江曲遠(yuǎn)

中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041

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多晶硅裝置還原/氫化布置設(shè)計(jì)優(yōu)化

江曲遠(yuǎn)*

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摘要還原/氫化廠房是多晶硅裝置最重要的單元之一，分析四種不同風(fēng)格的工藝包爐型(GT，PPP，MSA，SOLIMIC)的布置，找出值得研究的問題，歸納出廠房布置設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞多晶硅布置還原氫化設(shè)計(jì)

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，而多晶硅生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一還原爐的技術(shù)來源主要有美國的GT、PPP、德國的MSA、SOLIMIC和俄羅斯。爐子單體產(chǎn)能有12對棒、18對棒和24對棒，36對棒和48對棒逐步由更大產(chǎn)能的爐子替代。還原單體主要由五部分構(gòu)成：氣路系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、夾套及底盤冷卻系統(tǒng)、硅芯和爐體。工作原理如下：H2與SiHCl3混合氣體經(jīng)噴嘴進(jìn)入爐內(nèi)，氣體上升過程中形成穩(wěn)定的氣體射流，受硅芯表面阻力作用形成一定厚度的速度邊界層，通過控制HCl濃度，氣體通過邊界層向硅芯表面擴(kuò)散發(fā)生多晶沉積，徑向生長成符合要求的硅棒。

1還原/氫化廠房布置

還原/氫化是多晶硅工廠最重要的裝置之一，由8個(gè)系統(tǒng)單元組成：工藝氣路單元、加熱單元、冷卻水單元、變壓整流單元、通風(fēng)排氣單元、吊裝單元、潔凈單元、操作控制單元。如何使此區(qū)的布置設(shè)計(jì)滿足安裝、操作、維修、安全、生產(chǎn)管理等方面的要求顯得尤為重要。

由于國內(nèi)缺少成熟專利技術(shù)，建設(shè)單位從不同角度考量設(shè)計(jì)引進(jìn)。不同的工藝，有不同的布置特點(diǎn)，專利商的不同形成了不同風(fēng)格的還原氫化廠房?，F(xiàn)針對目前國內(nèi)常用的爐子(美國GT，美國PPP，德國MSA，德國SOLIMIC)分別進(jìn)行布置分析，從而找出共同點(diǎn)和值得研究的問題。

1.1GT還原/氫化

1.1.1工藝

GT的還原技術(shù)源于多晶硅的龍頭REC的生產(chǎn)技術(shù)，技術(shù)分流后形成的較為成熟的工藝。首先用泵從高純TCS貯罐將TCS打入還原提純塔，TCS混合氣從塔頂進(jìn)入提純塔冷凝器，冷凝后的液體進(jìn)入回流罐，用泵打入還原提純塔繼續(xù)提純。高純TCS經(jīng)汽化加熱后的工藝氣體進(jìn)入還原爐的匯流排，與氫氣、氮?dú)獾然旌虾笸ㄟ^還原爐噴嘴進(jìn)入還原爐進(jìn)行沉積反應(yīng)。產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過冷卻后送入CDI裝置進(jìn)行處理。

GT的氫化工藝與還原在整個(gè)流程上類似，但沒有提純塔。高純的STC經(jīng)汽化塔汽化加熱后通過總管再分配至回流排，與氫氣、氮?dú)獾然旌虾筮M(jìn)入氫化爐。產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過冷卻后送入CDI裝置進(jìn)行處理。

1.1.2布置

GT工藝廠房具體布置見圖1。

圖1　GT還原/氫化廠房

布置方案體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)還原廠房要求是10萬級潔凈，氫化為0.1萬級潔凈，從節(jié)能角度在還原廠房和氫化廠房之間設(shè)置隔墻和氣閘門。

(2)對一樓調(diào)控間進(jìn)行分區(qū)，并將冷卻水管道、風(fēng)機(jī)管道和夾套水裝置管道綜合布置。采用頂部三層送風(fēng)、頂部和二樓底部緊急抽風(fēng)的方式來保證廠房的潔凈度。

(3)根據(jù)冷卻器U型夾套材料為incolloy800貴重金屬的特點(diǎn)，將爐子與尾氣冷卻器直連。對通道、操作區(qū)、配管區(qū)進(jìn)行合理分區(qū)，避免零亂。同時(shí)保證爐子周圍270°空間無設(shè)施以利點(diǎn)火、硅棒的操作、觀察爐子的情況。

(4)為滿足建筑物泄爆面積(空間)要求，爐子周圍全部采用鋼格板。

1.2PPP還原/氫化

1.2.1工藝

PPP與GT技術(shù)類似，主要區(qū)別是沒有提純塔，一臺爐子對應(yīng)一臺TCS汽化器，單臺爐子控制操作性較強(qiáng)，但因?yàn)槭且粚σ魂P(guān)系，設(shè)備數(shù)量、管道數(shù)量就很多，在四種爐型中管道最復(fù)雜。工藝流程與GT類相近，這里不再贅述。

1.2.2布置

PPP布置應(yīng)考慮其工藝設(shè)備較多，管線多的特點(diǎn)。一層布置變壓器、調(diào)控柜間，中間為調(diào)控柜、電極水冷卻水管道區(qū)；二層為配管區(qū)、巡檢區(qū)、匯流排和操作區(qū)；三層布置汽化器、尾氣冷卻器，中間為爐區(qū)。全部的布置理念與GT布置等同，具體布置見圖2。

圖2　PPP還原/氫化廠房

1.3MSA還原/氫化

1.3.1工藝

從罐區(qū)將精制TCS打入還原TCS緩沖罐，與氫氣、氮?dú)饣旌虾蠼?jīng)多芯管夾套水冷卻，達(dá)到混合氣反應(yīng)溫度，再通過噴嘴進(jìn)入還原爐進(jìn)行沉積反應(yīng)。產(chǎn)生的尾氣通過夾套的另一根芯管冷卻后送至CDI裝置進(jìn)行處理。整個(gè)流程設(shè)備少，但每臺爐子管道卻相對復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥多，管線也較多。氫化設(shè)備與還原類似，在此不多介紹。

1.3.2布置

工藝包商提供的建議布置圖，MSA還原/氫化廠房采用雙層布置。根據(jù)不同業(yè)主的情況和需要，采用移動升降式平臺或固定平臺兩種方式來滿足硅棒的操作和爐子頂部的操作。一層布置夾套水、緩沖罐和泵，變壓器和調(diào)控間。二層為緩沖罐、匯流排、尾氣管道、風(fēng)管，中間為爐區(qū)，兩爐子中間為硅棒操作區(qū)、運(yùn)輸區(qū)。此種布置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)成本低，但MSA工藝管道、控制系統(tǒng)較多，爐子周圍比較凌亂，分區(qū)不太明確，效果不理想，具體布置見圖3。

圖3　MSA還原/氫化廠房

1.4SOLIMIC還原/氫化

1.4.1工藝

SOLIMIC工藝包應(yīng)該是最為簡單的，但控制系統(tǒng)卻相當(dāng)復(fù)雜。SOLIMIC還原和氫化工藝過程幾乎完全相同，不同的是工藝功能的不同，氫化爐和還原爐也完全一樣，工藝原理與MSA大致相同，在此不再重復(fù)描述。

1.4.2布置

SOLIMIC布置見圖4。從平面角度，一端為汽化器、水系統(tǒng)及空冷器部分，另一端為爐區(qū)。從立面角度，一樓為電纜區(qū)和檢修區(qū)，二樓為變壓器和調(diào)控柜區(qū)，三樓為爐區(qū)，四樓平臺用于硅棒的操作。由于尾氣夾套布置在室內(nèi)，夾套的溫度很高，散發(fā)熱量大，再加上爐子的熱量，整個(gè)廠房溫度較高，夏天尤甚。

圖4　SOLIMIC還原/氫化廠房

2廠房布置優(yōu)化分析

上面對四種不同風(fēng)格的爐型(GT，PPP，MSA，SOLIMIC)的工藝布置分別作了詳細(xì)描述，可以看出，不同的工藝，不同的理念，不同的爐型，在布置上是有所差異的。但是，通過工程實(shí)踐，綜合研究發(fā)現(xiàn)，雖然它們的布置理念沒有本質(zhì)的區(qū)別，但是它們各自的缺陷或多或少的存在。綜合歸納起來，還原/氫化布置值得研究的問題主要集中在幾個(gè)方面：① 各單元的合理分區(qū)；② 還原/氫化爐的合理支撐方式；③ 防爆層隔離墻的合理設(shè)置；④ 合理的廠房結(jié)構(gòu)(樓層的合理設(shè)置)；⑤ 爐子周邊管道的合理配管；⑥ 吊車的合理布置；⑦ 潔凈、通風(fēng)、排氣與連廊；⑧ 操作間、維修間、衣帽間、爐體放置區(qū)、衛(wèi)生間的安全設(shè)置和合理布置；⑨ 泄爆面積(空間)的保證措施；⑩ 風(fēng)管、水管、工藝管的布置整合。

如前所述，還原/氫化廠房是多個(gè)復(fù)雜單元的組合體，各單元的安全類別(介質(zhì)類別和單元裝置類別)也各不相同，使得廠房的布置設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。如果布置不合理，不僅不能滿足生產(chǎn)的需要，而且還會帶來安全隱患。在實(shí)施的十余個(gè)多晶硅項(xiàng)目的實(shí)踐中，通過對各種信息反饋綜合分析，獲取了一定的經(jīng)驗(yàn)。廠房布置設(shè)計(jì)優(yōu)化分析要點(diǎn)如下：

(1)對各個(gè)單元的安全類別(介質(zhì)類別和裝置單元類別)作出準(zhǔn)確界定，再對各單元實(shí)施布置綜合，相同安全類別的單元盡可能靠近布置，各類別間單元采用防爆層/隔離墻/普通墻等劃分成：還原區(qū)、氫化區(qū)、變壓整流區(qū)、爐子操作區(qū)、配管區(qū)、吊裝區(qū)、風(fēng)機(jī)區(qū)、輔助設(shè)施區(qū)等。滿足規(guī)范保證安全是布置設(shè)計(jì)的第一要素。

(2)還原/氫化廠房布置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是廠房樓層數(shù)的確定。無論何種爐型，一定要分兩層半(或三層)布置，一層布置變壓調(diào)控單元，冷卻水(含電極水)單元等公用輔助設(shè)施；二層(夾層)為配管操作區(qū)，位于三層的爐子的支撐點(diǎn)應(yīng)在二層(夾層)，一是使廠房力的作用點(diǎn)下移對廠房結(jié)構(gòu)有利，二是減少廠房振動防止倒棒；三層雙排布置爐子，兩排爐子之間為操作區(qū)，爐子與墻之間為爐子配管區(qū)，并在此層設(shè)置合理的操作室、更衣室、殼體放置區(qū)、連廊等。廠房的吊車務(wù)必要能保證爐殼體和硅棒的正常起吊。為保障潔凈要求，附屬設(shè)施盡可能布置在廠房邊沿兩側(cè)。

(3)有的項(xiàng)目送風(fēng)排氣單元相當(dāng)復(fù)雜。對送風(fēng)排氣方案進(jìn)行研究優(yōu)化，采用底部送風(fēng)/頂部抽風(fēng)，使有毒氣體在房間內(nèi)積聚的可能性減??；配管設(shè)計(jì)時(shí)將有毒有害氣體釋放源盡可能大比例置于室外。無論何種送風(fēng)排氣方案，一定要將此單元布置在廠房二層或三層的外側(cè)邊沿，送風(fēng)排氣管道要與工藝管道統(tǒng)一考慮，取風(fēng)口位置務(wù)必要在安全區(qū)。

3結(jié)語

不同的工藝，不同的爐型，就有不同的還原/氫化廠房布置。主要由工藝布置方案決定，也受制于各類安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等因素的影響。隨著多晶硅技術(shù)的進(jìn)步，廠房的“瘦身”方案和大型爐子的開發(fā)應(yīng)用正在研究中。希望盡早出臺專門針對多晶硅的相關(guān)專業(yè)規(guī)范等措施，使還原/氫化廠房的布置更規(guī)范合理。

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(收稿日期2015-06-17)

*江曲遠(yuǎn)：教授級高級工程師。1988年畢業(yè)于成都科技大學(xué)化學(xué)工程系無機(jī)化工工藝專業(yè)。長期從事石油化工裝置的布置管道設(shè)計(jì)和專業(yè)管理工作。聯(lián)系電話：(028)65530507，E-mail:jiianguquyuan@chengda.com。