多晶硅行业直接式电加热器常见故障分析及优化

曾晓国 张 伟 张晓伟

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.洛阳中硅高科技有限公司， 河南 洛阳 471023)

0 前言

多晶硅是信息产业和太阳能光伏发电产业的关键原材料，全球多晶硅产业化生产工艺有三氯氢硅氢还原法(又称改良西门子法)和硅烷流化床法，前者占世界总产能的85%，是多晶硅生产的主流工艺[1]。多晶硅生产属于典型的化工过程，当加热温度较低时，一般采用热水、蒸汽等热源加热；当加热温度超过180 ℃以上，一般采用电加热器直接加热。多晶硅生产过程中，电加热器主要用于气体(包括氢气、氮气、氯化氢、氯硅烷气体等)、工艺液体(氯硅烷液体)及辅助介质(如导热油)的加热。电加热器分为直接式和间接式，其中直接式电加热器加热效率高，设备体积小，投资成本低，故一般采用直接式电加热器。本文总结了国内某大型多晶硅企业在直接式电加热器的使用过程中的常见故障，并给出了优化建议。

1 直接式电加热器的结构

直接式电加热器由外壳和电加热芯组成，其中电加热芯主要由电加热管、散热区和接线盒等组成，如图1所示。

图1 直接式电加热器结构示意图

1.1 电加热管

电加热管是直接式电加热器的最核心部件，是发热元件，必须具有较高的热效率、长期耐高温、耐腐蚀性以及在长期工作条件下保持良好的绝缘性能和电气强度的性能，以确保其长期工作稳定、可靠、安全。每组电加热芯根据功率的不同，含有一定数量的电加热管，并含有10%左右的备用管。电加热管主要由金属外管、电阻丝和填料(氧化镁粉)组成[2]。电加热管束之间有折流板，起到支撑和安装、导流作用，不仅可防振，而且可强化传热，有效避免形成加热死角，并能有效提高电热元件表面介质流速。

1.2 接线盒

接线盒是放置电缆接入端的部件，由于介质为氢气或氯硅烷，故接线盒采用防爆结构，防爆等级为dⅡCT4，防护等级为IP55，材质为碳钢。

1.3 散热区

在直接式电加热器主法兰和接线盒之间设置300 mm长的散热区，并加设一定数量的散热片，使从加热器辐射和传导过来的热量降至最低，这样能有效地降低接线盒内部的温度(≤50 ℃)，避免接线盒内部接线电缆长时间处于高温而老化。

2 直接式电加热器的使用情况

在国内某大型多晶硅企业的生产过程中，电加热器主要用于氢气、导热油、氯硅烷气体的加热，详见表1。

表1 直接式电加热器的使用情况

3 直接式电加热器常见故障及分析

3.1 故障原因

多晶硅用电加热器出现故障的原因主要有两方面，一方面是设备本体质量问题，另一方面与运行工艺有关。常见故障为电加热管与管板焊接问题、套管本体质量问题导致泄漏、电加热管烧坏、加热管绝缘性低。电加热器的故障原因及检修方案详见表2。

表2 电加热器故障原因及检修方案

3.2 故障统计及分析

本文对国内某大型多晶硅企业的电加热器的故障按照上述故障类型编号进行统计，详见表3。因为电加热管绝缘性低(D)故障一般在设备调试时被发现，而设备正常运行后很少会再出现此类问题，对生产的影响相对较少，故此类故障没有统计。

表3 某大型多晶硅企业电加热器故障统计表

由表3可知，电加热器共投用108台，投用至今共发生故障45次，其中C(电加热管烧坏)故障率最高，占总故障的64%，主要原因是原料四氯化硅含粉尘多，其次是因为早期的工艺中二氯二氢硅未进行反歧化处理，就直接加入到氢化四氯化硅原料储罐内，然后和四氯化硅、氢气一起进入混合气电加热器加热，二氯二氢硅高温下分解产生无定形硅附着在加热管上，电阻丝产生的热无法及时散出而导致局部温度过高，使加热管烧断[3]。B(套管泄漏)故障率也较高，占总故障的27%，其原因主要是多晶硅工厂的大气环境常含有氯离子，电加热器正常工作时套管温度高，水分无法在表面停留，不容易被腐蚀，但是冷氢化系统需要定期停车排渣，导致套管在常温下易被大气中的氯离子腐蚀。A故障(电加热管与管板焊接问题)属于设备质量问题，占总故障的9%。电加热器投用第2年的平均故障次数比第1年有所上升，但是投用第2年故障全部为电加热管烧坏故障，与生产工况关系较大，投用第3年基本上无故障发生，这说明在工况较好(加热介质无二氯二氢硅且物料干净)的条件下，无质量问题的电加热器的使用寿命能达到较长时间。

4 讨论与建议

为减少多晶硅用直接式电加热器的故障率，保证生产的安全稳定运行，建议在以下几个方面进行优化：

1)电加热器故障频率与加热温度有关。氢气电加热器、导热油电加热器和活化干燥器的工作温度低，不超过300 ℃，很少出现故障；而混合气电加热器的工作温度高达530 ℃，故障较多。所以，当电加热器运行温度较高时，建议电加热管的金属外管采用高强、耐热、耐腐蚀的镍基合金Incoloy800H无缝管。常用的电阻丝材料有Fe-Cr-Al和Cr20Ni80电阻丝，但在较高的温度下，Fe-Cr-Al更容易氧化，而Cr20Ni80在高温下也能保持稳定[4]，具有更高的耐温能力、更好的抗氧化性和高的电阻率。所以电阻丝建议采用Cr20Ni80。

2)由于混合气预热炉的出口温度超过500 ℃，其电加热元件的表面负荷一般控制在2 W/cm2以下，考虑到设备的体积不宜过大，故单台电加热器功率一般控制在250 kW 以下。由于混合气预热炉要求加热的功率达1 200 kW，一般采用多台电加热器串联使用，考虑到串联位置越靠后的电加热器的工作温度越高，为保证电加热管的寿命，建议多台串联的电加热器的功率逐渐降低，即后端电加热器采用更低的表面负荷，以提高电加热管的使用寿命。

3)对于导热油电加热器，因导热油易过热分解与积碳，必须保证受热面管中的导热油流速，辐射受热面流速不低于 2 m/s，对流受热面流速不低于 1.5 m/s[5]。流速若达不到要求，应降低电加热管的表面负荷。此外，在导热油入口处应装过滤器，以滤去导热油在高温运行下形成的聚合物和残渣，防止这些聚合物或残渣进入受热面，影响传热。

4)电加热器故障频率与腐蚀性工作环境有关。因为多晶硅企业大气中含氯离子较多，加热管散热器套管易腐蚀，建议在套管外表面刷涂高温防腐漆或采用耐氯离子腐蚀的合金材质的套管，同时在生产管理上减少腐蚀性气体的无组织排放。

5)电加热器故障频率与被加热的介质关系较大。当介质含有较多固体颗粒时，电阻丝产生的热无法及时散出而导致加热管烧断。故当物料含较多固体颗粒时，建议增加预处理工艺，减少固体颗粒含量；或者调整工艺，减少易分解物质的含量。此外，可采用间接式加热的辐射式电加热炉，物料在盘管内部流动，盘管周围布置多根电加热管，电加热管自发热后辐射至盘管，从而间接加热物料。从加热的原理上来看，介质含固体颗粒多仅仅影响换热效率，而不会导致电加热管聚热而烧断，所以在此工况下，辐射式电加热炉的故障率要低很多。

6)针对电加热器的套管本体质量问题和电加热管质量问题，建议在采购技术文件中明确要求厂家出具对这些质量问题的解决措施和第三方检测结果，明确厂家的设备质量问题责任，以避免此类问题的出现。

5 结束语

电加热器是多晶硅行业生产过程中冷氢化和活性炭吸附的关键设备，必须保证电加热器的长期稳定、可靠、安全运行，因此需要在设计、制造和使用等方面进行优化，在设计上要选择合理的材质和结构，在制造上要保证高水平的加工及严格的质量检测，在使用上做好设备的防腐和减少无组织排放。