馮曉春

(新疆協(xié)鑫新能源材料科技有限公司，新疆 昌吉 830000)

引 言

在我國多晶硅生產(chǎn)工藝主要采用的是改良西門子法，該法會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物四氯化硅，為降低成本，把四氯化硅轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)多晶硅的原料三氯氫硅。各公司都加大了冷氫化工藝的研發(fā)，其中冷氫化流化床反應(yīng)器(FBR)發(fā)生氣固反應(yīng)后混合氣體中固體粉塵如何有效分離一直是制約系統(tǒng)長時間平穩(wěn)運(yùn)行的難題。當(dāng)流化床反應(yīng)器(FBR)出口粉塵顆粒分離效果變差時會直接使后續(xù)工序運(yùn)行情況急速變差，嚴(yán)重時需要緊急停車處理。目前國內(nèi)主要采用干法除塵和濕法除塵結(jié)合技術(shù)。干法除塵主要采用旋風(fēng)分離器，高效旋風(fēng)分離器可將大粒徑顆粒進(jìn)行分離，分離后的氣體顆粒粒度在5 μm以下的仍占總比例的80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)以上。為了達(dá)到更好的除塵效果，還需要采用濕法除塵即文丘里氣液旋風(fēng)除塵，文丘里除塵對顆粒粒度5 μm以下的除塵效率達(dá)95%以上，被廣泛應(yīng)用在冷氫化除塵工藝中。本文以某化工廠冷氫化裝置為例，闡述文丘里洗滌器工藝設(shè)計及相關(guān)實際應(yīng)用操作。

1 冷氫化生產(chǎn)工藝

冷氫化以SiCl4、H2、硅粉為原料，以氯化亞銅、銅合金等為催化劑，在一定的溫度、壓力、物料配比條件下，在流化床反應(yīng)器(FBR)中發(fā)生氣-固相反應(yīng)生成SiHCl3。從流化床反應(yīng)器(FBR)出口出來的混合氣體，經(jīng)除塵、洗滌、冷凝等相關(guān)操作后，冷凝物料送往提純工序，同時氫氣經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，返回系統(tǒng)繼續(xù)反應(yīng)。因此，該工藝顯著的特點是流程簡單、連續(xù)生產(chǎn)、物料閉路循環(huán)、對環(huán)境無污染。

主要發(fā)生如式(1)～式(3)反應(yīng)[1]。

主反應(yīng)：

3SiCl4+H2+Si=4SiHCl3

(1)

副反應(yīng)：

SiCl4+2H2+Si=2SiH2Cl2

(2)

2SiHCl3=SiCl4+SiH2Cl2

(3)

2 文丘里旋風(fēng)除塵工藝流程

2.1 冷氫化工藝中文丘里系統(tǒng)相關(guān)流程

冷氫化工藝中文丘里除塵主要包括文丘里洗滌除塵器、氣液旋風(fēng)分離器、循環(huán)泵、急冷塔等組成。流化床反應(yīng)器(FBR)發(fā)生氣固反應(yīng)，反應(yīng)后混合氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器將大粒徑顆粒粉塵進(jìn)行分離，然后再與流化床反應(yīng)器(FBR)進(jìn)口氣體通過換熱器進(jìn)行換熱降溫，降溫后的混合氣體經(jīng)過文丘里洗滌器進(jìn)行高效除塵洗滌后，再進(jìn)入氣液分離器。分離的液體通過氣液分離器底部連續(xù)排渣，確保氣液分離器內(nèi)液體的固含量在5%以下，氣液分離器中的氣體進(jìn)入急冷塔再進(jìn)行洗滌，凈化后的混合氣體進(jìn)入后系統(tǒng)再進(jìn)行深冷、分離，這樣就把流化床反應(yīng)器(FBR)反應(yīng)后生成的混合物中硅粉顆粒、氫氣和氯硅烷進(jìn)行有效的分離，從而進(jìn)行循環(huán)利用。

2.2 主要參數(shù)

文丘里操作溫度：180 ℃～250 ℃；

文丘里操作壓力：2.2 MPa～2.5 MPa；

混合氣循環(huán)量(標(biāo)準(zhǔn)狀況計)：30 000 m3/h。

混合氣體組成見表1，粉塵的組成和分布見表2、表3。

表1 混合氣體組成(濕基)

表2 粉塵的組成

表3 粉塵粒徑分布

3 文丘里旋風(fēng)除塵相關(guān)設(shè)計

3.1 文丘里工作原理

流化床反應(yīng)器(FBR)發(fā)生氣固反應(yīng)(反應(yīng)溫度為525 ℃～540 ℃)，反應(yīng)后混合氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器將大粒徑顆粒粉塵進(jìn)行分離，然后再與流化床反應(yīng)器(FBR)進(jìn)口氣體通過換熱器進(jìn)行換熱降溫，這時溫度控制在180 ℃～250 ℃，降溫后的混合氣體在文丘里喉管中氣速加快，液相同時霧化成更小的液滴狀態(tài)，混合氣中的微小塵粒與霧化的液滴碰撞凝聚在一起成為較大顆粒，然后依靠重力含塵液滴與氣相分離。文丘里洗滌工藝流程中高溫(180 ℃～250 ℃)混合氣進(jìn)入文丘里洗滌器，為保證液相霧化后不被汽化，液相分上下兩路進(jìn)入文丘里，上路液相噴淋先將高溫混合氣冷凝成飽和混合氣，下部液相噴淋在喉管上部，喉管中與飽和混合氣中的微顆粒碰撞結(jié)合，然后進(jìn)入氣液分離罐進(jìn)行氣液分離，含塵液相由分離罐底排出系統(tǒng)，進(jìn)行下一個提濃處理工序，凈化后氣相進(jìn)入洗滌塔進(jìn)行二次除塵處理。

3.2 文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)[2]

該項目文丘里主要由急冷罐(即收縮段)、溢流罐(即擴(kuò)散段)、氣液分離罐、噴嘴、喉管等組成。

3.2.1 收縮段

收縮段為變徑圓筒性結(jié)構(gòu)，采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理，具有良好的耐磨損性能，其中部設(shè)有循環(huán)噴頭，直接與工藝管線相連。

收縮段截面積計算見式(1)。

A1=Qt1/u1

(1)

式中：A1為收縮段進(jìn)行短截面積，m2；Qt1為在溫度t1下的進(jìn)口氣體流量，m3/s；u1為收縮段進(jìn)氣端氣體流速，m/s。

收縮段長度計算見式(2)。

L1=0.5(d1-d2)/tan(α1/2)

(2)

式中：L1為收縮段長度,m；d1為收縮段進(jìn)氣端截面直徑,m；d2為喉管截面直徑,m；α1為收縮角,(°)。

3.2.2 喉管

喉管為圓筒性結(jié)構(gòu)，采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理，具有良好的耐磨損性能。

喉管截面積計算見式(3)。

A0=Qt1/u0

(3)

式中：A0為喉管截面積,m2；Qt1為在溫度t1下的進(jìn)口氣體流量,m3/s；u0為喉管進(jìn)氣端氣體流速,m/s。

喉管長度計算見式(4)。

L2=(0.15～3.0)d2

(4)

式中：L2為喉管長度,m；d2為喉管直徑,m。

3.2.3 擴(kuò)散段

擴(kuò)散段為變徑圓筒性結(jié)構(gòu)，采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理，具有良好的耐磨損性能。

擴(kuò)散段出口截面積計算見式(5)。

A2=Qt2/u2

(5)

式中：A1為收縮段進(jìn)行短截面積,m2；Qt2為出口溫度在t1下的氣體流量,m3/s；u2為收縮段進(jìn)氣端氣體流速,m/s。

擴(kuò)散段長度計算見式(6)。

L3=0.5(d3-d2)/tan(α2/2)

(6)

式中：L3為擴(kuò)散段長度,m；D3為擴(kuò)散段出口截面積,m2；α2為擴(kuò)張角，取6°～7°。

3.2.4 循環(huán)管噴嘴

循環(huán)液通過噴嘴霧化然后充滿喉管，這些液滴不僅起到降溫的作用，而且有效地捕捉混合氣體中的顆粒粉塵。循環(huán)液噴管由進(jìn)液管和噴嘴組成，進(jìn)料管和噴嘴用螺紋連接，進(jìn)料管和噴嘴表面用燒結(jié)碳化鎢硬化處理。噴嘴管用插入式，方便檢修時拆卸檢查。

3.2.5 氣液比

氣液比[3]對文丘里除塵有重要作用，不僅能有效提高除塵效率，還可以避免動力能耗的浪費，是影響文丘里除塵壓降的重要參數(shù)。氣液比可以根據(jù)以往經(jīng)驗值或通過計算公式得出。

根據(jù)工程設(shè)計操作要求：

氣液比：0.3 L/m3；壓力降：60 kPa；喉管長度：20 cm；收縮管長度：0.8 m；收縮角:25°；擴(kuò)大管長度：1.2 m；擴(kuò)張角：8°；循環(huán)液噴淋量:45 t/h(噴嘴形式為螺旋噴頭)；除塵效率：≥95%。

3.3 氣液旋風(fēng)分離器工作原理

混合氣中的塵粒在喉管中與液滴碰撞凝聚在一起，在文丘里擴(kuò)大段由于液滴表面張力作用小液滴繼續(xù)凝聚成較大液滴，將液體分離出來較容易實現(xiàn)，但處理液體分離過程中的霧沫夾帶、液膜損失是氣液分離的重點。文丘里擴(kuò)大段后與氣液旋風(fēng)分離器連接，入口管位置設(shè)置在距分離器上邊沿1/3處，液滴在離心力作用下被甩向分離器壁面，就會與壁面的液膜聚結(jié)在一起，由于液膜質(zhì)量變大，液滴不太可能離開壁面重新夾帶進(jìn)入氣相中，消除霧沫夾帶；氣液旋風(fēng)分離器設(shè)置頂部撇液筒、防蠕動邊裙結(jié)構(gòu)，可有效避免液膜損失；旋風(fēng)漩渦會帶動液面旋轉(zhuǎn)，液體中固相顆粒因離心力作用，在液體中聚集在錐部漩渦，可根據(jù)工藝要求，將液相旋風(fēng)錐部固含量溶液通過汽液旋風(fēng)底部由壓力輸送至下一步工序。

3.4 氣液旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

氣液旋風(fēng)分離器為變徑圓筒結(jié)構(gòu)，材質(zhì)采用Q345R材質(zhì)內(nèi)壁燒結(jié)碳化鎢硬化處理，具有良好的耐磨損性能。

4 現(xiàn)場操作中注意事項

4.1 文丘里入口溫度控制

文丘里內(nèi)部噴淋過程，金屬雜質(zhì)氯化物易結(jié)晶堵塞喉管，導(dǎo)致文丘里壓降增加，從而增加系統(tǒng)循環(huán)能耗。冷氫化流化床反應(yīng)器(FBR)工藝中氫氣和氯硅烷比值為2∶1,文丘里混合氣中金屬鋁雜質(zhì)氯化物在低于155 ℃時容易結(jié)晶，堵塞文丘里喉管，所以在實際操作中要嚴(yán)格控制文丘里入口溫度。

4.2 文丘里喉管氣速控制

在冷氫化系統(tǒng)中循環(huán)量和循環(huán)泵噴淋量的波動將影響文丘里喉管氣速，氣速過低時霧化不完全，氣速高時顆粒粉塵捕集難度增加，除塵效果變差，因此喉管的氣速控制在30 m/s～60 m/s比較合適。

4.3 排渣控制

文丘里旋風(fēng)洗滌器液位由循環(huán)噴淋量和排渣量來控制，當(dāng)排渣量過大時造成后續(xù)負(fù)荷增大，排渣量過小時除塵消耗變差，現(xiàn)場操作時要嚴(yán)格控制排渣量保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，因排渣溶液中存在固體顆粒容易造成管線、閥門磨損，所以閥門和管線要考慮采用耐磨損材質(zhì)。

5 結(jié)語

文丘里旋風(fēng)洗滌器具有高效的除塵效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)成熟可靠，可以大幅度降低后續(xù)工序中粉塵含量，除塵效率在95%以上，阻力壓低壓為60 kPa。文丘里和氣液旋風(fēng)分離器結(jié)合設(shè)計，有效避免高氣速和液氣比下出現(xiàn)的霧沫夾帶和液膜損失，可將已分離出的液相中的固體進(jìn)一步凝聚，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

冷氫化系統(tǒng)循環(huán)量在正常操作的10%上下波動時除塵效率在95%以上，當(dāng)循環(huán)量超出范圍時工作效率會明顯下降。