多晶硅生產冷卻循環水系統及水質控制技術

段 超，王會林，裴 蕾，孫 強，2，張曉偉，張 征，楊 棟

(1.洛陽中硅高科技有限公司,河南 洛陽 417023;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

多晶硅生產工藝目前主流工藝為改良西門子法,隨著技術的不斷優化升級,其工藝環節的優化節能,也變得更為復雜。多晶硅生產過程主要包括原料三氯氫硅的制備與提純、三氯氫硅氫還原以及還原尾氣的干法回收等。在整個生產過程中,主要的提純系統及還原尾氣系統需要利用冷卻循環水系統對物料進行降溫,以滿足生產要求的參數指標。多晶硅生產過程的配套循環水系統一般分為開式循環水系統和閉式循環水系統,其主要的工藝流程及水質控制措施存在一定的差異。

1 開式循環水系統

1.1 工藝流程

開式循環水系統主要用在原料轉化以及提純、還原尾氣冷卻以及高溫泵的冷卻等對水質要求不高的生產工序,補水來源一般為工業軟化水,也可直接使用河水、電廠中水等。多晶硅配套的開式循環水系統與其他工業行業的原理基本一致,其主要工藝部件包括循環水池、循環水泵、管路、用水設備、冷卻塔及旁濾系統等,其設備連接件圖見圖1。

圖1 開式循環水系統設備連接簡圖

用離心清水泵抽取循環水池中的循環水,增壓后送入全廠地下循環水主管網,至原料、提純、還原等車間,各車間的回水至廠區地下回水管網后直接送入位于循環水池上部的冷卻塔進行冷卻,冷卻塔一般為機械能風機,如回水壓力滿足配置水能風機工藝條件的,應盡可能配置水能風機,以節約能耗;冷卻塔采用填料式冷卻塔,使回水經噴頭至冷卻塔內依托填料均勻分布,增大與空氣的換熱面積,以達到較好的冷卻效果。整個循環水系統必須配置旁濾系統,對循環水循環過程進入系統內的灰塵等固體雜質進行過濾,保證循環水濁度達標。另外循環水系統回水總管應配置pH 在線監測裝置,以便在工藝換熱器發生氯硅烷泄漏進入循環水系統時,能及時發現并采取相關措施,如條件允許可在各主要車間回水管道設pH監測,以便泄漏時更加精確判斷泄漏車間。

1.2 水質的控制

循環冷卻水在運行過程中,補充水不斷進入冷卻水系統,補充水中的一部分水蒸發進入大氣,另一部分則留在冷卻水中被濃縮,并發生一系列的變化,如CO2含量降低、堿度增加、pH 值升高、濁度增加、溶解氧濃度增大、物料泄露物進入、微生物滋生等。實踐表明,用水設備的腐蝕、結垢和微生物生長與冷卻水的水質有著密切的關系,同時循環冷卻水系統在正常運行時使用的水質穩定劑是否能發揮其最佳作用與冷卻水的水質也有著十分密切的關系。因此,在日常運行中需要對循環冷卻水進行監測和控制,其控制指標見表1[1]。

表1 水質控制指標及分析頻率

在日常水質控制過程中為了緩解管路及用水設備的結垢和腐蝕,以及系統中藻類的滋生,需要對循環水日常運行水質進行跟蹤,進行全面分析,并選擇適合的水處理藥劑進行投加,傳統水處理行業需要投加緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑[2-3]。目前磷系配方緩蝕阻垢劑被廣泛使用,磷系藥劑投加后,待循環水排污時會對外部水體造成一定的污染,目前我國大部分被污染水體均存在富氧化的問題,因此在循環水選擇藥劑時要將成本與環保綜合考慮。

2 閉式循環水系統

2.1 工藝流程

多晶硅配套的閉式循環水系統就是冷卻水在一個密閉的系統中循環運行,其吸收的工藝熱量通過一密閉式的冷卻塔將熱量釋放至大氣中,內部循環水基本不與空氣接觸、不受陽光照射、密閉循環時補充水量極少,常采用除鹽水或者電阻率為5 的純水作為內部循環介質。在多晶硅生產過程中閉式循環水的冷卻工藝對象主要為還原爐的電極等高溫部件,還原爐電極是重要的導電部件,從爐底盤進入爐內,其電極四周靠四氟套進行絕緣及密封,因此電極的有效冷卻是還原爐正常運行的保障。還原爐正常運行時爐內溫度最高達到1 100 ℃以上,與開式循環水系統相比,閉式循環水系統組成更加復雜,除了保證正常運行時的冷卻效果外,還要考慮循環水系統突然斷流(如水泵跳停等),還原爐急停后電極部件的應急冷卻降溫等。閉式循環水冷卻系統主要部件包括:循環水泵、閉式冷卻塔、高位安保水箱、用水設備、應急低位水箱、應急補水泵、應急連鎖自動開關閥、自動補水線,其設備連接簡圖見圖2。

圖2 閉式循環水系統工藝流程圖

系統在正常運行時的工藝路線為循環水泵出口→閉式冷卻塔→高位安保水箱→用水設備→循環水泵進口。設在高處的系統高位水箱保持高液位運行(補水線設定與高液位連鎖,根據水損失量自動補水);低位水箱保持低液位運行,在循環水泵的進口(回水總管)處設置不少于兩個應急放水閥,接至低位水箱,其大小取決于高位水箱的容積及設備所需的應急延時時間,應急放水閥在正常運行時要與水泵的運行狀態、回水的壓力進行連鎖。當閉式循環泵出現故障跳停,系統斷流時,設定的水泵狀態或回水壓力升高,連鎖被觸發,連鎖兩應急開關閥自動打開對空,高位安保水箱所存的大量水會在重力的作用下經用水設備自流進入低位水箱,可保證在水泵跳停的狀況下用水設備內還有循環水流動,帶走高溫設備熱量,從而達到降溫目的。在此期間,供水車間有足夠時間開啟備用泵,向高位水箱繼續進水,備用泵開啟后,將應急開關閥關閉;如果無備用泵或備用泵無法開啟,此時在應急開關閥打開后將高溫設備停止運行,靠重力自流的水,足以將設備高溫余熱帶走,保證設備安全停運。待系統恢復運行后,單獨設置的補水泵將應急狀態時流入低位水箱的水,重新打入閉式循環泵的進口。

2.2 水質控制

該閉式循環水系統內部循環介質以及補水的電阻率至少達到5,為EDI 制水系統產水。因其整個系統為密閉系統,因此相對于開式系統來講其水質控制較為容易,其日常監控指標為:pH 值7～9,電導率≤8 μS/cm,硬度(以碳酸鈣計)≤2 mg/L。閉式循環水系統雖然為閉式系統,但隨著水在系統中不斷的循環,水質也會逐漸地變差,因此需要定期對水樣進行檢測,一般每周不少于2 次,如發現水質超過控制指標,應及時進行置換。特別是有新系統或新管道投運時,要對水質進行特別關注。此外,為提高冷卻效率,通常使用噴淋泵將閉式冷卻塔底部軟水加壓,通過布水器均布,再采用冷卻塔頂部風機加速蒸發,因為噴淋水中鈣鎂離子易濃縮,易在布水器及冷卻器盤管上結垢,因此需要定期清理,保證傳熱效果。

3 水質控制新技術

3.1 無磷配方除垢劑

隨著水處理藥劑行業的不斷發展,近些年無磷藥劑的配方也得到了一定的發展,出現了一些新的產品。雖然無磷配方較有磷配方使用成本較高,但從長遠及環保角度考慮,應優先使用無磷配方。另外,為保證藥劑投加量的準確性及連續性,還有作業人員的安全,水質處理藥劑的投加應當盡可能的使用自動投加設備投加,盡量避免人工粗放投加。

3.2 電子除垢儀

在噴淋泵出水管道上安裝電子除垢儀,通過線圈電流產生感應式的交替磁場,使水中的鈣鎂離子處于高速運動狀態,難以沉積在管壁上從而有效阻止水垢形成[4]。此外,在高頻電磁能量的作用下,水的狀態發生改變,由飽和態變成高溶解狀態,已有的水垢還可以溶于該狀態的水中從而達到除去老垢的目的。

3.3 新型防垢防腐蝕合金材料

新型防垢防腐蝕合金材料通過不同組分的適當配比,使金屬材料具備特殊的防腐防垢性能。當循環水流經過該合金制備的設備時,該合金作為電化學催化體,使水溶液發生電化學催化作用,從而改變水的靜電位,水分子被極化而處于能量較低的穩定狀態[5]。水中的結垢物質CaCO3、Ca(HCO3)2、Mg-CO3等高硬度物質,在極化水中具有更大的溶解度,因此以顆粒物質存在于水中。極化水環境改變了鈣鎂離子的水解度和半徑,使碳酸鈣傾向于在水中成膜而不是形成堅固穩定的水垢,粘附于器壁的固相顆粒膜可隨水排出,防止結垢;此外,老水垢浸泡在這種極化水中,可以逐漸溶解從而達到除垢的效果。

4 結語

本文介紹了多晶硅企業配套循環水冷卻系統及其水質控制工藝,并對幾種水質控制的新措施進行了介紹,這些新措施具有符合國家環保需求、降低防腐除垢藥劑費用、減少排污水量、減少甚至消除冷卻塔及設備清洗頻次的優點。因此,采用水質控制新技術,雖一次投入較大,但可以較快回收前期投入,基本為一次性投入;傳統的藥劑處理工藝,需要定期購置藥劑,并進行日常存放管理、投加,在使用過程中還會對操作人員的身體健康以及外部環境造成一定的影響。新型電子、新材料等處理工藝應該是未來循環水場水質控制技術的發展方向,因此,在新廠建設及技改項目中,為達到更好的經濟效益及環保效益,應盡量選用新技術。