多晶硅还原炉热量回收利用系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多晶硅还原炉热量回收利用系统，包括设置在还原炉外壁用于对炉壁冷却降温的还原炉冷却夹套，以及设置在还原炉上方的闪蒸汽包；所述还原炉冷却夹套下部设置有冷却水进口，上部设置有冷却水出口；所述闪蒸汽包包括汽包进水口和汽包出水口；所述汽包进水口通过工艺管道与冷却水出口相连，所述汽包出水口通过工艺管道与冷却水进口相连。其优点是：1)节能，对于10万吨规模装置，每年节省电能550度/吨*10万吨/年＝5500万度/年，按平均工业用电0.5元/度计算，可节省成本2750万元/年。2)安全性和稳定性有大幅的提升。3)系统结构简单，节省投资，更利于在产业上推广。

Heat recovery and utilization system and method of polycrystalline silicon reduction furnace

【技术实现步骤摘要】
多晶硅还原炉热量回收利用系统及方法
本专利技术涉及西门子法生产多晶硅
，是一种多晶硅生产中的热量回用工艺。
技术介绍
自多晶硅生产技术进入中国以来，随着产能扩大，多晶硅市场竞争日趋激烈，促使企业节能减排提质。多晶硅生产消耗电能，维持化学反应所需的硅棒表面温度为1000～1100℃。硅棒热能以热辐射与热对流的方式传递到还原炉炉壁，还原炉炉壁为金属材质(316L)，不能承受高温，需要对炉壁冷却，冷却炉壁介质的热能要回收利用。热能回收利用工艺发生过两次重大改变。第一次工艺变化，冷却介质由原冷却油变为冷却水，并采用循环水或空冷器转移高温冷却水中的热能，冷却后的高温水通过离心泵输送回还原炉，冷却还原炉，被加热的高温水进入空冷器或循环水冷却，形成循环。第二次工艺变化，高温水降温方式由直接冷却，变为闪蒸降温(高温高压的水减压时会产生低压的饱和蒸汽与低温的饱和水，从而达到降温的目的)，闪蒸蒸汽去精馏或其他需要热量的装置换热冷凝后产生的冷凝水回闪蒸槽与闪蒸后的水混合，通过高压循环泵加压去还原炉，冷却还原炉，被加热的高温高压水又再次进入闪蒸槽降压，以此循环(见图1)。该方案目前几乎被所有多晶硅厂家采用。注：参考文献1、陈宏伟许晟一种多晶硅还原炉水系统热能回收系统及工艺，专利号：CN201310404782.02、张世良，蔡永明，王代鹏等多晶硅还原炉高温冷却水闪蒸装置的应用探索2019.09科学技术创新3、张新红还原炉冷却水工艺优化2019.03有色金属设计第46卷第I期该工艺流程完善，热量利用充分，但也存在缺陷，1)工艺采用变压的方式，需要电能驱动高压循环泵对冷却水加压，按统计，生产能力大于2万吨多晶硅/a的生产装置，高压循环泵消耗的电能为500～600Kw·h/T多晶硅，生产能力小于2万吨多晶硅/a的生产装置，高压循环泵消耗的电能为600～800Kw·h/T多晶硅。2)系统存在安全隐患，例如一旦停电，高压循环泵停止运行，还原炉将会因为缺冷却水，温度升高。虽然工艺上采取了高压循环泵配应急电源(柴油发电机)，防止停电，但在实际过程中，柴油发电机启动速度较慢，从停电到高压循环泵送上应急电启动送冷却水，之间间隔＞2分钟。这不仅会严重影响产品的质量，还可能导致还原炉炉壁温度过高引起安全事故。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的多晶硅还原炉热量利用能耗高，安全隐患大的问题，本专利技术提供了一种多晶硅还原炉热量回收利用系统。本专利技术所采用的技术方案是：多晶硅还原炉热量回收利用系统，包括设置在还原炉外壁用于对炉壁冷却降温的还原炉冷却夹套，以及设置在还原炉上方的闪蒸汽包；所述还原炉冷却夹套下部设置有冷却水进口，上部设置有冷却水出口；所述闪蒸汽包包括汽包进水口和汽包出水口；所述汽包进水口通过工艺管道与冷却水出口相连，所述汽包出水口通过工艺管道与冷却水进口相连。本专利技术的工作原理如下：来自闪蒸汽包的带压饱和水在由上方的闪蒸汽包向下进入冷却水进口的过程中，高度逐渐降低，压强逐渐增大，形成高压冷却水；高压冷却水进入还原炉冷却夹套与还原炉产生换热，温度逐渐上升，并且由于高压冷却水是由还原炉的下部往还原炉上部流动(开车时由蒸汽喷射泵提供动力，形成自循环后将蒸汽喷射泵关闭)，高度逐渐增加，水的压强逐渐降低。在水的温度上升，压强降低的共同作用下，部分水发生汽化，流至冷却水出口时形成高温水。高温水汽化形成汽水混合物(汽含量3～5％)，致使其密度显著低于冷却水进口处的高压冷却水的密度，根据压力公式P＝ρgh，出口流体密度小，产生的压力小，进口流体密度大，产生压力大，因此在压力差作用下，进口的高压冷却水不断推动还原炉冷却夹套内的被加热的水往闪蒸汽包流动。由于闪蒸汽包安装在还原炉上方的一定垂直距离上，因此压强低于下部冷却水的压强，冷却水进入闪蒸汽包后闪蒸降温，产生带压饱和水和闪蒸蒸汽，带压饱和水再次由上方的闪蒸汽包向下进入冷却水进口，以此形成自循环。闪蒸蒸汽则由闪蒸蒸汽出口离开闪蒸汽包，去热量回收单元回收热量后再由蒸汽凝液进口回到闪蒸汽包成为带压饱和水。闪蒸蒸汽消耗的脱盐水，可通过外补脱盐水进行补充。作为本专利技术的进一步改进，所述闪蒸汽包的底部距还原炉的顶部的垂直距离为：工作状态下，所述冷却水进口处的冷却水与所述冷却水出口处的冷却水由于密度差异产生的压力差能够推动还原炉冷却夹套中的冷却水向上流动进入闪蒸汽包。根据本专利技术的工作原理能够理解，为了保证自循环的实现，闪蒸汽包的安装高度需要根据实际工艺中相关参数(主要是管道尺寸、冷却水循环量、还原炉放热量、闪蒸汽包操作温度和压强、冷却水进出口温差)进行确定，否则可能因为闪蒸汽包安装高度过低，管道、设备阻力过大，导致压力差无法推动冷却水进入闪蒸汽包。其实质是确保冷却水进口处液相与冷却水出口处液相的密度差产生的推动力＞设计冷却水流量下管道、设备产生的阻力。由此可知，闪蒸汽包的安装高度应当结合实际工艺来确定，只要能够保证在设定的工艺条件下冷却水能够由压力差推动进入闪蒸汽包形成自循环即可。其既可以通过有限的尝试确定(例如不断调整高度，直至满足条件为止)，也可以通过工程设计软件(如aspen等)计算获得。同理，当闪蒸汽包安装高度是给定的条件下，也可以以此为基础计算确定其他工艺参数(参见实施例)。作为本专利技术的进一步改进，汽包出水口与冷却水进口之间的工艺管道上设置有蒸汽喷射泵，所述蒸汽喷射泵与蒸汽管网相连。设置蒸汽喷射泵的作用是开车前使用形成强制循环，待还原炉正常运行形成自循环后，蒸汽喷射器即可关闭。作为本专利技术的进一步改进，所述闪蒸汽包还包括闪蒸蒸汽出口、蒸汽凝液进口和外补水进口。作为本专利技术的进一步改进，所述闪蒸汽包的底部距还原炉的顶部的垂直距离为15～20m。如上所述，具体值应当根据实际工艺条件尝试或计算获得。本专利技术还公开了一种多晶硅还原炉热量回收利用方法，包括以下步骤：S1：安装上述的多晶硅还原炉热量回收利用系统；S2：设定闪蒸汽包的操作压强和操作温度，闪蒸汽包内部冷却水为该温度和压强下的饱和水；S3：启动蒸汽喷射泵，来自闪蒸汽包的带压饱和水在蒸汽喷射泵的强制循环作用下进入还原炉冷却夹套，待形成自循环后，关闭蒸汽喷射泵。更佳的，还原炉冷却夹套的冷却水出口处的冷却水温度与冷却水进口处的冷却水温度之差＜20℃。由于冷却水进出口温差大会导致还原炉内的上下部温度差距大，还原炉内反应不均衡，易产生硅粉或菜花料。本工艺进出口温差由汽包与还原炉冷却夹套出水口位差确定，位差越大则温差越大，反之位差越小温差越小，不需要调节阀控制，位差控制在15～20m，则温差约为7～10℃。更佳的，所述闪蒸汽包的操作压强为0.2～4MPa，操作温度为120～250℃。具体可根据具体项目蒸汽平衡要求自行确定操作参数。本专利技术的有益效果是：1)使用密度变化产生推动力形成循环，取代使用离心泵强制循环，达到节能的目的，对于10万吨规模装置，每年节省电能550度/吨*10万吨/年＝5500万度/年，按平均工业用电0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多晶硅还原炉热量回收利用系统，其特征在于：包括设置在还原炉外壁用于对炉壁冷却降温的还原炉冷却夹套，以及设置在还原炉上方的闪蒸汽包；所述还原炉冷却夹套下部设置有冷却水进口，上部设置有冷却水出口；所述闪蒸汽包包括汽包进水口和汽包出水口；所述汽包进水口通过工艺管道与冷却水出口相连，所述汽包出水口通过工艺管道与冷却水进口相连。/n

【技术特征摘要】
1.多晶硅还原炉热量回收利用系统，其特征在于：包括设置在还原炉外壁用于对炉壁冷却降温的还原炉冷却夹套，以及设置在还原炉上方的闪蒸汽包；所述还原炉冷却夹套下部设置有冷却水进口，上部设置有冷却水出口；所述闪蒸汽包包括汽包进水口和汽包出水口；所述汽包进水口通过工艺管道与冷却水出口相连，所述汽包出水口通过工艺管道与冷却水进口相连。


2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉热量回收利用系统，其特征在于：所述闪蒸汽包的底部距还原炉的顶部的垂直距离为：工作状态下，所述冷却水进口处的冷却水与所述冷却水出口处的冷却水由于密度差异产生的压力差能够推动还原炉冷却夹套中的冷却水向上流动进入闪蒸汽包。


3.根据权利要求2所述的多晶硅还原炉热量回收利用系统，其特征在于：汽包出水口与冷却水进口之间的工艺管道上设置有蒸汽喷射泵，所述蒸汽喷射泵与蒸汽管网相连。


4.根据权利要求2或3所述的多晶硅还原炉热量回收利用系统，其特征在于：所述闪蒸汽包还包括闪蒸蒸汽...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗智心，
申请(专利权)人：罗智心，
类型：发明
国别省市：四川;51