多晶硅裝置用氫氣壓縮機(jī)設(shè)計分析

趙玉忱 潘峰 張士永 金鑫

【摘 要】生產(chǎn)出符合太陽能級或電子級要求的多晶硅要求氫氣介質(zhì)的純度極高，不允許摻入任何雜質(zhì)或其它氣體。為保證多晶硅氫氣壓縮機(jī)工作時介質(zhì)的純度，使?jié)櫥?、水等雜質(zhì)不與介質(zhì)接觸，本文在設(shè)計階段開展了多晶硅氫氣壓縮機(jī)的密封、腐蝕等方面的研究工作，經(jīng)過充分研究、論證和分析，得出了在設(shè)計階段需要關(guān)注和解決的設(shè)計和工藝問題的關(guān)鍵所在，為設(shè)計滿足使用要求的多晶硅氫氣壓縮機(jī)提供了保證。

【關(guān)鍵詞】多晶硅壓縮機(jī) 填料 接筒 刮油器 冷卻器

【Abstract】 In recent years， with the rapid development of science and technology， polysilicon industry entered the stage of rapid growth of polysilicon industry in China has entered a new development platform.For meet the needs of the polycrystalline silicon solar energy level or electronic level， the purity of hydrogen gas medium is extremely high， does not allow mixed with any impurities or other gases， we adopted polysilicon hydrogen compressor design.Polysilicon hydrogen compressor design should not only guarantee the purity of medium， the lubricating oil， water and other impurities not contact with the media， but also guarantee the sealing of the process of medium makes it no lubricating oil or environmental pollution.But also in the design of back problems and matters need to pay attention to， in this paper， the polysilicon hydrogen compressor design were discussed， and some matters needing attention.

【Key words】poly compressor ；packing ；cylinder ；scraping the oil ；cooler

1 前言

目前國際上高純多晶硅制備方法主要采用的是改良西門子法（閉環(huán)式三氯氫硅氫還原法）和新硅烷法兩種化學(xué)方法。其中，改良西門子法在全球份額占80%以上。改良西門子法的生產(chǎn)流程是利用氯氣和氫氣合成HCl（或外購HCl），HCl和冶金硅粉在一定溫度下合成SiHCl3，分離精餾提純后的SiHCl3進(jìn)入氫還原爐被氫氣還原，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）反應(yīng)生產(chǎn)高純多晶硅。大體可分為6個生產(chǎn)環(huán)節(jié)：SiHCl3合成、SiHCl3精餾提純、SiHCl3的氫還原、尾氣的回收以及SiCl4的氫化分離，而氫氣壓縮機(jī)在整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中有著至關(guān)重要的作用，是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。

2 多晶硅氫氣壓縮機(jī)設(shè)計要求

為生產(chǎn)出符合太陽能級或電子級要求的多晶硅，氫氣介質(zhì)的純度要求極高，不允許摻入任何雜質(zhì)或其它氣體。油脂和水分對多晶硅的危害十分嚴(yán)重，實(shí)踐證明，整個工藝系統(tǒng)幾ppm的油含量就可能造成多晶硅反應(yīng)速度減慢，產(chǎn)量降低，甚至硅反應(yīng)停止。而水中含有大量的氯離子，氯離子對多晶硅的反應(yīng)十分敏感。所以多晶硅氫氣壓縮機(jī)除油、脫脂及禁水特別重要。

多晶硅氫氣壓縮機(jī)介質(zhì)中除H2外還含有HCl、SiHCl3及SiCl4，這三種介質(zhì)都屬于有毒物質(zhì)。其中HCl遇水有強(qiáng)腐蝕性；SiHCl3遇明火強(qiáng)烈燃燒，受高熱分解產(chǎn)生有毒的氯化物氣體。與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，有燃燒危險。易揮發(fā)，在空氣中發(fā)煙，遇水或水蒸氣能產(chǎn)生熱和有毒的腐蝕性煙霧；SiCl4受熱或遇水分解放熱，放出有毒的腐蝕性煙氣。對環(huán)境污染嚴(yán)重，用于傾倒或掩埋SiCl4的土地將變成不毛之地，草和樹都不會在這里生長。而且如果壓縮介質(zhì)通過填料泄漏至曲軸箱，將使?jié)櫥桶l(fā)黑、變質(zhì)，長期運(yùn)行導(dǎo)致軸瓦、曲軸、十字頭等件磨損嚴(yán)重，降低使用壽命。

綜上所述，多晶硅氫氣壓縮機(jī)設(shè)計時不僅要保證介質(zhì)的純度，使?jié)櫥?、水等雜質(zhì)不與介質(zhì)接觸，還要保證工藝介質(zhì)的密封性，使其不對潤滑油或環(huán)境造成污染。

3 多晶硅氫氣壓縮機(jī)特殊結(jié)構(gòu)

3.1填料結(jié)構(gòu)

填料的作用為防止氣缸內(nèi)的工藝介質(zhì)沿著氣缸與運(yùn)動著的活塞桿外圓面之間的間隙向外泄漏，主要由填料盒及填料環(huán)組成。多晶硅氫氣壓縮機(jī)的填料除了滿足密封性，還應(yīng)保證工藝介質(zhì)不被潤滑油、水等雜質(zhì)污染，主要從以下幾方面考慮：

⑴填料不允許注油潤滑，填料環(huán)采用四氟無油潤滑元件。由于壓縮介質(zhì)中含有硅粉，壓縮機(jī)運(yùn)行過程中硅粉顆粒會進(jìn)入氣缸填料，加速密封環(huán)的磨損，降低環(huán)的使用壽命。故填料環(huán)的材質(zhì)需保證具有良好的導(dǎo)熱性及自潤滑性，以提高其使用壽命。

⑵為徹底消除介質(zhì)被冷卻水污染的可能性，填料盒不能通水冷卻。為導(dǎo)走填料產(chǎn)生的摩擦熱，需將填料盒全部安裝在氣缸缸座中，采用缸座通水冷卻的方式將熱量導(dǎo)走。

⑶為保證介質(zhì)的純度，防止氮?dú)饣蚱渌橘|(zhì)進(jìn)入氣缸內(nèi)，填料不能像普通煉油用氫氣壓縮機(jī)一樣設(shè)置充氮保護(hù)口，但為阻止氣缸內(nèi)介質(zhì)泄漏至接筒隔室，需設(shè)置充氫口。另外還需設(shè)置漏氣回收口，收集泄漏出來的氫氣（充入的氫氣）及微量工藝氣，匯集至漏氣回收集液罐后統(tǒng)一排放火炬。對于多級壓縮的排氣壓力相對較高（≥1.6MPa）的壓縮機(jī)，可以將高壓級填料設(shè)置一個漏氣回一級接口，以減少工藝介質(zhì)的外泄漏量，節(jié)省運(yùn)行成本。見圖1。

圖1 填料結(jié)構(gòu)

（4）為保證密封性，相同壓力條件下多晶硅氫氣壓縮機(jī)的填料密封環(huán)組數(shù)要較普通壓縮機(jī)多2-3組。對于密封環(huán)的形式，在排氣壓力<2.6MPa時，主密封環(huán)一般采用徑向環(huán)-切向環(huán)組合，而漏氣回收位置一般采用雙切向環(huán)組合，可實(shí)現(xiàn)雙向密封。壓力≥2.6MPa時，通常在高壓側(cè)設(shè)置一個節(jié)流環(huán)用于節(jié)流降壓，主密封環(huán)采用徑向環(huán)-切向環(huán)-阻流環(huán)組合，阻流環(huán)的作用是防止密封環(huán)（切向環(huán)）在高壓作用下發(fā)生冷流，阻流環(huán)材質(zhì)采用PEEK。

3.2接筒結(jié)構(gòu)

接筒是氣缸與中體的中間隔距件，作用是防止油、氣接觸及安裝密封部件 。為徹底杜絕油、氣接觸，多晶硅氫氣壓縮機(jī)的接筒采用API618規(guī)定的C型長/長雙隔室結(jié)構(gòu)，即每個隔室密封元件間的凈距離都要大于一個行程，活塞桿上不應(yīng)有任何部分交替進(jìn)入刮油器、中間分隔填料和氣缸壓力填料。見圖2。

（1）接筒中間帶有隔板，并設(shè)置中間填料密封，填料組件須足夠長，可將兩個間隔室完全分開，防止工藝氣體通過中間接筒向曲軸箱泄漏。中間填料設(shè)置充氮口，充氮壓力可通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)為0.08-0.1MPa。

（2）曲軸箱側(cè)隔室的活塞桿上面設(shè)置擋油盤（材質(zhì)為鋁合金），氣缸側(cè)隔室內(nèi)的活塞桿上面設(shè)置擋油圈（材質(zhì)為硅膠），防止一旦刮油器失效，潤滑油通過活塞桿“爬入”氣缸污染介質(zhì)。

（3）兩隔離室必須設(shè)有相互獨(dú)立的放空口，從主填料泄漏的工藝氣體可從氣缸側(cè)隔室排放 到室外，不會進(jìn)入機(jī)身側(cè)。

（4）兩隔離室均設(shè)置充氮管線，吹掃填料泄露的氫氣及微量工藝氣，防止工藝氣進(jìn)入曲軸箱污染潤滑油。同時充氮管線并分別配有止回閥，防止工藝介質(zhì)侵入到氮?dú)庀到y(tǒng)中。隔室充氮壓力經(jīng)過減壓閥減壓后一般設(shè)置為0.05MPa。

（5）接筒與中體連接面處安裝刮油器，為杜絕油氣與隔室內(nèi)氣體混合，刮油器需設(shè)置充氮口，充氮壓力可設(shè)定為0.05MPa。同時設(shè)置氮?dú)饣厥湛?，接至回收罐進(jìn)行集中放空及排污。

圖2 接筒結(jié)構(gòu)

3.3工藝氣冷卻器

壓縮機(jī)工藝氣冷卻器一般采用循環(huán)水冷卻，為防止循化水泄漏污染工藝介質(zhì)，多晶硅氫氣壓縮機(jī)冷卻器應(yīng)設(shè)計為雙管板結(jié)構(gòu)。管程和殼程分別采用各自的管板進(jìn)行連接，打破傳統(tǒng)管殼式換熱器管程和殼程共用一個連接管板的形式，最大限度的降低了由于換熱管與管板連接處泄漏導(dǎo)致交叉污染的風(fēng)險，便于及時發(fā)現(xiàn)泄漏隱患，確保用戶安全生產(chǎn)。為保證換熱管與管板連接強(qiáng)度，水側(cè)管板與換熱管應(yīng)采用強(qiáng)度脹連接形式，而工藝氣側(cè)管板與換熱管應(yīng)采用強(qiáng)度焊加貼脹形式。由于工藝介質(zhì)中含有硅粉顆粒，冷卻器一般設(shè)計為氣走管程結(jié)構(gòu)，使硅粉能夠隨氣流排出冷卻器，延長冷卻器清洗時間。

4 結(jié)語

（1）為避免工藝氣管道、壓力容器內(nèi)的鐵銹、氧化皮等雜質(zhì)影響多晶硅的純度，與工藝氣接觸的管道、壓力容器材料均采用不銹鋼，且焊接完成后需做酸洗鈍化處理，以去除油污、銹跡、氧化皮及焊斑等污垢，酸洗鈍化后還應(yīng)采用藍(lán)點(diǎn)法檢測，30s內(nèi)無藍(lán)點(diǎn)為合格。

（2）為避免油脂對工藝氣造成污染，所有與工藝氣接觸的設(shè)備、管道及閥門均要保證絕對無油、潔凈。所以工藝氣過流部件全部需要進(jìn)行脫脂處理，為防止二次污染，脫脂合格后還應(yīng)進(jìn)行充氮保護(hù)，到用戶現(xiàn)場安裝時再將氮?dú)馀欧拧?/p>

（3）由于多晶硅生產(chǎn)裝置不可避免的會有一部分工藝介質(zhì)泄漏至環(huán)境中，而且介質(zhì)一旦與空氣接觸就會產(chǎn)生含有大量易燃易爆、有毒、強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，所以運(yùn)行現(xiàn)場必須有安全檢測裝置，介質(zhì)大量泄漏時能夠及時報警，確保操作人員不會受到危害。另外不銹鋼設(shè)備、管道均要求進(jìn)行噴漆處理，防止強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)對不銹鋼設(shè)備、管道腐蝕造成介質(zhì)泄漏，保證安全生產(chǎn)。

作者簡介：趙玉忱（1980—），男，漢族，遼寧莊河人，學(xué)士學(xué)位，職位：技術(shù)中心副主任/ 設(shè)計部部長，職稱：工程師，研究方向：往復(fù)式壓縮機(jī)及配套設(shè)備設(shè)計研發(fā)。