CN207227025U - 一种用于多晶硅还原炉生产中的节能装置 - Google Patents
一种用于多晶硅还原炉生产中的节能装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，包括还原炉冷却单元、夹套热脱盐水热能利用单元、底盘热脱盐水热能利用单元、电极中温冷却水单元。本实用新型结合多晶硅精馏耦合单元所需要消耗蒸汽的规格，通过分别提高进入还原炉夹套和还原炉底盘的进水温度，使得其带出的热量分别能够以不同压力的饱和蒸汽形式供给多晶硅精馏装置，将硅棒辐射出的热能进行合理再利用；在满足电极安全使用前提下，提高电极冷却水的进出口温度，使得空气冷却器利用空气将电极带出的热量带走，避免了大量的冷冻水和循环水消耗。通过本装置，可降低水消耗、电耗、及蒸汽消耗，大幅度降低多晶硅产品的生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种利用还原炉辐射热能同时副产两种规格蒸汽的节能装置。该装置通过提高还原炉各冷却水系统的温度，使得一台还原炉能够副产两种不同规格蒸汽的同时，降低多晶硅产品的工业用水消耗、电耗、及蒸汽消耗，大幅度降低多晶硅产品的生产成本。
背景技术
多晶硅在电子产品及太阳能级领域有着广泛的应用，是最主要的半导体原料。多晶硅生产目前国际上普遍采用改良西门子法，多晶硅还原是改良西门子法的一个重要生产环节，对多晶硅生产的质量和成本产生重要影响。
多晶硅生产中的三氯氢硅氢还原反应为气相沉积反应，反应过程中吸收热量。由于硅棒对外传热主要是辐射传热，辐射传递热量远远大于反应吸收的热量。还原电耗主要用来维持硅棒的温度在1080℃左右。在此温度下，硅棒不断的向外辐射传递热量，导致还原炉设备内壁的温度升高，需要通过夹套、底盘及电极向外不断的移走热量。因此，就需要选择合适的冷媒及冷媒温度，冷媒进出口温度越高，辐射传热温差越小，硅棒向外辐射的热量就越小，多晶硅的电耗越低。
多晶硅还原装置的电耗占多晶硅综合电耗的60％左右，多晶硅还原炉是多晶硅还原装置的核心设备。还原炉系统运行的好坏直接制约多晶硅产品质量和生产成本。
目前多晶硅生产中，根据还原炉设备本体结构，设置三套冷却系统：夹套冷却系统、底盘冷却系统及电极冷却系统。
(1)夹套冷却系统：为了保持还原炉夹套内壁的温度，需要向还原炉夹套内通入冷媒，移走硅棒辐射至夹套内壁上的热量。常用的冷媒为导热油及脱盐水。还原炉夹套冷却工艺早期工艺采用循环水来冷却还原炉夹套出口热水，在消耗大量循环水的同时，硅棒辐射的热量被循环水带走，没有合理利用。随着多晶硅生产运行逐渐成熟，大部分生产企业将还原炉夹套水出口温度控制在140～155℃，用来副产0.2MPaG蒸汽供多晶硅装置中的常规精馏塔使用，精馏装置不够的蒸汽从锅炉房或者园区蒸汽管网补充。
(2)底盘冷却系统：为了保持还原炉底盘的温度，需要向还原炉底盘内通入冷媒，移走硅棒辐射的热量。常用的冷媒为脱盐水。还原炉底盘冷却工艺一直采用循环水来冷却还原炉底盘出口热水。底盘热水带出的辐射热量没有合理利用的同时，还消耗大量循环水。
(3)电极冷却系统：为了保护在高温下工作的电极，需要向还原炉中空电极内通入冷媒，移走硅棒辐射的热量，保持电极在其安全使用温度以下。常用的冷媒为脱盐水。还原炉电极冷却工艺一直采用冷冻水或循环水来冷却还原炉电极出口中温水，消耗大量的冷冻水和循环水。
随着近几年化工行业的发展，对多晶硅生产装置的运行和优化，耦合精馏在多晶硅装置生产中用的越来越多，还原装置副产的低压蒸汽已经不能满足耦合精馏的工艺热源等级需要。
与此同时，通过对多晶硅还原炉生产运行的摸索和研究，以及随着电极冷却夹套材料的发展，发现目前使用的夹套、底盘及电极冷却水进出口水温度均有较大的提升空间；通过提高夹套、底盘、电极进出口冷媒的温度，来副产不同规格的饱和蒸汽，以及采用空气冷却器对电极的中温水进行冷却，降低多晶硅产品的工业用水消耗、电耗、及蒸汽消耗，大幅度降低多晶硅产品的生产成本。
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，通过提高夹套、底盘、电极进出口冷媒的温度，副产不同规格的饱和蒸汽，以及采用空气冷却器对电极的中温水进行冷却，在最大程度上利用还原炉辐射热能的同时，减少多晶硅硅棒在运行过程中的辐射热能，降低多晶硅产品的工业用水消耗、电耗及蒸汽消耗。
本实用新型的技术方案是：一种用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，其特征是，包括还原炉冷却单元、电极中温冷却水单元、配套两个热能利用单元：夹套热脱盐水热能利用单元和底盘热脱盐水热能利用单元，
其中还原炉冷却单元包括：高效还原炉，其中还原炉包括夹套、底盘、电极和多晶硅硅棒，相应的夹套进出水管线、底盘进出水管线、电极进出水管线，并在相应的进水管线上设有进水流量计，在相应的出水管线上设有温度调节阀、压力调节阀及安全泄压阀；
夹套热脱盐水热能利用单元与底盘热脱盐水热能利用单元完全相同，分别包括：闪蒸罐、变频泵组、进水喷头、蒸汽雾沫捕集器、闪蒸罐液相出口管线、蒸汽出口管线、蒸汽压力调节阀、补充凝液管线及其调节阀；
电极中温冷却水单元包括：空气冷却器、变频中温水泵组、相应的进出水管线；
其中夹套热脱盐水热能利用单元中的闪蒸罐B底端通过变频热脱盐水泵组B和夹套进水管线与夹套联接，闪蒸罐B上端通过夹套出水管线与夹套联接；
底盘热脱盐水热能利用单元中的闪蒸罐A底端通过变频热脱盐水泵组A和底盘进水管线与底盘联接，闪蒸罐A上端通过底盘出水管线与底盘联接；
变频中温水泵组一端通过空气冷却器出水管线、空气冷却器、电极中温水出水管线与电极联接，另一端通过电极进水管线与电极联接。
其中通过夹套进水流量计和夹套出水管线温度调节阀来控制夹套出口温度在172～200℃，同时通过夹套出水管线压力调节阀控制夹套出水管线压力处于0.8～1.0MPaG，通过蒸汽压力调节阀B控制进入闪蒸罐B蒸汽压力为0.4～0.6MPaG饱和蒸汽。
其中通过底盘进水流量计和温度调节阀来控制底盘出口温度在132～160℃，同时通过压力调节阀控制底盘出水管线压力处于0.6～0.8MPaG，通过蒸汽压力调节阀A控制进入闪蒸罐A蒸汽压力为0.2～0.4MPaG饱和蒸汽。
其中通过电极中温水进水流量计和电极出水管线上的温度调节阀控制电极出口温度在65～90℃，利用空气将进入空气冷却器中的温水温度降至45～70℃，通过空气冷却器出口管线后经变频中温水泵组进入电极进水管线循环使用。
本实用新型整个装置主要特点在于：
通过提高还原炉夹套冷却水、底盘冷却水的进出口温度，降低硅棒对外的传热温差，进而降低生产过程中硅棒的辐射温差及热量的同时，将夹套和底盘水带出的硅棒辐射热能根据全厂装置的运行情况副产两种不同等级的饱和蒸汽一和饱和蒸汽二，使得副产的蒸汽一能够满足现有工艺装置耦合精馏的需求，蒸汽二能够满足现有工艺装置常规精馏的需求；同时，提高还原炉电极冷却水的进出口温度，采用空冷器对电极冷却出口中温水进行冷却，可节省大量工业用水，降低装置投资运行费用。
附图说明
图1是本实用新型的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的整个装置包括还原炉冷却单元、夹套热脱盐水热能利用单元、底盘热脱盐水热能利用单元、电极中温冷却水单元等。
还原炉冷却单元主要包括：高效还原炉10(主要包括还原炉夹套107、还原炉底盘108、还原炉电极109、多晶硅硅棒110)、夹套进水管线101、夹套出水管线104、底盘进水管线102、底盘出水管线105、电极中温水进水管线103、电极中温水出水管线106、夹套进水流量计1011、底盘进水流量计1021、电极中温水进水流量计1031、夹套出水管线温度调节阀1041、夹套出水管线压力调节阀1043及安全泄压阀1042、底盘出水管线温度调节阀1051、压力调节阀1052及安全泄压阀1053。
底盘热脱盐水热能利用单元主要包括：闪蒸罐A13、变频热脱盐水泵组A14、热脱盐水进水喷头A132、蒸汽雾沫捕集器A1311、闪蒸罐液相出口管线A141、蒸汽出口管线A131、蒸汽压力调节阀A1312、补充凝液管线A132及其管线上液位调节阀A1321。
夹套热脱盐水热能利用单元主要包括：闪蒸罐B15、变频热脱盐水泵组B16、热脱盐水进水喷头B153、蒸汽雾沫捕集器B1511、闪蒸罐液相出口管线B161、蒸汽出口管线B151、蒸汽压力调节阀B1512、补充凝液管线B152及其管线上液位调节阀B1521。
电极中温冷却水单元主要包括空气冷却器11、变频中温水泵组12、空气冷却器进水管线106、空气冷却器出水管线121、电极脱盐水补水管线122及其管线上的温度调节阀1221。
具体按以下步骤实施：
初次开车，来自精馏装置的蒸汽凝液一通过补充凝液管线B152进入闪蒸罐B15，通过液位调节阀B1521调节后作为还原炉夹套水系统的初始补充水，当闪蒸罐B15液位达到指定高度时，开启变频热脱盐水泵组B16、使得夹套冷却水系统进行循环；来自精馏装置的蒸汽凝液二通过补充凝液管线A132进入闪蒸罐A13，通过液位调节阀A1321调节后作为还原炉底盘水系统的初始补充水，当闪蒸罐A13液位达到指定高度时，开启变频热脱盐水泵组A14、使得底盘冷却水系统进行循环；开启电极脱盐水补水管线122上的温度调节阀1221，对电极水系统进行初始补充水，补充水通过变频中温水泵组12后进入还原炉电极中温水进水管线103，经过电极109后进入空气冷却器11进行冷却循环。
当还原炉的还原炉冷却单元、夹套热脱盐水热能利用单元、底盘热脱盐水热能利用单元、电极中温冷却水单元进行冷态循环运行合格后，开启还原炉10，进行投料运行。
通过夹套热脱盐水进水流量计1011和夹套出水管线温度调节阀1041来控制进入还原炉夹套107的出口温度，使得其出口温度在172～200℃，同时通过夹套出水管线压力调节阀1043控制还原炉夹套出水管线104压力处于0.8～1.0MPaG，进入闪蒸罐B15通过进水喷头B153进行闪蒸，通过压力调节阀B1512控制蒸汽压力为0.4～0.6MPaG饱和蒸汽，闪蒸蒸汽一经过雾沫捕集器B1511后，该蒸汽通过蒸汽出口管线B151引至多晶硅精馏装置，供精馏装置耦合塔对热源蒸汽的使用。来自精馏的蒸汽凝液经过液位调节阀B1521调节流量后进入闪蒸罐A13，经变频热脱盐水泵组A16加压后进入还原炉夹套107，携带出硅棒110辐射的热量，进入闪蒸罐B15闪蒸0.4～0.6MPaG饱和蒸汽供精馏装置耦合塔使用。为了防止系统超压，保护还原炉设备本体，在还原炉夹套出口管线104上设置了安全泄压阀1042。
通过底盘热脱盐水进水流量计1021和温度调节阀1051来控制进入还原炉底盘108的出口温度，使得其出口温度在132～160℃，同时通过压力调节阀1052控制还原炉底盘出水管线105压力处于0.6～0.8MPaG，进入闪蒸罐A13通过喷头A132进行闪蒸，通过蒸汽压力调节阀A1312控制蒸汽压力为0.2～0.4MPaG饱和蒸汽，闪蒸蒸汽二经过雾沫捕集器A1311后，该蒸汽通过蒸汽出口管线A131引至多晶硅精馏装置，供精馏装置常规精馏塔的蒸汽使用。来自精馏的蒸汽凝液经过液位调节阀A1321调节流量后进入闪蒸罐B15，经变频热脱盐水泵组B16加压后进入还原炉夹套，携带出硅棒110辐射的热量，进入闪蒸罐A13闪蒸0.2～0.4MPaG饱和蒸汽供精馏装置常规精馏塔使用。为了防止系统超压，保护还原炉设备本体，在还原炉底盘出水管线105上设置了安全泄压阀1052。
通过电极中温水进水流量计1031和还原炉电极水出水管线106上的温度调节阀1061控制电极109出口温度在65～90℃，进入空气冷却器11利用空气将中温水温度降至45～70℃，通过空气冷却器出口管线121后经变频中温水泵组12进入还原炉电极进水管线103循环使用。
本实用新型结合多晶硅精馏耦合单元所需要消耗蒸汽的规格，通过分别提高进入还原炉夹套和还原炉底盘的进水温度，使得其带出的热量分别能够以不同压力的饱和蒸汽形式供给多晶硅精馏装置，将硅棒辐射出的热能进行合理再利用，从而避免了其他工艺装置需要额外蒸汽以及还原装置冷却热脱盐水所需要消耗的大量循环水；在满足电极安全使用前提下，提高电极冷却水的进出口温度，使得空气冷却器利用空气将电极带出的热量带走，避免了原装置所需要的大量的冷冻水和循环水消耗。通过本装置，可降低多晶硅产品的工业用水消耗、电耗、及蒸汽消耗，大幅度降低多晶硅产品的生产成本。
Claims (4)
1.一种用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，其特征是，包括还原炉冷却单元、电极中温冷却水单元、配套两个热能利用单元：夹套热脱盐水热能利用单元和底盘热脱盐水热能利用单元，
其中还原炉冷却单元包括：高效还原炉(10)，其中还原炉包括夹套(107)、底盘(108)、电极(109)和多晶硅硅棒(110)，相应的夹套进出水管线、底盘进出水管线、电极进出水管线，并在相应的进水管线上设有进水流量计，在相应的出水管线上设有温度调节阀、压力调节阀及安全泄压阀；
夹套热脱盐水热能利用单元与底盘热脱盐水热能利用单元完全相同，均包括：闪蒸罐、变频热脱盐水泵组、热脱盐水进水喷头、蒸汽雾沫捕集器、闪蒸罐液相出口管线、蒸汽出口管线、蒸汽压力调节阀、补充凝液管线及其调节阀；
电极中温冷却水单元包括：空气冷却器(11)、变频中温水泵组(12)、相应的进出水管线；
其中夹套热脱盐水热能利用单元中的闪蒸罐B(15)底端通过变频热脱盐水泵组B(16)和夹套进水管线(101)与夹套(107)联接，闪蒸罐B(15)上端通过夹套出水管线(104)与夹套(107)联接；
底盘热脱盐水热能利用单元中的闪蒸罐A(13)底端通过变频热脱盐水泵组A(14)和底盘进水管线(102)与底盘(108)联接，闪蒸罐A(13)上端通过底盘出水管线(105)与底盘(108)联接；
变频中温水泵组(12)一端通过空气冷却器出水管线(121)、空气冷却器(11)、电极中温水出水管线(106)与电极(109)联接，另一端通过电极进水管线(103)与电极(109)联接。
2.如权利要求1所述的用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，其特征是，通过夹套进水流量计(1011)和夹套出水管线温度调节阀(1041)来控制夹套(107)出口温度在172～200℃，同时通过夹套出水管线压力调节阀(1043)控制夹套出水管线(104)压力处于0.8～1.0MPaG，通过蒸汽压力调节阀B(1512)控制进入闪蒸罐B(15)蒸汽压力为0.4～0.6MPaG饱和蒸汽。
3.如权利要求1所述的用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，其特征是，通过底盘进水流量计(1021)和温度调节阀(1051)来控制底盘(108)出口温度在132～160℃，同时通过压力调节阀(1052)控制底盘出水管线(105)压力处于0.6～0.8MPaG，通过蒸汽压力调节阀A(1312)控制进入闪蒸罐A(13)蒸汽压力为0.2～0.4MPaG饱和蒸汽。
4.如权利要求1所述的用于多晶硅还原炉生产中的节能装置，其特征是，通过电极中温水进水流量计(1031)和电极出水管线(106)上的温度调节阀(1061)控制电极出口温度在65～90℃，利用空气将进入空气冷却器(11)中的温水温度降至45～70℃，通过空气冷却器出口管线(121)后经变频中温水泵组(12)进入电极进水管线(103)循环使用。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111043870A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-21 | 罗智心 | 多晶硅还原炉热量回收利用系统及方法 |
| CN114688886A (zh) * | 2020-12-28 | 2022-07-01 | 四川永祥多晶硅有限公司 | 一种多晶硅生产系统热能的梯级利用方法 |
| CN114688885A (zh) * | 2020-12-28 | 2022-07-01 | 四川永祥多晶硅有限公司 | 多晶硅生产系统热能的梯级利用系统 |
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