多晶硅精餾生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際問(wèn)題探討

郭樹(shù)軍，董雪平，林占元

(1.江西景德半導(dǎo)體新材料有限公司，江西景德鎮(zhèn) 333000;2.江西晶安高科股份有限公司，江西南昌 330508)

1 多晶硅精餾背景

多晶硅是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池及電子元件的基礎(chǔ)功能性材料，是全球光伏產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)的基石［1］。改良西門(mén)子法是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、最易擴(kuò)建的工藝，生產(chǎn)的多晶硅占當(dāng)今世界生產(chǎn)總量的70%～80%。三氯氫硅是改良西門(mén)子工藝生產(chǎn)多晶硅的中間產(chǎn)品，它的純度直接影響多晶硅產(chǎn)品的純度。三氯氫硅的精餾是多晶硅生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，針對(duì)多晶硅精餾特性，對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程的安全、設(shè)備、工藝控制、培訓(xùn)以及其他生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和探討，并提出相應(yīng)合理的對(duì)策和建議。

1.1 三氯氫硅精餾原理

氯硅烷液體原料由于不同組分具有不同的揮發(fā)度，進(jìn)行多次部分汽化和冷凝，使氯硅烷分離為組分和雜質(zhì)都合格的精制三氯氫硅。

1.2 工藝流程

①合成氯硅烷的精餾體系:多級(jí)精餾的方法將合成的氯硅烷進(jìn)行精制，得到多晶硅級(jí)別的精制三氯氫硅。②還原氯硅烷的精餾體系:多級(jí)精餾的方法將還原的氯硅烷經(jīng)過(guò)干法回收車CDI分離的氯硅烷進(jìn)行精制，得到多晶硅級(jí)別的精制三氯氫硅。③處理低沸的精餾塔:對(duì)部分塔頂采和尾氣回收的氯硅烷進(jìn)行精制，回收三氯氫硅，提高原料利用率;該塔頂采低沸送三廢車間處理。④處理高沸的精餾塔:對(duì)部分除塔釜采的氯硅烷進(jìn)行精制，回收四氯化硅，提高原料利用率;該塔釜采高沸送三廢車間或外送處理。

2 具體問(wèn)題分析

2.1 安全生產(chǎn)

2.1.1 危險(xiǎn)源和原因分析

多晶硅精餾生產(chǎn)過(guò)程中的氯硅烷物料(包括二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅、高沸、低沸)易燃、有毒、腐蝕性大;主要危險(xiǎn)有氯硅烷引起的火災(zāi)、爆炸和中毒窒息，事故隱患較大;尤其是精餾塔高達(dá)50多米，一旦起火消防撲救也有一定困難，氯硅烷儲(chǔ)罐區(qū)儲(chǔ)罐多、儲(chǔ)量大，氯硅烷如果發(fā)生泄漏，堵漏又不及時(shí)，影響會(huì)不斷擴(kuò)大，其危險(xiǎn)遠(yuǎn)大于工藝管道泄漏。其次是由蒸汽灼傷和氯硅烷水解生成氯化氫產(chǎn)生的腐蝕;其他危險(xiǎn)因素也不容忽視，電氣傷害、機(jī)械傷害、高處墜落、物體打擊、噪聲與振動(dòng)［2］。

2.1.2 對(duì)策與措施

①安全與技能的培訓(xùn)。加強(qiáng)安全學(xué)習(xí)，提高安全意識(shí);強(qiáng)化業(yè)務(wù)技能，懂得應(yīng)急處理。②完善制度和操作規(guī)程。完善各項(xiàng)管理制度(如現(xiàn)場(chǎng)管理、設(shè)備包機(jī)到人);制定合理規(guī)范的操作規(guī)程，尤其是罐區(qū)物料的裝卸。

2.2 生產(chǎn)裝備

多晶硅精餾主要裝備有精餾塔、屏蔽泵、換熱器、各類儀表、儲(chǔ)罐、各種閥門(mén)、管件以及相應(yīng)附件。

①精餾塔。由于合成車間過(guò)來(lái)的物料帶有導(dǎo)熱油，使合成氯硅烷的精餾體系除重塔被污染，停車對(duì)該塔進(jìn)行全面清洗。還原車間過(guò)來(lái)的物料帶有少許不定型硅粉(主要是由于對(duì)還原車間產(chǎn)生的二氯二氫硅進(jìn)行回收的比例較高所產(chǎn)生的)，使還原氯硅烷的精餾體系除重塔的釜采不是很暢通，操作過(guò)程中，應(yīng)注意每班次釜采都開(kāi)大沖刷幾次，保持釜采暢通。處理低沸的精餾塔，由于應(yīng)力腐蝕發(fā)生過(guò)塔頂滲漏，對(duì)該塔進(jìn)行過(guò)停車檢修。

②泵。對(duì)運(yùn)行泵的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，如測(cè)量泵的振動(dòng)、溫度、電流、壓力等。如果泵運(yùn)行壓力比平常明顯偏低時(shí)，可能是泵前過(guò)濾器被硅粉堵塞，需要對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行清洗，檢修后需充分灌泵。運(yùn)行泵，由于流量計(jì)假象可能導(dǎo)致泵低壓保護(hù)跳閘，如有雜音應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢修。由于供電部門(mén)電壓不穩(wěn)定或打雷可能會(huì)導(dǎo)致多臺(tái)泵同時(shí)跳閘，此時(shí)立即啟動(dòng)備用泵，避免影響生產(chǎn)，然后再查看跳停泵的狀況。正常切換泵時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行。

③換熱器。由于合成車間過(guò)來(lái)的物料帶有導(dǎo)熱油，合成氯硅烷的精餾體系除重塔的再沸器被污染，其加熱效果不佳，大幅度改變工藝參數(shù)(降低塔的運(yùn)行壓力和回流量)都無(wú)效，以致由于設(shè)備和工藝參數(shù)的變更原因產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，而不得不停車對(duì)該再沸器進(jìn)行全面清洗。為早期發(fā)現(xiàn)冷凝器是否內(nèi)漏，每天對(duì)換熱器的雙管板以及循環(huán)水pH值進(jìn)行檢查。

④儀表。中控和現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)儀表假象應(yīng)及時(shí)判定，主要是液位計(jì)假象。中控按要求把液位控制在范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)磁翻板液位計(jì)和中控磁致伸縮液位計(jì)數(shù)值和變化趨勢(shì)應(yīng)一致，若超出范圍應(yīng)該對(duì)兩套液位計(jì)進(jìn)行對(duì)比，就能發(fā)現(xiàn)哪個(gè)液位計(jì)出現(xiàn)了假象;還可以根據(jù)精餾塔體系的物料平衡來(lái)判定液位計(jì)假象。轉(zhuǎn)子流量計(jì)容易被硅粉堵塞，發(fā)現(xiàn)堵塞應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清洗。壓力表和溫度計(jì)一般出現(xiàn)問(wèn)題較少，但在日常巡檢過(guò)程中也應(yīng)多加注意。

⑤各種閥門(mén)和管道。蒸汽冷凝水管道振動(dòng)可能是某個(gè)疏水閥效果不佳，導(dǎo)致冷凝水管道有蒸汽存在產(chǎn)生振動(dòng)。產(chǎn)品采出管道可能由于采出量較小，物料不能充滿管道而產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)把現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)儲(chǔ)罐的手閥關(guān)小少許即可消除。各調(diào)節(jié)閥定期檢查是否被卡或是被堵。球閥出現(xiàn)過(guò)的滲漏有閥體漏、閥芯漏、閥門(mén)內(nèi)漏。

2.3 工藝控制和操作

2.3.1 精餾塔操作控制要點(diǎn)

為保證精餾過(guò)程連續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行，需要抑制生產(chǎn)過(guò)程中不正?，F(xiàn)象發(fā)生;達(dá)到生產(chǎn)要求，需從幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行控制［3］。

①控制系統(tǒng)壓力。塔壓波動(dòng)將引起溫度和物料成分(產(chǎn)品質(zhì)量)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的混亂。蒸汽、塔頂冷凝劑的壓力和流量的波動(dòng)是實(shí)際操作過(guò)程中影響塔壓波動(dòng)的常見(jiàn)因素。塔壓波動(dòng)時(shí)，應(yīng)先分析塔壓波動(dòng)原因并及時(shí)處理，使塔壓恢復(fù)正常。

②控制溫度系統(tǒng)。溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，只有在塔壓恒定情況下才正確。操作過(guò)程中注意對(duì)離開(kāi)精餾塔體系中組分出口溫度的監(jiān)控，如:除重塔監(jiān)控釜溫、除輕塔監(jiān)控頂溫、有側(cè)線采出的塔對(duì)塔中溫監(jiān)控;其他溫度可為參考，來(lái)佐證并控制精餾塔。

③控制回流比。回流比可以在零和無(wú)窮大之間變化，前者對(duì)應(yīng)于無(wú)回流，后者對(duì)應(yīng)于全回流，但實(shí)際上對(duì)于指定的分離要求，回流比不能小于最小回流比，否則即使有無(wú)數(shù)個(gè)理論板也達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;增大回流比，有利于精餾過(guò)程的傳質(zhì)。但是增大回流比是以增加能耗為代價(jià)的。因此回流比的選擇是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，即在操作費(fèi)用(能耗)和設(shè)備費(fèi)用(板數(shù)及塔釜傳熱面、冷凝器傳熱面積等)做出權(quán)衡。選擇適當(dāng)?shù)幕亓鞅龋蛇_(dá)到增產(chǎn)、降耗、節(jié)能、減排作用。

④控制物料平衡。在實(shí)際操作過(guò)程中，要求把系統(tǒng)液位(塔釜液位和回流罐液位)維持在一定的范圍內(nèi)，目的是通過(guò)觀察液位變化曲線，根據(jù)系統(tǒng)物料平衡的操作來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:如液位計(jì)的假象、流量計(jì)的偏差過(guò)大或失真等等。

2.3.2 產(chǎn)品的質(zhì)量控制

從質(zhì)量管理的層面分析影響質(zhì)量的因素［4］:①操作人員因素，如儲(chǔ)罐之間倒錯(cuò)物料、操作不當(dāng)(如中控對(duì)參數(shù)監(jiān)控不到位、現(xiàn)場(chǎng)人員開(kāi)關(guān)閥門(mén)不到位)、取樣錯(cuò)誤、分析不準(zhǔn)確、新員工對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)識(shí)不充分、質(zhì)量部分析的數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)、中控和現(xiàn)場(chǎng)操作員工調(diào)換頻繁、換班頻繁等。②原材料因素，原材料中雜質(zhì)超高，超出了系統(tǒng)處理的能力。③工藝方面因素，工藝流程的變更或工藝參數(shù)的改變(如回流量的改變)。④設(shè)備因素，如換熱器加熱效果不佳，塔釜被堵塞等等。在精制三氯氫硅質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)找出引起質(zhì)量變化的根本原因并及時(shí)處理，保證在質(zhì)量合格前提下，產(chǎn)量最大化，達(dá)到增產(chǎn)降耗目的。

2.3.3 精餾的節(jié)能降耗

精餾主要能耗是電和蒸汽，氮?dú)狻x表氣、壓縮空氣、循環(huán)水、冷凍水、乙二醇都屬于公用消耗，在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用要盡量做到節(jié)約。

①?gòu)牟僮鞣矫婀?jié)能。電的使用方面，由于精餾有兩套體系，兩套體系的產(chǎn)品罐進(jìn)行聯(lián)通，關(guān)注還原車間所需的精制三氯氫硅的量，還原車間需要的量小就用功率小的產(chǎn)品泵輸送，反之亦然，從而達(dá)到節(jié)省電能的效果。在中控操作的員工時(shí)刻對(duì)精餾塔進(jìn)行微調(diào)，讓塔在平穩(wěn)的狀態(tài)下進(jìn)行生產(chǎn)也是節(jié)能過(guò)程。蒸汽是最大的消耗，也是節(jié)能重點(diǎn)，首先要及時(shí)定期排冷凝水，及時(shí)處理蒸汽漏點(diǎn);還可以提高回流冷凝后溫度，減少循環(huán)水閥門(mén)開(kāi)度，這樣再沸器蒸汽的使用量可相對(duì)的減少，達(dá)到節(jié)省蒸汽的效果。

②選擇最適宜的回流比。對(duì)于回流設(shè)置較大的精餾塔，在不降低產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)的條件下，只要降低回流量，即可降低塔底再沸器能耗。在降回流量的過(guò)程中可把各個(gè)塔的回流參數(shù)進(jìn)行綜合分析對(duì)比，如:回流設(shè)定值、回流顯示值、回流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度、現(xiàn)場(chǎng)塔窺視孔的漏液情況、產(chǎn)品組分、產(chǎn)品雜質(zhì)情況;找出最適宜回流比，達(dá)到節(jié)能效果。

③中間換熱節(jié)能。對(duì)于塔釜溫差較大的除重精餾塔，可以增加中間換熱器方式來(lái)節(jié)省或回收能量。中間換熱的方式為采出的物料和進(jìn)料進(jìn)行換熱，對(duì)采出來(lái)說(shuō)是個(gè)冷凝器，對(duì)進(jìn)料來(lái)說(shuō)是預(yù)加熱器，可改變進(jìn)料的溫度，減少蒸汽使用量，達(dá)到精餾節(jié)能效果。

2.4 培訓(xùn)

在公司內(nèi)部挖掘培訓(xùn)教材和培訓(xùn)師資，對(duì)員工進(jìn)行合理培訓(xùn)，做到學(xué)以致用。①車間領(lǐng)導(dǎo)對(duì)班組長(zhǎng)培訓(xùn)應(yīng)著重其各種溝通與管理能力和技巧、現(xiàn)場(chǎng)管理基本知識(shí)、各種工藝控制。②班長(zhǎng)和主操每周組織班組學(xué)習(xí)，包括安全培訓(xùn)和技能培訓(xùn);培訓(xùn)應(yīng)強(qiáng)調(diào)與精餾外操、內(nèi)操、罐區(qū)裝卸車工作相關(guān)的操作層面的內(nèi)容。③新進(jìn)的員工經(jīng)過(guò)三級(jí)安全培訓(xùn)后，進(jìn)入車間后確定師傅帶徒弟進(jìn)行裝置現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)。④所有員工應(yīng)積極主動(dòng)參加公司定期舉行的各類講座，同時(shí)強(qiáng)調(diào)員工自我培訓(xùn)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)意識(shí)、端正學(xué)習(xí)態(tài)度、實(shí)踐學(xué)習(xí)內(nèi)容，完善業(yè)務(wù)知識(shí)體系。

2.5 精餾塔停車、年度大檢修及開(kāi)車

所有員工對(duì)年度大檢修應(yīng)從思想上高度重視，即強(qiáng)調(diào)檢修期間現(xiàn)場(chǎng)的交接、配合，也強(qiáng)調(diào)與外協(xié)人員溝通、協(xié)調(diào);做好充分的停車、檢修、開(kāi)車準(zhǔn)備工作(包括思想準(zhǔn)備、安全措施準(zhǔn)備、檢修方案和材料準(zhǔn)備)。注意停車退料、吹掃裝置、置換階段安全控制;注意檢修施工作業(yè)的危險(xiǎn)識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)安全控制、大檢修創(chuàng)新安全控制管理;注意開(kāi)車時(shí)釜溫緩慢升溫，精餾現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)排蒸汽冷凝水，防止管道水擊，精餾塔進(jìn)行全回流后，中控注意冷凝后溫度的變化，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這個(gè)溫度可以判定精餾塔的保壓氮?dú)饣虿荒龤怏w是否排凈。

2.6 其他方面的問(wèn)題

①員工應(yīng)急問(wèn)題處理能力的培養(yǎng)，停循環(huán)水問(wèn)題、停冷媒(7℃鹽水、乙二醇)、停蒸汽、停電、停儀表氣、停氮?dú)?，以及開(kāi)展消防演習(xí)。②問(wèn)題處理意識(shí)的提高，對(duì)安全巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常情況要有高度的重視，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程在問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理。③人員溝通、協(xié)調(diào)與合作方面的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

在多晶硅精餾生產(chǎn)實(shí)際中，影響因素很多，要保障安全、穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的精制三氯氫硅，是對(duì)精餾車間操作員工(包括外操和內(nèi)操)的考驗(yàn)。操作人員要既要了解氯硅烷的理化性質(zhì)，了解基本原理和工藝流程，嚴(yán)格按作業(yè)程序操作;也要了解適當(dāng)設(shè)備、安全知識(shí);對(duì)生產(chǎn)做到心中有數(shù)，在生產(chǎn)過(guò)程中，不應(yīng)該放過(guò)任何一細(xì)小環(huán)節(jié)，懂得緊急處理措施。

［1］湯培平，陳云霞，徐 敏，等.冶金法制備太陽(yáng)能硅過(guò)程的濕法除硼研究［J］.化學(xué)工程，2010，38(11):8－71.

［2］司 恭.改良西門(mén)子工藝生產(chǎn)多晶硅的安全問(wèn)題［J］.安全，2010，2:16－19.

［3］鄧 豐，唐正林.多晶硅生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工藝出版社.2011.

［4］李景元.現(xiàn)代企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理運(yùn)作實(shí)務(wù)［M］.北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2007.