多晶硅浆料干燥机轴端密封结构改进

夏 杰 张传杰 安 震 张 娟 吴卫伟

(南京天华化学工程有限公司)

多晶硅浆料干燥机轴端密封结构改进

夏 杰*张传杰 安 震 张 娟 吴卫伟

(南京天华化学工程有限公司)

介绍了一种密封效果好、寿命长、检修方便、可用于强磨蚀性物料和微正压操作条件下的多晶硅浆料干燥机轴端密封装置。

浆料干燥机 轴端密封 多晶硅 结构改进

多晶硅作为单质硅的一种形态，是大规模集成电路、太阳能电池和半导体产业的重要原料。目前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生产多晶，但是这个生产过程中会产生大量的废渣、废液和废气，必须对污染物进行处理、回收和重新利用，以减少排放实现清洁生产。四氯化硅是多晶硅生产过程中最主要的副产物，连同二氯硅烷、三氯硅烷等其他形式的氯硅烷，以及硅、氯化铝、二氯化铁、氯化钙等共同组成多晶硅浆料[1]。在目前的多晶硅行业中，一些企业仍采用“水解中和法”处理固渣浆料，该方法存在许多局限性：如耗费大量的水和氢氧化钠、原材料成本非常高且水解中和过滤等环节增加了工艺流程和设备，增加了运行成本[2]。为解决上述传统工艺中的难题，通过干燥的手段将固渣浆料中三氯氢硅、四氯化硅提取出来，二氧化硅固渣可直接进入旋叶过滤膜装置进一步水解，得到环保的二氧化硅。直接提取出来的三氯氢硅、四氯化硅可以循环到加氢工段加氢生产三氯氢硅，并用于三氯氢硅的精馏提纯，从而形成了固渣浆料的内部封闭循环回收处理工艺，实现了无污染、低成本、低能耗的目标。浆料干燥机是多晶硅副产物回收单元的核心设备，其作用是通过夹套内的蒸汽或导热油对浆料进行加热，使氯硅烷浆料蒸发，进而回收和重复利用[3]。

1 多晶硅浆料干燥机密封要求

浆料干燥机采用正压操作，工作介质中即含有磨蚀性极强的硅粉，又含有易燃易爆的氯硅烷，加热后液态的氯硅烷将变为气态，因此密封结构需要对固、液、气3种状态介质都能起到良好的密封作用。由于氯硅烷在遇到空气或水后会迅速反应生成氯化氢，因此要求正常工作时，泄漏量必须十分微小。即便是在故障时，也不能产生突然的、较大的泄漏。复杂的工作介质、苛刻的密封要求，使得传统的多晶硅浆料干燥机轴端密封结构一直不能很好地满足工程要求。

2 轴封原理与分类

传统的干燥机轴端密封多采用填料密封、机械密封和螺旋密封的形式。

填料密封通过填料和轴表面接触，从而阻止介质通过实现密封。当拧紧压盖螺栓时，柔性软填料受到轴向压紧力的作用产生弹塑性变形，并沿径向扩张而贴紧轴。由于轴表面存在不平度等原因，柔性软填料并不能和轴在整个表面全部、充分地接触。当轴与填料存在相对运动时，凸起的接触部位与下凹的非接触部位之间将形成微小的、不规则的迷宫，造成流体截留减压，即所谓柔性软填料的“迷宫效应”，进而使流体沿轴向的流动受阻[4]。虽然填料密封具有结构简单、更换方便以及价格便宜等优点，但在多晶硅浆料这样的苛刻工况下，并不能很好地满足工程要求，尤其是浆料中含有的磨蚀性极强的硅粉，将导致填料短期内快速磨损[5]，造成浆料的泄漏，甚至多晶硅浆料干燥机停机。

机械密封是借助流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用，依靠一对或数对垂直于轴，并作相对滑动的端面，保持贴合并配合以辅助密封，从而达到阻漏的轴封装置[6]。机械密封具有密封效果好、功率损耗小、无需经常调整的优点，但当密封物料硬度较高时，机械密封摩擦副磨损加快，所积累的杂质也会影响到弹簧元件在密封中的补偿作用，导致密封失效、物料泄漏和污染环境[7]，并且机械密封存在安装精度要求高、拆卸不便及价格昂贵等缺点，也限制了它在多晶硅浆料干燥机轴端密封的应用[8]。

螺旋密封是一种非接触型流体动力密封，其基本结构是在旋转轴或静止的壳体内表面切削出螺纹槽。当轴旋转时，螺旋轴对液体施加一个推动力，并进行能量交换。轴的旋转动能转换为粘性流体的压力能，从而形成密封压力。密封压力与被密封压力平衡，从而阻止泄漏。螺旋密封具有功率损耗小、加工简单、安装方便及使用寿命长等优点。由于停车状态下轴不再旋转，密封压力消失，螺旋密封失效，因此无法单独使用。

填料密封、机械密封和螺旋密封都无法满足多晶硅浆料干燥机轴端密封的严苛要求。因此，设计一种集多种密封形式于一体的组合式密封，以满足多晶硅浆料干燥机轴端密封要求就显得十分必要。

3 轴端密封组合结构

多晶硅浆料干燥机轴端密封组合结构如图1所示。

图1 多晶硅浆料干燥机轴端密封组合结构

多晶硅浆料干燥机轴端密封组合结构分为3道，详述如下：

a. 第一道为部分深入至筒体内的螺旋密封套。搅拌轴旋转时，端座和螺旋密封套之间的渣浆将被从筒体外侧推向筒体内侧，并且随着容积被不断压缩，其压力不断升高，所建立起来的密封压力与被密封流体压力平衡，从而阻止渣浆、粉尘等的泄漏，很好地提高了密封性能。端座和螺旋密封套之间增设轴套Ⅱ，安装于筒体外侧，当它被渣浆、粉尘等磨损严重时，可以在不拆卸轴和端座的情况下进行更换，拆卸方便、检修容易。螺旋密封套、轴套Ⅰ、Ⅱ内壁采用特殊工艺，提高硬度，增强耐磨性。

b. 第二道密封由挡渣器、油封和冲洗液接管构成。设置于填料函中的挡渣器起到特殊密封作用，其一端为向里开口的开槽结构，筒体内侧正压操作使得工作时挡渣器开槽处于张口状态，可以有效阻挡泄漏的渣浆、粉尘等进入填料腔内，从而使填料发挥更好的密封作用;在填料函上增设的冲洗液接管一端与密封腔连通，冲洗液可以将部分泄漏的渣浆、粉尘等重新冲洗回筒体内，从而减少渣浆和粉尘等对填料和油封的磨蚀，降低密封组合结构的温度，延长密封元件寿命，保证密封性能。

c. 第三道密封由氮气反吹扫和方形填料组成。氮气反吹扫可以在必要时将可能出现的、穿过前两道密封的渣浆、粉尘等重新吹扫回筒体内，从根本上杜绝渣浆和粉尘的泄漏。

4 结束语

改进的多晶硅浆料干燥机轴端密封结构采用螺旋密封套、挡渣器、油封、冲洗液接管、填料、氮气反吹扫、方型填料等依次三道密封结构，共同组成密封组合结构。整个组合密封性能可靠、密封元件寿命长、拆卸方便、检修容易。目前，该密封组合结构已经成功应用于某光伏企业多晶硅生产装置的浆料干燥机上，完全满足密封要求。该密封组合结构对于类似渣浆、粉尘等物料的密封均具有参考和借鉴作用。

[1] 王志民.卧式螺带干燥机用于多晶硅渣浆的干燥过程研究[D].天津：天津大学，2012.

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[3] Breneman W C.Process for the Treatment of Waste Metal Chlorides[P]. USA：0193958，2006-08-17.

[4] 陈匡民，董宗玉，陈文梅.流体动密封[M].成都：成都科技大学出版社,1990：235～236.

[5] 张际强，汪任初.旋转闪蒸干燥机喂料螺旋轴端密封结构的改造[J].化工机械,2006,33(3)：183～184.

[6] 张永平，邵芝梅，张宝忠.杂质泵的密封与应用[J].煤矿机械,2005,(10)：142～143.

[7] 惠怀明，孙铁.软化水泵机械密封故障分析与改造[J].化工机械,2008,35(2)：104～106.

[8] 李建伟，白颖.高温高杂质化工泵密封结构的改进[J].化工设备与管道,2007,44(6)：45～46.

*夏 杰，女，1984年1月生，工程师。江苏省南京市，211000。

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