多晶硅还原炉内温度场模拟

摘要

改良西门子法是目前大部分国内外企业采用的生产工艺，在实际生产过程中，多晶硅还原炉中发生反应产生的还原能耗占多晶硅生产总能耗的60%左右，而在还原炉反应过程中主要损失的能耗是沉积反应之后尾气带出的小部分热量、炉内混合物料气体的对流换热所损失的热量，以及硅棒和还原炉筒体壁面的辐射传热，其中硅棒和还原炉筒体壁面的辐射传热能耗损失占还原炉总能耗的75%-90%，可见如何降低辐射传热这部分的能耗损失是降低生产过程中总能耗的关键。 本文利用多晶硅生产厂家提供的12对和24对硅棒还原炉的图纸建立模型，运用模拟软件Fluent对建立好的两种还原炉模型进行数值模拟，分别探究了不同进气流量、不同硅棒直径，共12组工况下对炉内温度场和流场的影响以及还原炉内辐射能量的传递情况，得出在不同参数下，炉内温度场和流场的变化情况，也进一步分析哪种炉型对辐射能量的利用效率更高，更节能，这些研究都能够为多晶硅还原生产稳定、节能降耗，多晶硅品质的改善和提高以及工业生产为何追求高硅棒对数还原炉提供理论依据。 模拟结果表明： 1）在12对硅棒和24对硅棒还原炉中，高进气流量工况下，炉内温度场的平均温度会更高一些，硅棒附近的物料气体流速也会更快，促进了新旧物料的更替，有利于硅棒表面气相沉积反应的进行。 2）当硅棒直径由8mm增加至130mm的过程中，硅棒总体积占炉内体积的比重增大，气体流动的空间缩小，物料气体的流速就会增加，同时硅棒直径的增加也使硅棒的反应面积、传热面积增大，使得炉内更宜达到最佳反应温度，也使得炉内温度场分布更均匀。 3）两种炉型相比，24对硅棒还原炉的底盘进出气口排布较12对硅棒还原炉更对称，能够更充分使物料气体和各圈硅棒充分接触，整体流动路径是由进气口向上喷入，向四周扩散，到达炉体封头区域逐渐向中间回流，呈现出“喷泉式”图像。 4）24对硅棒还原炉的3圈硅棒的排布结构，较12对硅棒的两圈排布结构，可以使各圈硅棒之间的辐射能量可以交互利用，有效减少了壁面夹套换热管带走的热量，这样就可以更好地提高了炉内辐射能量的利用效率，因此，得出的结论是24对硅棒还原炉比12对硅棒还原炉更节能。 5）还原炉内壁发射率ε越小，还原炉内硅棒的辐射能就会越小，当内壁材料的发射率很低时，其反射能力变强，可将硅棒辐射至壁面的热量反射回炉内，使得内部热量相对集中，减少了热量损失，有效地降低了还原过程的电耗。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2文献综述

1.2.1多晶硅概述

1.2.2改良西门子法概述

1.2.3还原炉结构及发展现状

1.2.4 还原反应原理及过程

1.2.5国内外研究现状

1.3主要研究内容

2多晶硅还原炉的模拟过程和计算方法

2.1计算流体力学简介

2.2模型简化及建模

2.2.1生产条件简化

2.2.2模型简化

2.2.3模型建立

2.3网格划分

2.4网格无关性验证

2.5控制方程

（1）质量守恒方程

（2）动量守恒方程

（3）能量守恒方程

2.6模型选择

2.6.1湍流模型选择

2.6.2辐射传热模型的选择

2.7参数设定

2.7.1材料属性设置

2.7.2边界条件设置

2.8运行计算

2.9本章小节

3 12对硅棒还原炉模型的数值模拟结果及分析

3.1不同进口流速对还原炉内温度场、流场的影响

3.1.1 进口流量为300 m3/h下还原炉内温度场、流场的分析

3.1.2进口流量为1000 m3/h下还原炉内温度场、流场的分析

3.2不同硅棒直径对还原炉内温度场、流场的影响

3.3还原炉内辐射能量的分析

3.4本章小结

4 24对硅棒还原炉模型的数值模拟结果及分析

4.1不同进口流速对还原炉内温度场、流场的影响

4.1.1 进口流量为300 m3/h下还原炉内温度场、流场的分析

4.1.2 进口流量为1000 m3/h下还原炉内温度场、流场的分析

4.2不同硅棒直径对还原炉内温度场、流场的影响

4.3还原炉内辐射能量的分析

4.4本章小结

5 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

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