多晶硅还原炉能耗分析.docx

第 42 卷第 14 期2014 年 7 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol. 42 No. 14Jul. 2014多晶硅还原炉能耗分析王东京，盛斌，赵建，詹水华( 江苏双良新能源装备有限公司，江苏江阴214444)摘要: 多晶硅还原炉作为改良西门子法生产多晶硅的核心设备，其在生产过程中的能耗直接影响着多晶硅的生产成本， 研究其在生产过程中的能耗去向是非常有意义和必要的。本文结合物料平衡和能量平衡，理论分析了不同炉型的多晶硅还原炉的 能量去向，为制造更加节能的还原炉和工业生产过程中还原炉的选型提供了一些思路。关键词: 多晶硅; 改良西门子法; 还原炉; 能耗中图分类号: TF89文献标志码: A文章编号: 1001 9677( 2014) 014 0125 03The Energy Consumption Analysis ofPolysilicon CVDWANG Dong jing，SHENG Bin，ZHAO Jian，ZHAN Shui hua( Jiangsu Shuang Liang New Energy Equipment Co. ，Ltd. ，Jiangsu Jiangyin 214444，China)Abstract: In the improved Siemens process，the polysilicon CVD was the core equipment，its energy consumption directly affects the production of polysilicon cost，so it was very meaningful and necessary to study its energy consumption in the production process. To combining the material balance and the energy balance，the energy consumption of the different type furnace of polysilicon CVD was analyzed，and how to manufacture more energy saving CVD and to select the CVD model was advised.Key words: polysilicon; improved Siemens process; CVD; energy consumption目前，80% 左右的多晶硅是通过改良西门子法生产的。而 改良西门子法生产多晶硅中，钟罩式多晶硅还原炉是用于生产 多晶硅的反应器，是改良西门子法生产多晶硅中至关重要的核 心设备。改良西门子法生产多晶硅中，在多晶硅还原炉内给硅 芯 / 硅棒通电加热使其表面温度维持在 1 050 1 100 ，三氯氢 硅和氢气在其表面发生化学物理反应，生成的硅沉积在硅芯 / 硅棒表面，形成多晶硅棒产品。2008 年之前，多晶硅还原炉基 本上依赖国外进口，经过近几年国内的努力发展，已经取代了 国外进口。在多晶硅还原炉生产多晶硅过程中，由于硅芯 / 硅棒温度 很高，向还原炉内辐射大量热量，易于导致还原炉内的氯硅烷 气体发生反应而产生 “雾化现象”1; 同时目前的多晶硅还原 炉主要是由 316L 不锈钢制作的，多晶硅还原炉内壁温度过高， 将会导致 316L 不锈钢中的铁元素与其他杂质逸出和 316L 不锈 钢耐压性能下降而产生形变等问题。为了避免三氯氢硅在气相 中均相分解，提高氯硅烷的有效利用率与多晶硅产品的品质和 多晶硅还原炉的使用寿命，在多晶硅生产过程中，需采取相应 控制措施控制还原炉内气体的温度，以达到氯硅烷气体只在硅 芯 / 硅棒表面反应，而尽可能少的在气相中反应，同时保持多 晶硅还原炉内壁面温度处在一个合理范围。采取的主要控制措 施有: 对还原炉内壁采用高温冷却水进行冷却; 降低硅棒 表面温度; 提高氢气流量; 提高原料总进料量; 降低原 料进料温度等。由于多晶硅还原炉内的反应温度高，导致多晶硅生产的能耗高，但是到目前为止，未见关于多晶硅还原炉能量去向的具 体分析报道。多晶硅还原炉作为改良西门子法生产多晶硅中的 核心设备，其在生产过程中的能耗直接影响着多晶硅的生产成 本，研究其在生产过程中的能耗去向是很有意义和必要的。本 文结合物料平衡和能量平衡，理论分析了不同炉型的多晶硅还 原炉的能量去向，为制造更加节能的还原炉和工业生产过程中 还原炉的选型提供了一些思路。1 多晶硅还原炉能量分析从多晶硅还原炉的物料平衡角度来看，为了简化计算，将 进入还原炉内的三氯氢硅和氢气混合气体视为两部分，一部分 混合气体被加热至反应温度 ( 按 1 080 考虑) 参与了化学反 应，生成了硅沉积在硅芯 / 硅棒表面，形成多晶硅棒产品; 另 一部分混合气体只被加热至尾气出口温度 ( 按 650 考虑) 而 未参与化学反应。参与反应的那部分混合气体在反应完后，被 高温冷却水冷却至 650 ，与未参与反应的混合气体一起混合 成还原尾气。从多晶硅还原炉的能量平衡角度来看，多晶硅还原炉的供 热是依靠给硅芯 / 硅棒通电加热获得的热量 Q，是整个多晶硅 还原炉的能量源泉。所获得的热量一部分用于加热参与化学反 应的混合气体所需的热量 Q1 ( 包括将参与化学反应的混合气 体从 150 加热至 1 080 和反应中所需的反应热) ，一部分用于加热未参与反应的混合气体所需热量 Q2 ，另外一部分是硅芯 /作者简介: 王东京 ( 1962 ) ，男，总经理。通讯作者: 詹水华，工程师，主要从事多晶硅工艺技术和设备开发。126广 州 化 工2014 年 7 月硅棒表面通过热辐射传递给炉筒，由炉筒冷却水带走 Q3 。假设多晶硅还原炉的转化率恒定为 10% ，可以认为不管对 于哪种炉型( 多少对棒) ，折算到每沉积一公斤硅所需要的 Q12占硅棒总数，进行相应修正，所得到的不同炉型的 S1 和 S2 的 值如表 3。表 3 不同炉型的 S1 和 S2 的值和 Q2 为定值; 通过辐射传热公式( 1) 可知，Q3 对于不同炉型 炉型硅棒辐射面积 S1 / m2炉筒辐射面积 S2 / m212 对棒15. 5613. 6324 对棒29. 6519. 3536 对棒43. 8225. 0740 对棒49. 3725. 5148 对棒59. 2127. 2760 对棒74. 0029. 03折算到每沉积 1 kg 硅的辐射面积不同，而发生变化。Q1 2 = C1 2 S ()4T11004( T ) 2100( 1)式中: Q1 2 净的辐射传热速率，W C1 2 总辐射系数 S辐射面积，m2T1 ，T2 高温和低温表面的热力学温度，K几何因素 ( 角系数)2理论计算多晶硅还原炉能量通过 Aspen Plus 按照表 1 中的工况计算的 Q1 和 Q2 值，计算 结果见表 2。表 1计算工况条件内容数据备注三氯氢硅和氢气进料配比3. 81原料混合气进气压力0. 60 MPa( G)原料混合气进气温度150 还原炉操作压力0. 60 MPa( G)还原炉操作温度1 080 硅棒表面温度出还原炉尾气口尾气温度 出还原炉尾气口尾气压力650 0. 60 MPa( G)还原炉炉筒冷却水温度130 150 进出口温度还原炉炉筒壁温300 内壁面经上面的简化计算之后，每沉积 1 kg 硅所需要的 Q1 和 Q2如表 2。图 1 为硅棒对炉筒内壁的辐射面积随硅棒对数变化的关 系。从图 1 中可以看出，硅棒对炉筒内壁的辐射面积随硅棒对 数的增加而线性增加。图 1 硅棒对炉筒内壁的辐射面积随硅棒对数变化的关系曲线将 S1 和 S2 的值以及其他相关参数代入式( 1) 和式( 2) ，可 计算得到不同炉型的还原炉由于热辐射产生的电耗，如表 4。 表 4 不同炉型的还原炉热辐射电耗 表 2 Q1 和 Q2 计算结果 总辐射系数 C1 2 /炉型( W / ( m2 K4 ) )辐射传热 速率 / kW辐射电耗 Q3 /( kWh / kg Si)内容数值 / ( kWh)12 对棒1. 89953. 5241. 11Q19. 7524 对棒1. 731660. 7535. 80Q25. 3536 对棒1. 652342. 6633. 6240 对棒1. 592539. 3232. 791. 512906. 5331. 33对于多晶硅还原炉而言，由于多晶硅还原炉是讲60 对棒1. 413385. 1429. 19对于 Q3 ，通过两固体间的辐射传热模型进行估算，计算公 式见式( 1) 。硅芯 / 硅棒包裹在还原炉内，故其 = 1; S 为硅芯 / 硅棒向多晶 硅还原炉炉筒辐射的面积 S1 ，对于不同炉型，其是变化的，从而导致不同炉型的能耗发生变化; 总辐射系数 C1 2 按式( 2) 计算:48 对棒C1 2 = 1 + S1C0 ( 1 1 )( 2)1S2224式中: C0 黑体辐射系数，5. 67 W / ( m K )S1 硅芯 / 硅棒向多晶硅向炉筒辐射的面积S2 多晶硅还原炉炉筒面积1 硅芯 / 硅棒的发射率( 黑度) ，取 0. 4632 多晶硅还原炉炉筒的发射率( 黑度) ，取 0. 58 在这里，假设只有还原炉内最外圈的硅芯 / 硅棒对还原炉 炉筒的辐射是有效的，但实际上其它的硅棒对还原炉炉筒也是有辐射贡献的，为此，对于不同炉型的 S1 值分别按最外圈硅棒图 2 硅棒对炉筒内壁的辐射能耗随硅棒对数变化的关系曲线图 2 为硅棒对炉筒内壁的辐射能耗随硅棒对数变化的关 第 42 卷第 14 期王东京，等: 多晶硅还原炉能耗分析127系。从图 2 中可以看出，硅棒对炉筒内壁的辐射面积随硅棒对 数的增加而减小，减小的幅度也是越来越小。从而可以从理论上计算不同炉型的还原炉的还原电耗 Q， Q = Q1 + Q2 + Q3 ，计算结果如表 5。通过与目前实际在运行的 各炉型的运行情况对比分析，所计算的还原电耗 Q 是相当接近实际值的，如实际运行中，12 对棒还原炉的电耗已达到 60 kW h / kg Si 左右，24 对棒还原炉已达到 55 kWh / kg Si 左右， 36 对棒和 40 对棒多晶硅已达到 50 kWh / kg Si 左右。这里 的还原电耗理论计算值是具有一定的参考意义的。Q1 / ( kWh / kg Si)Q2 / ( kWh / kg Si)Q3 / ( kWh / kg Si)还原电耗 Q /( kWh / kg Si)9. 755. 3541. 1156. 219. 7455. 3535. 8050. 909. 755. 3533. 6248. 729. 755. 3532. 7947. 909. 755. 3531. 3346. 439. 755. 3529. 1944. 29表 5 不同炉型的还原炉还原电还原炉耗炉型12 对棒24 对棒36 对棒40 对棒48 对棒60 对棒图 3 为还原炉还原电耗随硅棒对数变化的关系。从图 3 中 可以看出，还原炉还原电耗随硅棒对数的增加而减小，减小的 幅度也是越来越小。图 3 还原炉还原电耗随硅棒对数变化的关系曲线另外，从能量的角度来分析多晶硅还原炉的能耗去向，还 可以分为气体反应热 Q1 、高温冷却水带走的热量 Q2 ( 包括冷Q1 0. 491. 0240 对棒Q2 37. 1047. 7377. 73Q3 10. 1421. 25Q1 0. 491. 0648 对棒Q2 35. 6346. 2677. 02Q3 10. 14121. 92Q1 0. 491. 1160 对棒Q2 33. 4944. 1275. 91续表 6 Q3 10. 1422. 98 图 4 为还原炉还原电耗中被冷却水带走的部分所占比率随 硅棒对数变化的关系。从图 4 中可以看出，还原炉还原电耗中 被冷却水带走的部分所占比率随硅棒对数的增加而减小，减小 的幅度也是越来越小。图 4 还原炉还原电耗中被冷却水带走的部分所占比率 随硅棒对数变化的关系曲线3结语从上面的理论计算分析可以看出，随着还原炉硅棒对数的 增加，硅棒辐射到还原炉炉筒的热量、还原炉电耗、还原炉还 原电耗中被冷却水带走的部分所占比率都在减小，这说明还原 炉硅棒对数越多，对电能的利用率越高，越节能，但是对应减 小的幅度却在减小; 从设备投资的角度来看，还原炉硅棒对数 越多，投入越大。所以在还原炉选型时，要综合考虑这两点。 同时，通过上面的分析可以看到，对于还原炉的节能降耗，主 要还是要提高硅棒的辐射传热利用率。却参与反应部分的气体至 650 和热辐射传热的热量) 和还原而由辐射传热计算公式( 1 ) 和总辐射系数 C1 2计算公式尾气带走的热量 Q3 ，这三部分的计算结果如表 6。表 6 不同炉型的还原炉还原电耗及各部分的分布情况( 2) 可知，提高硅棒的辐射传热利用率的途径有: ( 1) 提高还 原炉炉筒壁温; ( 2) 减小辐射面积; ( 3) 减小还原炉炉筒的发 射率。对于多晶硅生产来说通过减小还原炉炉筒的发射率应该能耗 /炉型Q1 0. 490. 8712 对棒Q2 45. 41356. 0581. 04Q3 10. 1418. 09Q1 0. 490. 9624 对棒Q2 40. 1150. 7479. 05Q3 10. 1419. 99Q1 0. 491. 0036 对棒Q2 38. 0348. 7278. 07( kWh / kg Si)还原电耗 Q /( kWh / kg Si)所占