CN105066716A - 还原炉余热回收利用的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种还原炉余热回收利用的方法。该方法包括：使处于第一温度范围的第一换热介质通过还原炉中的第一换热通道，并将第一换热介质升温至第二温度范围后通入换热单元中；换热单元通过连接管道将原料单元的第二换热通道中的第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围，并将第一换热介质降温至第一温度范围后通入第一换热通道。本发明提供了一种还原炉余热回收利用的方法，该方法实现了对还原炉中余热的回收再利用，进而大幅度地降低了原料单元的采热成本。

Description

还原炉余热回收利用的方法

技术领域

本发明涉及多晶硅制备的技术领域，具体而言，涉及一种还原炉余热回收利用的方法。

背景技术

多晶硅是一种超高纯材料，用于集成电路、电子器件和太阳能电池领域。目前国内多晶硅的主要生产方法是改良西门子法，主要包括三氯氢硅合成、精馏提纯、三氯氢硅氢气还原、尾气干法回收、四氯化硅氢化等工序。

改良西门子法的高纯氢气还原工序生产多晶硅过程中，包括三氯氢硅与氢气的反应原料在还原炉内约1050℃高温下通过化学气相沉积生成高纯度多晶硅。与高温硅棒有直接辐射热传递的还原炉炉筒和底盘需要通入冷却介质，以防止其被持续的高温热损伤。传统的还原炉换热方法为用高温水(或导热油)冷却还原炉的炉筒和底盘，然后高温水(或导热油)再用循环水或风机进行冷却，这样虽达到了冷却还原炉的效果，但同时从还原炉带出的热量也被浪费掉。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种还原炉余热回收利用的方法，以解决现有技术中还原炉在换热工序中热量浪费的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种还原炉余热回收利用的方法，方法包括：步骤S1、使处于第一温度范围的第一换热介质通过还原炉中的第一换热通道，并将第一换热介质升温至第二温度范围后通入换热单元中；步骤S2、换热单元通过连接管道将原料单元的第二换热通道中的第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围，并将第一换热介质降温至第一温度范围后通入第一换热通道。

进一步地，步骤S1还包括：使具有第一温度范围的第一换热介质通过设置于还原炉底盘中的第三换热通道后，回到设置于还原炉炉筒中的第一换热通道。

进一步地，第一温度范围为120～130℃；第二温度范围为140～150℃；第三温度范围为115～130℃；第四温度范围为140～150℃。

进一步地，方法还包括：步骤S3、具有第四温度范围的第二换热介质在原料单元中降温至第三温度范围。

进一步地，在将第一换热介质通入第一换热通道之前，步骤S2还包括：将通过换热单元的第一换热介质通过排热单元进行降温处理，以将第一换热介质降温至第一温度范围。

进一步地，在步骤S2中，将通过换热单元的第一换热介质通过排热单元的换热器进行降温处理，以将第一换热介质降温至第一温度范围。

进一步地，步骤S2还包括：将第二换热介质通过补热单元进行补热处理，以将第二换热介质升温由第三温度范围升至第四温度范围。

进一步地，步骤S2还包括：将第二换热介质通过补热单元中的定压补热罐进行补热处理，以将第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围。

进一步地，排热单元通过排热管道与换热单元的出口和第一换热通道的入口之间的管道连接，排热管道上设置有第一阀门，在将第一换热介质通入第一换热通道之前，当第一换热介质高于第一温度范围，打开第一阀门，以将第一换热介质通过排热单元后降温至第一温度范围。

进一步地，补热单元通过补热管道与连接管道相连，补热管道上设置有第二阀门，当第二换热介质低于第四温度范围，打开第二阀门，以将第二换热介质升温至第四温度范围。

进一步地，还原炉用于将反应原料反应形成多晶硅，原料单元包括提纯塔再沸器和还原炉供料挥发器，在步骤S3中，升至第四温度范围的第二换热介质向提纯塔再沸器和还原炉供料挥发器提供热量后，降温至第三温度范围。

应用本发明的技术方案，本发明提供了一种还原炉余热回收利用的方法，由于该方法中第一换热介质带走还原炉的热量并升温，升温后的第一换热介质通入换热单元中利用连接管道将热量转移至原料单元的第二换热介质并降温，降温后的第一换热介质再通回还原炉升温，从而实现了对还原炉中余热的回收再利用，进而大幅度地降低了原料单元的采热成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的还原炉余热回收利用的方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施方式所提供的换热系统的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

正如背景技术中所介绍的，传统的还原炉换热方法为用水(或导热油)冷却还原炉的炉筒和底盘，然后水(或导热油)再用循环水或风机进行冷却，这样虽达到了冷却还原炉的效果，但同时从还原炉带出的热量也被浪费掉。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种还原炉余热回收利用的方法，如图1所示，该方法包括：步骤S1、使处于第一温度范围的第一换热介质通过还原炉中的第一换热通道，并将第一换热介质升温至第二温度范围后通入换热单元中；步骤S2、换热单元通过连接管道将原料单元的第二换热通道中的第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围，并将第一换热介质降温至第一温度范围后通入第一换热通道。

由于本发明的上述方法中第一换热介质带走还原炉的热量并升温，升温后的第一换热介质通入换热单元中利用连接管道将热量转移至原料单元的第二换热介质并降温，降温后的第一换热介质再通回还原炉升温，从而实现了对还原炉中余热的回收再利用，进而大幅度地降低了原料单元的采热成本。

本发明的还原炉余热回收利用的方法应用于换热系统中，该换热系统如图2所示，包括：还原炉10，设置有第一换热通道；原料单元20，用于向还原炉10的炉体提供反应原料，且原料单元20中设置有第二换热通道；换热单元30，所换热单元30的入口连接于第一换热通道的出口，且换热单元30的出口连接于第一换热通道的入口；换热单元30和第二换热通道之间设置有连接管道。

在上述换热系统中，换热系统还包括排热单元40，排热单元40通过排热管道与换热单元30的出口和第一换热通道的入口之间的管道连接；换热系统还包括补热单元50，补热单元50通过补热管道与连接管道连接。

下面将结合图2更详细地描述根据本申请提供的还原炉的换热方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

首先，执行步骤S1：使处于第一温度范围的第一换热介质通过还原炉10中的第一换热通道，并将第一换热介质升温至第二温度范围后通入换热单元30中。在上述步骤中，通入的第一换热介质在第一换热通道中回收还原炉的热量进行升温，从第一温度范围升温至第二温度范围，然后在通入到换热单元中，采热后还原炉中富余的热量被带走，从而实现了对还原炉的冷却。

在一种优选的实施方式中，还原炉包括还原炉炉筒和还原炉底盘，第一换热通道设置于还原炉炉筒中，还原炉底盘中设置有第三换热通道，第三换热通道的入口与出口与第一换热通道的入口连接。此时，使具有第一温度范围的第一换热介质通过还原炉10中的第一换热通道的步骤中，还可以使具有第一温度范围的第一换热介质通过设置于还原炉底盘120中的第三换热通道后，回到设置于还原炉炉筒110中的第一换热通道。

由于还原炉底盘辐射热量相对小，通入第一换热介质后升温较小甚至温度无变化，若混入炉筒出口的换热介质，将会降低炉筒出口换热介质的热品质，从而影响换热介质将热量转移至原料单元，而本发明中还原炉底盘具有上述连接关系，从而第三换热通道中的第一换热介质不将还原炉底盘的少量且不稳定的热量单独采出，而是与回到还原炉炉筒入口的第一换热介质混合后一起输送至还原炉，即保证了还原炉炉筒出口第一换热介质的热品质，又不会造成还原炉底盘回水的热量的富集。

在完成步骤S1的步骤后，执行步骤S2：换热单元30通过连接管道将原料单元20的第二换热通道中的第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围，并将第一换热介质降温至第一温度范围后通入第一换热通道。在上述步骤中，具有第三温度范围的第二换热介质从原料单元20通入到换热单元30中与通入到换热单元30中的第一换热介质进行换热后升温至第四温度范围，并使第一换热介质由第二温度范围降温至第一温度范围。

在一种优选的实施方式中，在将第一换热介质通入第一换热通道之前，步骤S2还包括：将通过换热单元30的第一换热介质通过排热单元40进行降温处理，以将第一换热介质降温至第一温度范围。上述换热单元30可以包括至少一个换热器，此时，将通过换热单元30的第一换热介质通过排热单元40的换热器进行降温处理，以将第一换热介质降温至第一温度范围。设置于排热单元40中的换热器能够将通过换热单元30的过剩热量通过循环水带出系统，从而使通过换热单元30的换热介质被重新应用于还原炉10中进行采热。

在上述优选的实施方式中，排热单元40通过排热管道与换热单元30的出口和第一换热通道的入口之间的管道连接，排热管道上可以设置有第一阀门410，通过第一阀门410控制排热单元40的开启。在将第一换热介质通入第一换热通道之前，当第一换热介质高于第一温度范围，打开第一阀门410，以将第一换热介质通过排热单元40后降温至第一温度范围。

步骤S2还可以包括：将第二换热介质通过补热单元50进行补热处理，以将第二换热介质升温由第三温度范围升至第四温度范围。上述补热单元50可以包括至少一个定压补热罐，此时，将第二换热介质通过补热单元50中的定压补热罐进行补热处理，以将第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围。

在上述优选的实施方式中，补热单元50通过补热管道与连接管道连接，补热管道上设置有第二阀门510，当流出补热单元50的第二换热介质低于第四温度范围，打开第二阀门510，以将第二换热介质升温升至第四温度范围。从而使通回原料单元20的第二换热介质能够具有足够的热量供给原料单元使用。

本发明的上述还原炉的换热方法并不仅限于上述实施方式。优选地，换热方法还包括：步骤S3、具有第四温度范围的第二换热介质在原料单元20中降温至第三温度范围。在上述步骤中，传递到原料单元20中第二换热通道的热量在工艺生产中被消耗掉，从而使第二换热介质由第四温度范围降回至第三温度范围。

本发明的上述还原炉可以应用于各种领域的工艺中，优选地，还原炉10用于将反应原料反应形成多晶硅，原料单元20包括提纯塔再沸器和还原供料挥发器，在步骤S3中，升至第四温度范围的第二换热介质向提纯塔再沸器和还原炉供料挥发器提供热量后，降温至第三温度范围。在多晶硅生产过程中，包括有提纯塔再沸器和还原炉供料挥发器的原料系统等需大量的热量以供汽化物料使用，因此将还原炉10中的热量进行回收并用以原料单元20，对降低多晶硅生产成本起到重要作用。

更为优选地，换热方法中，依次执行步骤S1、步骤S2和步骤S3n次，n≥2。在上述优选的实施方式中，通入的第一换热介质在第一换热通道中吸收还原炉10的热量进行升温，从第一温度范围升温至第二温度范围，流入换热单元30的第一换热介质通过连接管道将第一换热介质的部分热量传递到原料单元20的第二换热通道中，使第一换热介质的温度由第二温度范围降温至第一温度范围，同时使第二换热通道中的第二换热介质由第三温度范围升至第四温度范围，第二换热通道中的第二换热介质通过在生产工艺中消耗热量后，由第四温度范围再降回至第三温度范围，并重新回到还原炉10的第一换热通道中继续执行下一次的换热方法，从而实现了还原炉10中热量的回收再利用。

在一种优选的实施方式中，上述还原炉的换热方法可以包括：向还原炉炉筒通入120～130℃的水(第一温度范围)，经吸收高温硅棒辐射在还原炉炉筒上的热量后升温至140～150℃(第二温度范围)；从还原炉炉筒返回的水通过换热单元中的板式换热器将热量转移给原料单元中的水(第三温度范围)，将其由115～130℃升温至140～150℃(第四温度范围)。相应的，离开换热器的水温度降低至120～130℃(第一温度范围)，再输送至还原炉。返回原料单元中的140～150℃的水(第四温度范围)将热量用于提纯塔塔底再沸器和还原供料挥发器汽化氯硅烷后，温度降至115～130℃(第三温度范围)，再与140～150℃的来自还原炉炉筒的水(第二温度范围)换热升温；向还原炉炉筒通入120～130℃的水(第一温度范围)的同时，向还原炉底盘通入120～130℃的水(第一温度范围)，通入的120～130℃的水(第一温度范围)后升温较小甚至温度无变化，仍为第一温度范围，与120～130℃的还原炉炉筒进水(第一温度范围)混合后一起输送至还原单元，这样即保证了还原炉炉筒回水的热品质，又不会造成还原炉底盘回水的热量的富集。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提供了一种还原炉余热回收利用的方法，由于该方法中第一换热介质带走还原炉的热量并升温，升温后的第一换热介质通入换热单元中利用连接管道将热量转移至原料单元的第二换热管并降温，降温后的第一换热介质再通回还原炉升温，从而实现了对还原炉中余热的回收再利用，进而大幅度地降低了原料单元的采热成本。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种还原炉余热回收利用的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、使处于第一温度范围的第一换热介质通过所述还原炉(10)中的第一换热通道，并将所述第一换热介质升温至第二温度范围后通入换热单元(30)中；

步骤S2、所述换热单元(30)通过连接管道将原料单元(20)的第二换热通道中的第二换热介质由第三温度范围升温至第四温度范围，并将所述第一换热介质降温至第一温度范围后通入所述第一换热通道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：使具有所述第一温度范围的所述第一换热介质通过设置于还原炉底盘(120)中的第三换热通道后，回到设置于还原炉炉筒(110)中的所述第一换热通道。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第一温度范围为120～130℃；

所述第二温度范围为140～150℃；

所述第三温度范围为115～130℃；

所述第四温度范围为140～150℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S3、具有第四温度范围的第二换热介质在原料单元中降温至第三温度范围。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述第一换热介质通入所述第一换热通道之前，所述步骤S2还包括：将通过所述换热单元(30)的所述第一换热介质通过排热单元(40)进行降温处理，以将所述第一换热介质降温至第一温度范围。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将通过所述换热单元(30)的所述第一换热介质通过所述排热单元(40)的换热器进行降温处理，以将所述第一换热介质降温至第一温度范围。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：将所述第二换热介质通过补热单元(50)进行补热处理，以将所述第二换热介质升温由所述第三温度范围升至所述第四温度范围。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：将所述第二换热介质通过所述补热单元(50)中的定压补热罐进行补热处理，以将所述第二换热介质由所述第三温度范围升温至所述第四温度范围。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述排热单元(40)通过排热管道与所述换热单元(30)的出口和所述第一换热通道的入口之间的管道连接，所述排热管道上设置有第一阀门(410)，在将所述第一换热介质通入所述第一换热通道之前，当所述第一换热介质高于第一温度范围，打开所述第一阀门(410)，以将所述第一换热介质通过所述排热单元(40)后降温至第一温度范围。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述补热单元(50)通过补热管道与所述连接管道相连，所述补热管道上设置有第二阀门(510)，当所述第二换热介质低于第四温度范围，打开所述第二阀门(510)，以将所述第二换热介质升温至所述第四温度范围。

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述还原炉(10)用于将反应原料反应形成多晶硅，所述原料单元(20)包括提纯塔再沸器和还原炉供料挥发器，在所述步骤S3中，升至所述第四温度范围的所述第二换热介质向所述提纯塔再沸器和所述还原炉供料挥发器提供热量后，降温至所述第三温度范围。