西门子还原炉内传热及硅棒热电行为研究

发布时间：2020-05-05 12:29

【摘要】：能源的缺乏和环境的恶化给现代社会经济发展提出了巨大挑战,可再生新能源的发展已迫在眉睫。作为主要的可再生新能源,太阳能光伏发电技术受到了广泛的关注并飞速发展,全球太阳能光伏安装容量急剧增长。多晶硅是太阳能光伏发电的主要原材料,其生产工艺主要有冶金法、流化床法和西门子法。由于西门子法的产品纯度高、工艺成熟,是当前国内外的主流生产技术,然而该工艺的高能耗和高生产成本是阻碍其发展的两个主要因素,解决此问题是提升西门子工艺在多晶硅市场竞争力的关键。增大硅棒最大沉积半径可降低多晶硅生产能耗,然而由于硅棒内部温度梯度的存在,会发生熔硅现象,并且在热应力的作用下发生倒棒现象。增大硅棒数和优化硅棒排列,也是降低多晶硅生产能耗的有效方案。因此本文系统的研究了不同西门子还原炉(12对棒和24对棒)内的热量传递现象,并提出分布式仿真模拟的方法耦合硅棒表面热损失和硅棒的电流加热模型,建立硅棒电加热(直流电和交流电)模型。然后耦合热应力模型,建立了硅棒的电-磁-热-应力的耦合模型,最后对能耗进行了分析,并得到降低能耗的方案,主要开展的研究及取得的结果如下:(1)提出描述硅棒数和西门子反应器内空间面积的无量纲X-H(定义为nδ),对描述西门子还原炉结构无量纲(d/L和X-H)和操作条件(Ra)无量纲参数与对流传热无量纲(Nu)之间的关系进行了无量纲分析,拟合得到西门子还原炉描述对流传热的关联式:Nu/Ra0.584(d/L)-0.366=0.00003(X-H)(10)0.00039,并验证了关联式的有效性。结果表明,预测值与计算结果的平均相对误差分别为1.4%、3.2%,说明经验关联式可有效的预测对流传热。。并通过研究得到当Ra大于1.4×10~7,d/L大于0.04及X-H大于3.0时,对流传热量均有显著增加。(2)建立了西门子还原炉DO辐射模型,通过12对棒西门子还原炉工业数据对模型进行了验证,相对误差为7.1%,最大相对误差为8.3%。应用模型研究了硅棒沉积半径对辐射热损失的影响,结果表明对于外环硅棒,随着硅棒沉积半径的增大,辐射热损失逐渐增大;对于内部硅棒(12对棒西门子还原炉的内环硅棒,24对棒西门子还原炉的内环和中环硅棒),棒辐射热损失随着硅棒沉积半径的增大先增大后降低,存在一个极值。随着反应器壁辐射率的增大,西门子还原炉内辐射热损失逐渐增大,并且西门子还原炉内的内环硅棒(12对棒和24对棒)和/或中环硅棒(24对棒)辐射热损失出现极大值时的硅棒半径逐渐增大。(3)建立了硅棒的电流加热(直流电和交流电)模型,并通过工业操作的电流曲线验证了模型的有效性。对于12对棒西门子还原炉,内环相对误差为4.89%,外环相对误差为4.76%;对于24对棒西门子还原炉,内环硅棒相对误差为7.55%,中环硅棒相对误差为5.55%,外环硅棒相对误差为7.43%。应用硅棒的电流加热模型研究了12对棒和24对棒西门子还原炉内硅棒热电行为(包括温度分布、电流密度分布、热应力分布、电流-电压操作曲线等),结果表明:当应用电流加热硅棒时,硅棒内部存在一个温度梯度,随着交流电频率的增大,硅棒中心温度越低;当采用直流电加热硅棒时,硅棒内部的电流密度几乎相同;当采用交流电加热硅棒时,硅棒内部形成一个硅棒表面电流密度高梯度。获得了不同环上硅棒的电流-电压操作曲线,当硅棒半径较小时,在不同交流电频率下,提供给硅棒的电流几乎相同;随着硅棒半径的增大,外部硅棒所需要提供的电流大于内部硅棒。(4)提出一种新颖的多晶硅还原炉“直流-交流混合电流加热”方式,当硅棒半径小于7 cm时,采用直流电加热,当硅棒半径大于7 cm时,采用交流电加热。将直流电源切换为交流电源对内环硅棒继续加热时,需要提供的电流强度要低于直流电源所提供电流强度,并且随着交流电频率的增大,需要提供的电流强度越低。但是所需要的提供的电压大于直流电,并且随着提供电源的交流电频率的增大,自感电阻和互感电阻都增大,所需提供的电压增大。对于西门子还原炉,外环硅棒的电流强度和电压大于内部硅棒(12对棒内环,24对棒内环和中环);而且对于24对棒西门子还原炉,中环硅棒的电流强度和电压大于内环硅棒。(5)采用直流电加热硅棒(最大沉积半径为7 cm)时,12对棒西门子还原炉多晶硅平均单位能耗为55 kWh/kg Si,24对棒西门子还原炉为49 kWh/kg Si;采用混合电流加热硅棒(最大沉积半径为10 cm)时,12对棒和24对棒西门子还原炉多晶硅平均单位能耗分别为:44 kWh/kg Si和38 kWh/kg Si。随着硅棒最大沉积半径的增大,多晶硅的平均单位能耗逐渐降低。24对棒西门子还原炉的平均能耗低于12对棒西门子还原炉。通过以上分析可以为多晶硅的节能降耗提供两条思路:增大多晶硅最大增长半径和增大多晶硅还原炉内硅棒数。
【图文】：

示意图,多晶硅,示意图,冶金法

理工大学博士学位论文西门子还原炉内传热及硅棒热电行为仍达不到总市场 1%的份额（图 1.1），值得注意的是冶金法由于其生产成本低、、生产操作较安全、能耗低等优点，曾经得到了广泛的关注和研究[21]。但是其产今仍然无法得到光伏市场的认可，从而导致此方法的使用或研究从最初的几十家有几家公司，并且主要集中在日本和中国[22]。

多晶硅,产量,冶金法,电子级

图 1.4 国内外多晶硅产量Fig. 1.4 The Domestic and foreign production of polysilicon多晶硅生产工艺1 冶金法冶金法起源于 20 世纪 70 年代，为了降低电子级多晶硅的生产成本，开发冶金级
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.2

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