Modelling Gas Flow in Furnaces for Si Production

Abstract

Lavere energiforbruk og høyere silisium utbytte er viktig for silisium produksjonen. For å oppnå dette er det viktig med stabile ovnsprosesser. Motstand mot gass-strømning i råmaterialet fører til et økt trykk i ovnen. Om dette trykket blir for høyt kan det føre til ulike driftsproblemer. Det er derfor viktig med en god forståelse av hva som påvirker trykket og gass-strømningen i ovnen.

Målet med dette arbeidet har vært å undersøke hvordan partikkelstørrelsen på råmaterialet påvirker trykket i en silisium-ovn. Hvordan gass hastigheten og temperaturen påvirker trykket er også studert. To ulike modeller har blitt utviklet for å simulere trykket og gass-strømningen i ovnen. En av modellene antar inkompressibel strømning, altså at gassen har konstant tetthet, mens den andre modellen antar kompressibel strømning.

Av faktorene studert i denne oppgaven hadde partikkelstørrelsen størst effekt på trykket. Kvarts med partikkelstørrelse under 2.00 mm medførte et høyt trykk for alle temperaturer og gass hastigheter undersøkt. Kvarts med partikkelstørrelser over 2.00 mm hadde derimot liten effekt på trykket. Høyere hastighet medførte høyere trykk. Om hastigheten ble holdt konstant viste temperaturen en motsatt effekt hvor høyere temperatur medførte et noe lavere trykk. I og med at en økning i temperatur medfører en økning i hastighet vil derimot økt temperatur generelt sett medføre et høyere trykk.

For the silicon industry, important goals are lower energy consumption and higher silicon yield. To achieve this, it is important that the processes in the furnace are stable. Increased pressure in the furnace from the process gases could cause operational problems. A better understanding of what affects the pressure and the gas flow in the furnace is thus of importance.

The objective of this work has been to investigate how the particle sizes of the raw materials affect the pressure-drop in furnaces for silicon production. The effect of gas velocity and temperature has also been studied. Two models have been developed for simulating the pressure-drop through the charge material in silicon furnaces, one with incompressible gas flow meaning that the density is assumed constant, and one with compressible gas flow.

The particle size of quartz was found to be the most important of the parameters studied regarding the build-up of pressure in the furnace, where quartz with particle sizes below 2.00 mm showed a significant rise in pressure for all temperatures and velocities studied. Quartz above 2.00 mm was found to have a low effect on pressure. Higher velocities resulted in higher pressures. When velocity was kept constant a rise in temperature showed the opposite effect resulting in a somewhat lower build-up of pressure. However, as a rise in temperature causes a rise in velocity, a rise in temperature generally results in a rise in pressure.