多晶硅装置用氢气压缩机设计分析

赵玉忱 潘峰 张士永 金鑫

【摘 要】生产出符合太阳能级或电子级要求的多晶硅要求氢气介质的纯度极高，不允许掺入任何杂质或其它气体。为保证多晶硅氢气压缩机工作时介质的纯度，使润滑油、水等杂质不与介质接触，本文在设计阶段开展了多晶硅氢气压缩机的密封、腐蚀等方面的研究工作，经过充分研究、论证和分析，得出了在设计阶段需要关注和解决的设计和工艺问题的关键所在，为设计满足使用要求的多晶硅氢气压缩机提供了保证。

【关键词】多晶硅压缩机 填料 接筒 刮油器 冷却器

【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

目前国际上高纯多晶硅制备方法主要采用的是改良西门子法（闭环式三氯氢硅氢还原法）和新硅烷法两种化学方法。其中，改良西门子法在全球份额占80%以上。改良西门子法的生产流程是利用氯气和氢气合成HCl（或外购HCl），HCl和冶金硅粉在一定温度下合成SiHCl3，分离精馏提纯后的SiHCl3进入氢还原炉被氢气还原，通过化学气相沉积（CVD）反应生产高纯多晶硅。大体可分为6个生产环节：SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收以及SiCl4的氢化分离，而氢气压缩机在整个生产环节中有着至关重要的作用，是不可或缺的关键设备。

2 多晶硅氢气压缩机设计要求

为生产出符合太阳能级或电子级要求的多晶硅，氢气介质的纯度要求极高，不允许掺入任何杂质或其它气体。油脂和水分对多晶硅的危害十分严重，实践证明，整个工艺系统几ppm的油含量就可能造成多晶硅反应速度减慢，产量降低，甚至硅反应停止。而水中含有大量的氯离子，氯离子对多晶硅的反应十分敏感。所以多晶硅氢气压缩机除油、脱脂及禁水特别重要。

多晶硅氢气压缩机介质中除H2外还含有HCl、SiHCl3及SiCl4，这三种介质都属于有毒物质。其中HCl遇水有强腐蚀性；SiHCl3遇明火强烈燃烧，受高热分解产生有毒的氯化物气体。与氧化剂发生反应，有燃烧危险。易挥发，在空气中发烟，遇水或水蒸气能产生热和有毒的腐蚀性烟雾；SiCl4受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气。对环境污染严重，用于倾倒或掩埋SiCl4的土地将变成不毛之地，草和树都不会在这里生长。而且如果压缩介质通过填料泄漏至曲轴箱，将使润滑油发黑、变质，长期运行导致轴瓦、曲轴、十字头等件磨损严重，降低使用寿命。

综上所述，多晶硅氢气压缩机设计时不仅要保证介质的纯度，使润滑油、水等杂质不与介质接触，还要保证工艺介质的密封性，使其不对润滑油或环境造成污染。

3 多晶硅氢气压缩机特殊结构

3.1填料结构

填料的作用为防止气缸内的工艺介质沿着气缸与运动着的活塞杆外圆面之间的间隙向外泄漏，主要由填料盒及填料环组成。多晶硅氢气压缩机的填料除了满足密封性，还应保证工艺介质不被润滑油、水等杂质污染，主要从以下几方面考虑：

⑴填料不允许注油润滑，填料环采用四氟无油润滑元件。由于压缩介质中含有硅粉，压缩机运行过程中硅粉颗粒会进入气缸填料，加速密封环的磨损，降低环的使用寿命。故填料环的材质需保证具有良好的导热性及自润滑性，以提高其使用寿命。

⑵为彻底消除介质被冷却水污染的可能性，填料盒不能通水冷却。为导走填料产生的摩擦热，需将填料盒全部安装在气缸缸座中，采用缸座通水冷却的方式将热量导走。

⑶为保证介质的纯度，防止氮气或其他介质进入气缸内，填料不能像普通炼油用氢气压缩机一样设置充氮保护口，但为阻止气缸内介质泄漏至接筒隔室，需设置充氢口。另外还需设置漏气回收口，收集泄漏出来的氢气（充入的氢气）及微量工艺气，汇集至漏气回收集液罐后统一排放火炬。对于多级压缩的排气压力相对较高（≥1.6MPa）的压缩机，可以将高压级填料设置一个漏气回一级接口，以减少工艺介质的外泄漏量，节省运行成本。见图1。

图1 填料结构

（4）为保证密封性，相同压力条件下多晶硅氢气压缩机的填料密封环组数要较普通压缩机多2-3组。对于密封环的形式，在排气压力<2.6MPa时，主密封环一般采用径向环-切向环组合，而漏气回收位置一般采用双切向环组合，可实现双向密封。压力≥2.6MPa时，通常在高压侧设置一个节流环用于节流降压，主密封环采用径向环-切向环-阻流环组合，阻流环的作用是防止密封环（切向环）在高压作用下发生冷流，阻流环材质采用PEEK。

3.2接筒结构

接筒是气缸与中体的中间隔距件，作用是防止油、气接触及安装密封部件 。为彻底杜绝油、气接触，多晶硅氢气压缩机的接筒采用API618规定的C型长/长双隔室结构，即每个隔室密封元件间的净距离都要大于一个行程，活塞杆上不应有任何部分交替进入刮油器、中间分隔填料和气缸压力填料。见图2。

（1）接筒中间带有隔板，并设置中间填料密封，填料组件须足够长，可将两个间隔室完全分开，防止工艺气体通过中间接筒向曲轴箱泄漏。中间填料设置充氮口，充氮压力可通过调压阀调节为0.08-0.1MPa。

（2）曲轴箱侧隔室的活塞杆上面设置挡油盘（材质为铝合金），气缸侧隔室内的活塞杆上面设置挡油圈（材质为硅胶），防止一旦刮油器失效，润滑油通过活塞杆“爬入”气缸污染介质。

（3）两隔离室必须设有相互独立的放空口，从主填料泄漏的工艺气体可从气缸侧隔室排放 到室外，不会进入机身侧。

（4）两隔离室均设置充氮管线，吹扫填料泄露的氢气及微量工艺气，防止工艺气进入曲轴箱污染润滑油。同时充氮管线并分别配有止回阀，防止工艺介质侵入到氮气系统中。隔室充氮压力经过减压阀减压后一般设置为0.05MPa。

（5）接筒与中体连接面处安装刮油器，为杜绝油气与隔室内气体混合，刮油器需设置充氮口，充氮压力可设定为0.05MPa。同时设置氮气回收口，接至回收罐进行集中放空及排污。

图2 接筒结构

3.3工艺气冷却器

压缩机工艺气冷却器一般采用循环水冷却，为防止循化水泄漏污染工艺介质，多晶硅氢气压缩机冷却器应设计为双管板结构。管程和壳程分别采用各自的管板进行连接，打破传统管壳式换热器管程和壳程共用一个连接管板的形式，最大限度的降低了由于换热管与管板连接处泄漏导致交叉污染的风险，便于及时发现泄漏隐患，确保用户安全生产。为保证换热管与管板连接强度，水侧管板与换热管应采用强度胀连接形式，而工艺气侧管板与换热管应采用强度焊加贴胀形式。由于工艺介质中含有硅粉颗粒，冷却器一般设计为气走管程结构，使硅粉能够随气流排出冷却器，延长冷却器清洗时间。

4 结语

（1）为避免工艺气管道、压力容器内的铁锈、氧化皮等杂质影响多晶硅的纯度，与工艺气接触的管道、压力容器材料均采用不锈钢，且焊接完成后需做酸洗钝化处理，以去除油污、锈迹、氧化皮及焊斑等污垢，酸洗钝化后还应采用蓝点法检测，30s内无蓝点为合格。

（2）为避免油脂对工艺气造成污染，所有与工艺气接触的设备、管道及阀门均要保证绝对无油、洁净。所以工艺气过流部件全部需要进行脱脂处理，为防止二次污染，脱脂合格后还应进行充氮保护，到用户现场安装时再将氮气排放。

（3）由于多晶硅生产装置不可避免的会有一部分工艺介质泄漏至环境中，而且介质一旦与空气接触就会产生含有大量易燃易爆、有毒、强腐蚀性物质，所以运行现场必须有安全检测装置，介质大量泄漏时能够及时报警，确保操作人员不会受到危害。另外不锈钢设备、管道均要求进行喷漆处理，防止强腐蚀性介质对不锈钢设备、管道腐蚀造成介质泄漏，保证安全生产。

作者简介：赵玉忱（1980—），男，汉族，辽宁庄河人，学士学位，职位：技术中心副主任/ 设计部部长，职称：工程师，研究方向：往复式压缩机及配套设备设计研发。