CN109665527A - 多晶硅生产设备的尾气热量回收系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶硅生产设备的尾气热量回收系统及运行方法。其系统包括还原炉，还原炉的尾气出口连接带有夹套管的尾气输送管路，夹套管连接冷却水入口和高温水出口；尾气输送管路经过换热器连接至尾气排放口；换热器的换热介质入口和出口分别连接冷却水入口和高温水出口；还原炉的原料入口管路经过缓冲器和汽化器与总进料口连接；缓冲器与还原炉原料进口管路之间设置有两条支路，其中一条直接连接原料入口管路，另一条经过所述换热器并能够与换热器内的尾气和高温水交换热量后并入原料入口管路；高温水出口通入闪蒸槽能够用于产生饱和蒸汽。本发明能够高效回收利用多晶硅生产尾气热量、热量输出的稳定性，产生蒸汽更适于多晶硅生产工艺利用。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产设备，具体是一种多晶硅生产设备的尾气热量回收系统及运行方法。
背景技术
目前，生产多晶硅的主要工艺技术是改良西门子法：经过提纯后的高纯三氯氢硅与氢气按比例混合后，在一定的温度和压力下通入多晶硅还原炉内，在通电高温硅芯上进行沉积反应生成多晶硅并产生高温的还原尾气，还原尾气中四氯氢硅、三氯氢硅、氯化氢、氢气等尾气经冷却分离回收再返回原料中循环利用。在还原炉内硅芯上的上述反应过程中，需要利用电能将反应温度加热到1100℃左右高温，会产生大量的热能，排出的尾气温度可达500℃。如何简单有效回收利尾气中的热量并将尾气冷却至120~200 ℃，以满足后续尾气回收处理的工艺要求，对降低整个多晶硅生产的能耗具有重大意义。
现有的生产多晶硅的工艺中中，考虑到将该热能利用，通常会加入进行热量回收的单元。例如尾气通过夹套水冷却，然后用高温水尾气换热器回收一部分热量，闪蒸低压2barg蒸汽，还原炉的进料用蒸汽和高温水来汽化三氯氢硅，再与氢气混合进料；以及在还原炉的炉筒和底盘位置增加回水系统，将冷水与热量进行热交换得到热水，并将热水运用到其他的生产过程中。
但现有热量回收手段仍然存在不足：
1、虽然直接利用高温尾气热量汽化加热进料的进炉温度，可以降低还原炉系统电耗，进而达到节能功效，但是还原生产过程中尾气的流量是动态的，难以保护稳定的热量供应，特别是在开车以及停炉时尾气的热力无法满足系统需要热量，因而通常系统需要增设辅助热源，使系统的控制相对复杂；
2、虽然现有尾气热量回收方法已经能够解决部分中低温回水问题，但现有热量回收系统仍然无法充分利用还原炉产生的热能，产生的低压蒸汽无法直接用于多晶硅生产，回水的高温水温度无法闪蒸较高品位的蒸汽，而低品位的蒸汽在多晶硅工厂大工艺系统中无法有效利用。
发明内容
本发明所要解决技术问题是，提供一种能够高效回收利用多晶硅生产高温还原炉尾气热量，能够提高回收热量输出的稳定性，产生的蒸汽品质更适于多晶硅生产工艺利用的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统及运行方法。
本发明的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统包括用于多晶硅生产的还原炉，还原炉的尾气出口连接带有夹套管的尾气输送管路，所述夹套管的进、出口分别连接冷却水入口和高温水出口；所述尾气输送管路经过一个换热器连接至尾气排放口；换热器设置有换热介质入口和出口，分别连接所述冷却水入口和高温水出口，使尾气与冷却水能够在换热器内交换热量；所述还原炉的原料入口管路经过缓冲器和汽化器与总进料口连接，用来通入三氯化硅和氢气原料；所述缓冲器与还原炉原料进口管路之间设置有两条支路，其中一条直接连接原料入口管路，另一条经过所述换热器并能够与换热器内的尾气和高温水交换热量后并入原料入口管路；所述高温水出口通入闪蒸槽能够用于产生饱和蒸汽。
进一步的，所述还原炉的炉体设置有冷却水夹层，冷却水夹层的入口连接炉体冷却水源，还原炉的冷却水夹层的出口连接所述高温水出口。
进一步的，所述还原炉的冷却水夹层的出口还连接一条高温回水支路，该高温回水支路连接至所述汽化器的加热介质入口。
进一步的，所述还原炉的冷却水夹层的出口与高温水出口之间设置有第一高温泵；所述夹套管的出口和换热器的换热介质出口与高温水出口之间设置有第二高温泵。
进一步的，所述夹套管采用蛇形夹套管换热装置；夹套管优选设置有两段。
本发明多晶硅生产设备的尾气热量回收运行方法基于上述尾气热量回收系统，包括以下步骤：
a.反应原料氢气气体进入汽化器经预热与经预热气化后的气相三氯氢硅进行混合；混合后的混合气体进入缓冲器再次充分混合并缓冲；
b.混合气体通过两条支路输送，其中一条进入换热器以高温尾气和高温水为热源，进行热交换升温后与另一条支路的原料混合气体合并，使混合气体进料温度达到120℃~200℃后进入还原炉；通过调节两条去路的流量比例对混合气体进料温度进行调节。
c.还原炉中加热反应后排出的尾气经过带有夹套管的尾气输送管路进入换热器，与进入夹套管和换热器的冷却水交换热量，冷却后的尾气由尾气排放口排出；吸热后的冷却水经高温水出口输送至闪蒸槽，用于产生高温蒸汽。
进一步的，所述步骤c中，由冷却水入口进入夹套管和换热器的冷却水温度为140℃~152℃，使夹套管和换热器的高温出水温度为165℃~175℃。
进一步的，还原炉反应过程中，通过通入冷却水夹层的冷却水对炉体进行冷却，使冷却水夹层的出口高温水的温度为165℃~175℃，该出口高温水分为两路，一路经高温出水口送至闪蒸槽，另一路送入汽化器作为预热原料气体的热源。
本发明积极效果体现在：
1、通过在缓冲罐出口设置经过和不经过换热器的两路分支，可以通过调节两路流量比例来控制原料进入还原炉内的温度在开停车过程中可达到150~250℃，解决了开停车过程由于间歇反应带来的系统热量低，达不到进气温度要求的情况。
2、采用尾气出口管路采用两段冷却夹套管，一方面可确保尾气冷却，另一方面可以分温度段设计夹套管的材料和结构，有利于降低材料成本。
3、通过控制冷却水进口温度，使高温回水温度可达165℃~175℃，可闪蒸3~4barg的饱和蒸汽，满足了多晶硅工厂大工艺系统的回用要求。
4、换热器同时连接冷却介质、尾气和混合气体原料，通过高效换热，能够满足氢气与三氯氢硅预热混合进料温度120~200℃；并产生165~175℃的高温水，可闪蒸3~4barg的饱和蒸汽；同时满足将高温还原尾气从500℃冷却到150℃；有效提升了热量回收利用效率。
附图说明
图1是本发明实施例的系统原理图。
具体实施方式
如图1所示，该多晶硅生产设备的尾气热量回收系统包括用于多晶硅生产的还原炉1，还原炉的尾气出口连接尾气输送管路3，尾气输送管路3带有两段采用蛇形夹套管换热装置的夹套管2，夹套管2的进、出口分别连接冷却水入口4和经过第二高温泵16连接高温水出口5；尾气输送管路3经过一个换热器6连接至尾气排放口7；换热器6设置有换热介质入口和出口，分别连接所述冷却水入口4和高温水出口5，使尾气与冷却水能够在换热器内交换热量；还原炉1的原料入口管路8经过缓冲器9和汽化器10与总进料口11连接，用来通入三氯化硅和氢气原料；缓冲器9与还原炉原料进口管路8之间设置有两条支路，其中一条直接连接原料入口管路8，另一条经过换热器6并能够与换热器内的尾气和高温水交换热量后并入原料入口管路8；高温水出口5通入闪蒸槽12能够用于产生饱和蒸汽。
还原炉1的炉体设置有冷却水夹层，冷却水夹层的入口连接炉体冷却水源13，冷却水夹层的出口经第一高温泵15连接高温水出口5。还原炉的冷却水夹层的出口还连接一条高温回水支路14，该高温回水支路连接至汽化器10的加热介质入口。
基于该实施的热量回收系统的运行方法包括以下步骤：
a.反应原料氢气气体进入汽化器经预热与经预热气化后的气相三氯氢硅进行混合；混合后的混合气体进入缓冲器再次充分混合并缓冲；
b.缓冲器输出的混合气体通过两条支路输送，其中一条进入换热器以高温尾气和高温水为热源，进行热交换升温后与另一条支路的原料混合气体合并，使混合气体进料温度达到120℃~200℃后进入还原炉；通过调节两条去路的流量比例对混合气体进料温度进行调节。
c.还原炉中加热反应后排出的尾气经过带有夹套管的尾气输送管路进入换热器，与进入夹套管和换热器的冷却水交换热量，冷却后的尾气由尾气排放口排出；吸热后的冷却水经高温水出口输送至闪蒸槽，用于产生高温蒸汽；进入夹套管和换热器的冷却水温度为140℃~152℃，夹套管和换热器的高温出水温度为165℃~175℃。
还原炉反应过程中，通过通入冷却水夹层的冷却水对炉体进行冷却，使冷却水夹层的出口高温水的温度为165℃~175℃，该出口高温水分为两路，一路经高温出水口送至闪蒸槽，另一路送入汽化器作为预热原料气体的热源。
Claims (9)
1.一种多晶硅生产设备的尾气热量回收系统，包括用于多晶硅生产的还原炉（1），其特征是：还原炉（1）的尾气出口连接带有夹套管（2）的尾气输送管路（3），夹套管的进、出口分别连接冷却水入口（4）和高温水出口（5）；尾气输送管路（3）经过一个换热器（6）连接至尾气排放口（7）；换热器（6）设置有换热介质入口和出口，分别连接所述冷却水入口（4）和高温水出口（5）；还原炉（1）的原料入口管路（8）经过缓冲器（9）和汽化器（10）与总进料口（11）连接；缓冲器（9）与还原炉原料进口管路（8）之间设置有两条支路，其中一条直接连接原料入口管路（8），另一条经过换热器（6）并能够与换热器内的尾气和高温水交换热量后并入原料入口管路（8）；高温水出口（5）通入闪蒸槽（12）。
2.根据权利要求1所述的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统，其特征是：还原炉（1）的炉体设置有冷却水夹层，冷却水夹层的入口连接炉体冷却水源（13），冷却水夹层的出口连接高温水出口（5）。
3.根据权利要求2所述的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统，其特征是：还原炉的冷却水夹层的出口还连接一条高温回水支路（14），该高温回水支路连接至汽化器（10）的加热介质入口。
4.根据权利要求2所述的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统，其特征是：还原炉（1）的冷却水夹层的出口与高温水出口（5）之间设置有第一高温泵（15）；夹套管（2）的出口和换热器（6）的换热介质出口与高温水出口（5）之间设置有第二高温泵（16）。
5.根据权利要求1所述的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统，其特征是：夹套管（2）为蛇形夹套管换热装置。
6.根据权利要求1所述的多晶硅生产设备的尾气热量回收系统，其特征是：夹套管（2）设置有两段。
7.一种采用权利要求1所述多晶硅生产设备的尾气热量回收系统的多晶硅生产设备的尾气热量回收运行方法，包括以下步骤：
a.反应原料氢气气体进入汽化器经预热与经预热气化后的气相三氯氢硅进行混合；混合后的混合气体进入缓冲器再次充分混合并缓冲；
b.缓冲器输出的混合气体通过两条支路输送，其中一条进入换热器以高温尾气和高温水为热源，进行热交换升温后与另一条支路的原料混合气体合并，使混合气体进料温度达到120℃~200℃后进入还原炉；通过调节两条去路的流量比例对混合气体进料温度进行调节；
c.还原炉中加热反应后排出的尾气经过带有夹套管的尾气输送管路进入换热器，与进入夹套管和换热器的冷却水交换热量，冷却后的尾气由尾气排放口排出；吸热后的冷却水经高温水出口输送至闪蒸槽，用于产生高温蒸汽。
8.根据权利要求7所述多晶硅生产设备的尾气热量回收运行方法，其特征是：所述步骤c中，由冷却水入口进入夹套管和换热器的冷却水温度为140℃~152℃，使夹套管和换热器的高温出水温度为165℃~175℃。
9.根据权利要求7所述多晶硅生产设备的尾气热量回收运行方法，其特征是：还原炉反应过程中，通过通入冷却水夹层的冷却水对炉体进行冷却，使冷却水夹层的出口高温水的温度为165℃~175℃，该出口高温水分为两路，一路经高温出水口送至闪蒸槽，另一路送入汽化器作为预热原料气体的热源。
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