Pressure drop in charge mixture in silicon production

Abstract

Lavere energiforbruk, en mer miljøvennlig produksjon og høyere silisium utbytte er viktige mål i silisium industrien. For å oppnå disse målene kreves det at prosessene i ovnen er stabile. Flere operasjonelle problemer har blitt koblet til et forhøyet gasstrykk i silisium ovnen. For å oppnå en stabil ovnsprosess er det derfor viktig å ha en god forståelse rundt faktorene som påvirker trykket og permeabiliteten i chargen. Tidligere industrielle målinger viser at trykkfallet har en dynamisk oppførsel og at det forhøyete trykket hovedsakelig er forårsaket av: 1. Motstand mot gas strømning gjennom materialene (chargen). 2. Kondensasjon av SiO-gas som tetter igjen materialene og som sterkt forhøyer trykket. I denne masteroppgaven ble trykkfallet grunnet motstand mot gass strømning i materialene i silisium ovnen modellert. Modellerte trykkfall var lavere enn industrielt målte trykkfall i elektrodekrater. Den dynamiske oppførelsen til trykketfallet i kratersonen må da forklares av andre årsaker, slik som kondensasjon av SiO-gas. Arbeidet inneholder også en sensitivitetsanalyse av 5 parametere som påvirker gas strømningen gjennom chargen og dermed gasstrykket; ovns-last (MW), form og størrelse på partikler, porøsitet, og material høyde. I denne masteroppgaven ble trykkfallet i pakkete senger med kvarts av størrelsesorden 1.99-4.76 mm og 4.76-10.0 mm undersøkt. Både laminær og turbulent strømning ble funnet for de målte gasshastighetene. Permeabiliteten ble funnet for pakket seng med kvarts og pakket seng av kvarts blandet med kull og treflis i laminært strømningsområde. Ved tilsetning av kull og treflis økte permeabilitet for begge fraksjoner av kvarts. Ergun’s likning med modifiserte koeffisienter A og B ble funnet for pakket seng av kvarts. Modifisert Ergun’s likning for pakket seng av kvarts med størrelse fraksjon 4.76-10.0 mm ble videre brukt til å simulere trykkfallet i den industrielle silisium ovnen ved bruk av simuleringsverktøyet COMSOL Multiphysics. Simulering av trykktapet i ovnen var basert på tilgjengelig kunnskap om forhold i den indre ovnen, og industrielle målinger av trykkfallet er brukt som et valideringsverktøy.

This work is a continuation of a project work where the pressure drop with flow rate for packed beds of non-spherical quartz particles with 1.99-4.76 mm and 4.76-10.0 mm particle size distributions (PSDs) was experimentally measured. A 0.7 particle sphericity for the quartz particles was found. The gas flow regime was found to be from laminar to turbulent flow. The permeability of the packed beds with quartz particles and quartz particles mixed with coal and wood chips were estimated in the laminar flow regime. The permeability in the packed beds increased with the addition of coal and wood chips for both PSDs of quartz particles. The Ergun equation was modified to fit the experimental pressure drop for packed beds of quartz particles. The modified Ergun equation with coefficients A and B representing the unique characteristics of quartz particles for the 4.76-10.0 mm PSD was further used to simulate the pressure drop in a submerged arc furnace used in silicon production with the software COMSOL Multiphysics. In-furnace conditions were defined based on available knowledge about the inner furnace, and industrial measurements were used as a validation tool for the model. Earlier industrial measurements show that there are two main reasons for pressure drop in the silicon furnace: 1. Gas flow through the charge materials as confirmed and presented in this study. 2. Condensation of SiO-gas that clogs the charge and strongly elevates the pressure drop. This seems to be timely linked to the stoking process with the same frequency. Simulated pressure drop was lower than those reported from industrial measurements in the crater zone in a silicon furnace. The dynamic behaviour of the pressure drop in the crater zone of an industrial process must then be explained by other factors than the charge materials such as condensation of SiO-gas in the upper charge materials. This work includes a sensitivity study of five parameters that influences the pressure drop in the charge. The parameters are: 1. Furnace load 2. Particle size 3. Bed void fraction 4. Particle sphericity 5. Charge height