多晶硅还原炉系统余热回收利用

吴燕平

(中国石化集团南京工程有限公司，江苏 南京 210000)

近年来随着多晶硅价格的不断下滑，多晶硅行业的竞争不断加剧，导致不少高能耗的企业纷纷停产甚至倒闭。多晶硅生产工艺的改进，使得产品质量已趋于稳定，所以目前多晶硅产业的竞争之根本就是降低能耗节省生产成本，多晶硅还原炉系统电耗差不多占总电耗的50%，其主要能耗就是在还原炉硅芯两端通高压电，使硅芯由半导体变为导体，通过电流使硅芯发热，最终硅芯表面温度达到1000多℃。在1000多℃的条件下原料气在硅芯上发生气相化学沉积反应，生成多晶硅。多晶硅行业已把降低多晶硅还原炉系统的能耗作为降低多晶硅生产能耗的主要方向，同时对还原炉辐射的余热进行回收利用，以降低能耗来降低多晶硅的生产成本以提高其竞争能力有重要作用。节能降耗，余热的回收利用也符合国家提出节能环保要求。

1 原有还原炉冷却水系统流程简介

从热水罐出来的热水用热水输送泵输出，送至还原炉夹套进水口，冷却水在还原炉内从下往上吸收炉筒内的辐射热，高温度热水送至空冷器进行冷却，冷却后的热水送至热水罐，进行循环利用从底盘水罐出来的热水用底盘水输送泵输出，送至还原炉底盘内，吸收底盘辐射的热量，水温升高，然后送到板换用循环冷却水进行冷却。

还原炉出来的还原尾气通过尾气冷却器，用循环冷却将尾气冷却至200℃左右，送到尾气回收单元。

目前工艺存在的问题是：硅棒的表面温度一千多度，而设备内壁的温度一般控制在三百多度，辐射热量很大，以前采用小型还原炉时夹套水进口的温度控制在100℃，出口温度控制在120℃，被热水带走的这部分热量，都没有回收利用，通过空冷器、板换等进行冷却增加了设备投资，公用工程用量较大，同时增加了公用工程的投资。

通过对工艺参数和工艺流程的改进，提高热水夹套水温度至145～165℃，提高底盘水温度至95～115℃,利用闪蒸原理来降低热水问题同时产生0.3 MPa(g)低压蒸汽，解决了目前存在的一些问题。

2 改进后还原炉冷却水系统流程简介

从闪蒸罐出来的145℃热水经热水输送泵输出，分为两路，一路去还原炉尾气换热器对还原尾气进行冷却，尾气温度由600℃降至200℃，热水的温度升高到164℃；另一路送至还原炉夹套进水口，冷却水在还原炉内从下往上吸收炉筒内的辐射热，温度升高至164℃，最后这两路水合并到一起送至闪蒸罐进行闪蒸，产生0.3 MPa(g)的低压蒸汽。产生的蒸汽送至低压管网。送至各装置使用，然后将各装置的低压蒸汽冷凝液回收送至闪蒸罐循环使用。

来自界区外的脱盐水送进底盘水储罐，开车时将采取一定的措施将脱盐水加热，然后通过底盘水输送泵把95℃的水送至还原炉底盘内，吸收辐射的热量，水温升至115℃，然后送到溴化锂机组进行余热回收，产生0.3 MPa(g)的低压蒸汽，并送进低压蒸汽管网。其流程见图1还原炉冷却水简单流程。

图1 还原炉冷却水简单流程

2.1 炉筒夹套水热量的回收

炉筒夹套内冷却水出口压力提高到0.7 MPa(g)，进水温度提高到145℃，0.7 MPa(g)压力下水的饱和蒸汽温度约为164℃，从安全生产角度炉筒夹套内冷却水必须保持液相而不能汽化，炉筒内夹套水出口温度控制在164℃以下。

以年产6000 t多晶硅为例，年生产时间按8000 h设计，电耗按50 kWh/kgSi计算，单台还原炉产量为9 t/a,单炉生产周期130 h，单位时间内在线炉子约为11台，夹套水进口压力为0.8 MPa(g)，出口压力为0.7 MPa(g)，进水温度145℃，单台还原炉炉筒夹套水循环量为120 t/h；底盘夹套水进口温度为0.4 MPa(g)，出口压力为0.3 MPa(g)，进水温度95℃，单台还原炉底盘冷却水循环量为60 t/h。多晶硅还原生产是间歇分批生产的，所以折合成平均单位时间使用ASPEN进行模拟，年产6000 t多晶硅，单位时间内生产多晶硅6000000/8000=750 kg/h，单位时间内炉筒夹套水的循环量约为1320 t/h。用ASPEN计算结果如下：

图2 还原炉夹套水闪蒸流程

表1(续)

通过ASPEN计算，年产6000t多晶硅，电耗按50 kWh/kgSi计算回收还原炉产生热量为可以产生0.3 MPa(g)低压蒸汽39.82 t/h。

2.2 还原尾气热量的回收

还原炉尾气出口温度600℃左右，这部分热量也可以加以回收利用，尾气出口为600℃左右，需要耐高温和腐蚀特殊材质的管道，导致投资成本增加，通常在还原炉尾气出口增加套管式换热器，从炉筒夹套冷却水管线上，引部分145℃热水至还原炉尾气套管式换热器上，让尾气温度降到200℃左右。单台还原炉的尾气量按为4250 kg/h计算，当冷却水温度由145℃升高到164℃时，冷却水的用量为33422 kg/h，单位时间内11台还原炉同时运行，所以热水总量为33.422×11=367.642 t/h，还原炉尾气换热器冷却水水量不多就不再设置闪蒸罐，加热后的冷却水回水与还原炉炉筒夹套回水合并一起，送至闪蒸罐进行闪蒸，从而还原炉尾气的废热得以回收。

2.3 还原炉底盘水热量的回收

同时带走还原炉辐射热的还有还原炉的底盘冷却水，48对棒的还原炉，底盘夹套内操作压力为0.4 MPa(g)，底盘冷却水的进水温度为95℃，底盘冷却水出口温度控制在115℃，115℃的冷却水是不可能通过直接闪蒸产生0.3 MPa(g)的蒸汽的。于是利用溴化锂热泵机组进行热量回收，产生0.3 MPa(g)的低压蒸汽，11台还原炉底盘冷却水回收的热量可产生的蒸汽量4.95 t/h。

溴化锂吸收式热泵的工作原理：以溴化锂水溶液为工质，在蒸发器内受到115℃底盘水的加热，而蒸发成低压冷剂蒸汽，然后进入吸收器被来自发生器的溴化锂溶液吸收，吸收过程释放出大量热，把流过吸收器传热管内的热水加热，然后送至闪蒸罐进行闪蒸产生0.3 MPa(g)低压蒸汽,另一方面，吸收冷剂蒸汽后的稀溶液出吸收器，经溶液热交换器和节流阀进入发生器，被传热管内115℃底盘水的加热加热升温至沸腾，再产生冷剂蒸汽，同时溶液浓缩成浓溶液，溶液泵把浓溶液经热交换器输送至吸收器，重新吸收冷剂蒸汽。发生器中产生的低压冷剂蒸汽进入冷凝器，被传热管内的冷却水冷却成液态冷剂，由冷剂泵输送至蒸发器，再次被加热蒸发，从而完成循环。

3 节能计算

底盘水(如果进水按95℃，回水温度按115℃)单台炉子60000 kg/h,正常在线炉子数量约7台。循环冷却水按上水29℃，回水39℃算，底盘水需要循环水量计算：

Q=CpM热△T热= CpM冷△T冷

Cp×60000×(115-95)×7=Cp×M冷×(39-29)

M冷=840000 kg/h

还原尾气由600℃冷却到200℃，尾气的比热容Cp=1.48 kJ/(kg·℃), 循环水比热容Cp=4.208 kJ/(kg·℃)，单台

还原炉的尾气量按为4250 kg/h计算。

Q=CpM热△T热= CpM冷△T冷

1.48×4250×(600-200)×7=4.208×M冷×(39-29)

M冷=59791 kg/h

通过以上计算可知，每年节约循环冷却水量为(840000+59791)×8000=7198328 t。根据《中国石化能源及耗能工质折标准》，1t循环水折吨标准煤系数0.0001429 t，7198328×0.0001429=1028.64 t。

通过对炉筒夹套水、还原尾气、还原炉底盘水热量的回收，可产生0.3 MPa(g)的蒸汽44.77 t/h，根据 《中国石化能源及耗能工质折标准》，1 t低压蒸汽折吨标准煤系数0.094 t。年操作时间按8000 h计，每年可少耗煤0.094×44.77×8000=33667.04 t。

流程改进后节省耗煤量为：1028.64+33667.04=34695.68 t，目前煤的价格按600元/t计，能节省年生产成本34695.68×600=2081.7408万元，每吨多晶硅可降低生产成本3469.568元。

4 结论

通过多晶硅还原炉系统余热回收闪蒸产生蒸汽的方法，不仅节省了设备投资，同时也降低了循环冷却水的用量，从而降低了多晶硅生产的能耗。产生的蒸汽送至精馏单元使用，蒸汽冷凝水再从精馏单元返回至还原单元进行循环使用。该工艺安全可靠，节能效果明显。经理论计算，每年节省生产成本约为2082万元。