)品的廣泛需求，相信立式壓縮機(jī)在此行業(yè)中會(huì)得到越來越多的認(rèn)可與青睞。