多晶硅生产中常用换热器简介及其腐蚀与防护

黄河水电光伏产业技术有限公司 杨紫琪 张 博



多晶硅生产中常用换热器简介及其腐蚀与防护

黄河水电光伏产业技术有限公司 杨紫琪 张 博

【摘要】本文简单介绍了多晶硅用换热器的分类情况，阐述了多晶硅企业换热器泄露的原因以及目前行业内相关换热器的防腐措施。

【关键词】多晶硅；换热器；泄露

改良西门子法多晶硅生产工艺是目前多晶硅生产企业最常用的生产工艺方法，因其形成了闭环生产而受到行业的欢迎，其反应过程是一个复杂的化工流程，其工序主要包括氢气制备、氢化氯化工序、精馏工序、还原工序、氢气循环工序及后处理等工序，其主要生产流程为图1所示，其中STC（sicl4）、TCS（sicl3）是其主要多晶硅项目中涉及到众多冷热流体之间的热量交换，为了使能源的利用效率提高，减少企业的生产成本，提高企业的生产效率，所以大量的换热器被广泛地应用在多晶硅领域，以青海某家年产2500吨的多晶硅生产企业为例，总计有换热器共计256台，这些换热器的作用不同，功能不同，但是都有共同的目的是保证生产的高效正常运行。

图1　多晶硅生产总工艺流程简图

换热器是多晶硅生产中重要的化工设备之一，换热器的类型很多、特点也不一样，可以根据生产要求进项选择，可以按照传热原理分为间壁式换热器、蓄热式换热器及混合式换热器，也能按照其主要扮演的角色分为主要有加热器、预热器、过热器、蒸发器等。

加热器：加热器的主要作用是把流体加热到必要的温度，但加热流体并没有发生相的变化。

预热器：预热器先加热流体，使流体达到要求的温度，为工序操作提供标准的工艺参数。

过热器：用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。

蒸发器：蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化

据此家多晶硅生产企业的相关资料显示，目前导致换热器损坏的90%的原因是因为泄露，泄露一旦发生，整个生产就要被迫停止，严重影响了正常的生产，导致多晶硅产量下降。发生泄露的主要原因是多晶硅生产中换热器经过一段时间运行后会出现腐蚀、结垢等问题，从而导致换热器的泄露。

氯硅烷作为整个多晶硅生产过程中的主要介质，换热器一旦出现小的泄漏点，氯硅烷就会与水发生激烈的反应，反应生成产物二氧化硅、腐蚀。产物二氧化硅会导致设备失效，且盐酸会对设备材料进行腐蚀，加速了漏点的扩大。

不仅如此，氯硅烷对人体眼睛和呼吸道粘膜有强烈的刺激作用，且易燃易爆，遇高温、明火或者氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。其次氯硅烷会与水进行激烈的反应，生成聚合水解物和氯化氢，其反应生产的水解物二氧化硅等会堵塞设备，导致设备失效，且随着反应的进行进入后续系统导致系统大规模的瘫痪，增加了检修的成本。所以换热器的经常泄露不仅对连续生产造成影响，而且随着系统的运行，泄露后经反应产生的分解物进入系统，影响多晶硅的产品质量。一台换热器的泄露不仅对企业造成严重的经济损失而且还存在着严重的安全隐患。所以解决多晶硅用换热器的泄漏问题是目前多晶硅生产企业亟待解决的问题之一。

据相关资料显示，目前导致换热器损坏的90%以上的原因是由于腐蚀，而且换热器的腐蚀是不仅是多晶硅行业中量普遍存在的现象，也是整个化工产业面对的难题，但是因为多晶硅生产介质的特殊性，换热器泄露问题在多晶硅行业中尤为突出，因此只要能够很好的解决腐蚀问题，就等于解决了换热器损坏的根本。目前所有多晶硅泄露问题是企业所面临的最亟待解决的问题，通过同行业专家的技术交流及累积的生产经验，目前针对换热器的防漏措施企业们主要从以下几个方面进行努力。

（1）在传热流体中添加缓蚀剂

为了减轻腐蚀，在条件许可的情况下，可在流体中加入某些缓蚀剂。以铬酸盐为主要成分的缓蚀剂是冷却水系统中常用的，铬酸根离子是一种阳极（过程）抑制剂，当它与合适的阴极抑制剂组合时，能得到令人满意又经济的防腐效果，常见的阴极抑制剂有聚磷酸盐、磷酸钠、谁接的聚丙烯酰胺等。研究表明，此方法对换热器的接触腐蚀，孔蚀及盈利腐蚀效果较好。但是由于目前国内对缓蚀剂的研究相对较少，缓蚀剂种类单一，并不能完全解决较多类别的腐蚀现象，技术人员有待进一步研发出更多类型更加高效的缓蚀剂应对企业的换热器腐蚀问题。

（2）对换热器料进行防腐材料的喷涂

除了在传热流体中增加缓蚀剂，缓解换热器的结垢现象，另外一种更为经济可行的方法是在金属表面，通过一定的涂覆方法，覆盖一层耐腐蚀的涂料保护层，以避免金属表面与腐蚀介质的直接接触。但是因为多晶硅企业对质量的要求较高，特别是电子级多晶硅的生产，对任何元素的进入都特别慎重，何种材料最为防腐而且不影响的产品质量，是目前行业内的相关专家也在积极探索的，最合适的材料还有待研发。

（3）采用干式空冷器替代现有水冷器

采用空冷器的优点在于避免了循环水的腐蚀，而氯硅烷等对设备本身无腐蚀，总体来说，腐蚀源大大减少，但是采取干式空冷器代替目前的换热器并不是完美的解决方案，首先干式空冷器的造价远远大于目前普通水冷换热器的价格，投资太大，加上近年来多晶硅价格的不景气，越来越多企业不愿意再追加投资进行换热器的更换，其次干式空冷器的环境温度要求较高，在我国大部分湿热的南方地区使用效果并不明显。

（4）其他的方法

除了上述的几种方法外，还有一些企业会改变换热器的结构以减少腐蚀泄露的发生，同时设备管理部门也要加强设备的日常管理，定期进行设备的检修，工艺产线上也需要强化操作人员的操作技能等以减少对换热器的不必要的人为损害，比如升温降温的操作过程尽可能的平稳进行等。

结论

换热器的防腐蚀工作防泄漏是一个任重而道远的过程，仅仅单靠一种单一的方法的效果有限，而且上述措施也只能较大程度的减缓腐蚀速度，但离从根本上彻底解决腐蚀的问题还远远不够，所以我们必须加强设备管理，采取综合措施，且针对性治理，才能最大限度的延长换热器的使用寿命，取得良好的社会效益及经济效益。

《多晶硅生产工艺专用换热器的研制》项目基金资助，项目编号：2016-014-HHS-KJ-X。