多晶硅还原炉冷却水再利用技术

尹玉晶，周万礼

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

多晶硅还原炉冷却水再利用技术

尹玉晶，周万礼

（昆明冶研新材料股份有限公司，云南曲靖 655011）

提出一种将多晶硅还原炉高温冷却水用于溴化锂机组驱动热源的余热回收利用方案，能够有效的将冷却水余热进行利用，可适当降低多晶硅生产成本。

高温冷却水；溴化锂机组；多晶硅还原炉

在多晶硅生产过程中，主体设备还原炉反应温度高于1000℃，这些热能要通过空冷器、循环水等来进行冷却。同时，在制冷、换热等环节又要消耗大量的蒸汽，造成能耗的增加。将多晶硅还原炉高温冷却水用于溴化锂机组制冷［1］，进行操作优化和有效管理，不失为一种能源互补利用、降低多晶硅生产能耗的有效方法。

1 系统介绍

1．1 还原炉高温冷却水

还原炉是多晶硅生产中的关键设备，运行时炉内温度要控制在1050～1100℃之间，需要通过高温冷却水对炉筒及基盘进行降温。还原炉的大小、规格、材料各异，所使用高温冷却水的温度也有所不同。目前，温度较高的还原炉冷却水（进水温度130℃，回水温度150℃）多采用闪蒸制备低压蒸汽，温度较低的还原炉冷却水（进水温度80℃，回水温度90℃）则多采用直接冷却达到进水温度［2］。还原炉循环冷却水的温度需要严格控制，其进水温度过高或过低，都会影响多晶硅产品质量。

1.2 溴化锂机组制冷系统

在多晶硅生产中，冷冻水广泛应用于硅芯制备工序、各种通风系统冷源及取样柜等，因此，溴化锂机组也是多晶硅生产中的主要设备。溴化锂机组发生器内的驱动热源通常采用蒸汽或者高温水，在发生热交换之后需要不断消耗蒸汽或者给损失能量的高温水进行热量补充，因此，需要耗费大量的热能。经过改良的溴化锂热水二段机组，热源驱动可直接采用高温水，能够有效回收利用低温余热［3］。因此，可以将还原炉高温水作为溴化锂机组发生器的热源。

2 还原炉高温冷却水余热利用方法

2.1 设计思路

根据还原炉冷却水工艺参数及溴化锂机组驱动热源工艺参数要求进行热能互补回收利用设计。为避免两个系统运行中由于工艺参数波动造成运行不稳定等事故发生，在设计中，一方面保证还原炉高温冷却水循环系统与溴化锂机组热水循环系统可以独立运行、互不干扰，同时又能实现两个系统运行稳定时的快速切换。另一方面，在还原炉冷却水温度过低时，可以利用溴化锂机组进行加热，从而保证还原炉冷却水的供水温度。

2.2 工艺流程

还原炉高温冷却水余热利用工艺流程见图1。

从还原炉高温冷却水出口接一根管道至溴化锂机组的热水槽，在进口安装有调节阀，与热水槽液位计设计为连锁控制，同时从溴化锂机组出口接一根返回的管道至空冷器之后，使还原炉高温冷却水与溴化锂机组形成闭路循环回路，如图1中虚线所示。

图1 还原炉高温冷却水余热利用工艺流程Figure 1 Reduction furnace high tem perature cooling water waste heat recovery process

运行中，当从还原炉高温水至溴化锂机组的冷却水温度偏低，可自动切换通过蒸汽进行补充加热；如果还原炉高温水温度过低，不能满足溴化锂机组的高温水热源，可截断串联，采用蒸汽进行直接加热。同时在还原炉首次开炉过程中，由于还原炉高温冷却水温度过低，可通过换热器利用蒸汽进行加热，以保证还原炉高温水的进水温度。

2.3 节能计算

溴化锂机组独立运行时消耗的能量计量［4］：其中Q为溴化锂机组所消耗的能量，kJ／h；m热水为高温水质量，kg；cp为高温水的比热容，kJ／（kg ·℃）；Δt为高温水的温度差，℃；V水为高温水的流量，m3／h；ρ水为高温水的密度，kg／m3。

根据溴化锂机组生产应用情况，单台流量为：V水＝450m3／h。按照设计温差Δt＝10℃，取高温水密度ρ水＝971.8 kg／m3、高温水的比热容cp＝4. 195 kJ／（kg·℃），则2台溴化锂机组需要补充的能量为：2×450×971.8×4.195×10＝36690310 kJ／h。

如果采用0.4 MPa的饱和蒸汽进行加热，取饱和蒸汽的凝固热Hkg＝2133.8 kJ／kg［5］。

计算得出所需蒸汽用量为：36690310／2133.8＝17195 kg／h。

如果采用还原炉冷却水（进水温度80℃，回水温度90℃）作为发生器的驱动热源，根据实际生产可知，保持4台还原炉正常运行其冷却水的出水温度就能达到90℃，其冷却水流量达到1150 m3／h。按照设计温差Δt＝10℃，取冷却水密度ρ水＝965.3 kg／m3、冷却水的比热容cp＝4.208 kJ／（kg·℃），则还原炉冷却水产生的热能为：1150× 965.3×4.208×10＝46712798 kJ／h。

通过以上计算可知，4台还原炉冷却水提供的余热大于溴化锂机组2台在线时消耗的全部热能，完全能够保持2台溴化锂机组的热水供应，因而可以将用于2台溴化锂加热的蒸汽全部节约下来。

2.4 节能效果

还原炉在正常生产过程中，在线炉子均大于4台，其提供的余热完全能够满足溴化锂机组正常运行的热能驱动需求。还原炉高温水在独立循环过程中，主要通过空冷器进行冷却，空冷器电机功率为37 kW，如果将还原炉高温水进行利用，可节约空冷器电能消耗。蒸汽在实际生产中价格为160元／t，全年按照330天在线时间计算，每年在蒸汽上可节约的金额为17195×24×330×160／1000＝2179万元。

电价按照0.5元计算，用电可节约的金额为37×24×330×0.5＝14.6万元。

综合节约成本约2193.6万元。

3 工艺操作方法

3.1 利用溴化锂机组反向加热

还原炉开车主要通过外置加热器进行加热击穿，由于冷却还原炉的高温水温度较低，容易导致还原炉启动困难。此时，利用溴化锂机组热水系统的蒸汽进行反方向加热，能快速将还原炉高温水温度加热到设计要求，有效减少了还原炉开车时间。当还原炉高温水温度逐渐增加，能够满足冷冻水高温加热用水需要时，蒸汽流量慢慢减少，回到正方向加热。

3.2 还原炉高温冷却水进行溴化锂机组加热

当还原炉高温冷却水温度接近90℃时，即可启动两个系统之间的连接阀门，进行还原炉高温水对溴化锂机组加热。溴化锂机组高温水罐设计有液位计，并设有连锁控制，当系统串联调节达到稳定后，高温水槽液位与串联调节阀设为连锁，此时即可稳定操作。当溴化锂机组驱动热源不足时，增加蒸汽流量进行辅助加热，当还原炉高温冷却水温度过高时，启动空冷器进行辅助冷却。合理的系统设计，保证了两个独立系统既能有效串联运行，又能随时截断进行独立操作。

4 结论

提出了一种将多晶硅还原炉高温水用于溴化锂机组作为加热热源的方法，工艺具有可操作性，节能耗效果显著。经理论计算，该工艺技术用于多晶硅生产，每年可节约成本约2193.6万元。在目前多晶硅价格回归理性的情况下，加强生产管理和操作优化，将还原炉冷却水余热与溴化锂机组互补回收利用，是当前形势下多晶硅生产节能减排，降低成本的有效途径之一。

［1］ 董黎民，雷钦祥，刘成玲.多晶硅氢化炉及还原炉的研发［J］.节能与环保，2009（9）：35-36.

［2］ 四季春，梁利锴.多晶硅生产的节能降耗［J］.现代化工，2010（9）：5-9.

［3］ 田青，张宁宁，颜世雷，等.溴化锂机组低温余热制冷技术［J］.石油和化工节能，2009（1）：17-19.

［4］ 夏清，陈长贵.化工原理：上册［M］.天津：天津大学出版社，2006.

［5］ 陈中秀，顾飞燕，胡望明.化工热力学［M］.北京：化学工业出版社.2006.

Research on the Recycle Technology of Cooling Water from Polysilicon Reactor

YIN Yu-jing，ZHOUWan-li

（Kunming Metallurgy Research New－Material Co.，Ltd.Qujing655011，China）

A high－temperature polysilicon reduction furnace cooling water heat source for lithium bromide units driven heat recovery solution that can effectively use the waste heat to the cooling watermay be appropriate to reduce the cost of polysilicon production.

high－temperature cooling water；lithium brom ide units；polysilicon reduction furnace

TQ127.2

：A

： 1004-275X（2014）01-0053-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.015

收稿：2013-05-27

尹玉晶（1986-），女，云南腾冲人，主要从事多晶硅生产方面公辅系统的研究。