多晶硅氯硅烷罐區(qū)的優(yōu)化設計

姜利霞 楊永亮 董麗萍

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅系統(tǒng)主要包括冷氫化裝置、精餾裝置、還原廠房、還原尾氣干法回收裝置和氯硅烷罐區(qū)等，其中氯硅烷罐區(qū)是多晶硅系統(tǒng)的重要組成部分。多晶硅純度和精度要求高，精餾裝置工藝流程復雜，因此過程儲存和緩沖儲罐多，且各工序物料往返頻繁。

多晶硅系統(tǒng)涉及的物料主要為二氯二氫硅、三氯氫硅和四氯化硅，其中二氯二氫硅易燃易爆，閃點為-37 ℃，爆炸極限為4.1%～99%，屬于甲A類危險化學品，毒性程度為中度；三氯氫硅閃點為-13 ℃，爆炸極限為6.9%～70%，屬于甲B類危險化學品，毒性程度為中度；四氯化硅雖無火災危險性，但具有毒性。上述三者遇水均生成氯化氫，對設備和管路有腐蝕性。同時由于儲罐多、規(guī)格大，氯硅烷罐區(qū)危險級別高，安全風險大，管理難度大，屬于重大危險源[1-2]。隨著國家對重大危險源監(jiān)控力度的加強，氯硅烷罐區(qū)必須配置對儲罐液位、溫度和壓力精準自動化調(diào)節(jié)的DCS系統(tǒng)(儀表控制系統(tǒng))、對事故緊急切斷的緊急切斷系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)(安全儀表系統(tǒng))[3]，氯硅烷罐區(qū)的投資較高。在保證氯硅烷罐區(qū)功能和安全規(guī)范要求的前提下，如何減少氯硅烷罐區(qū)的儲罐種類、規(guī)格和數(shù)量是多晶硅企業(yè)必須考慮的問題。

1 氯硅烷罐區(qū)的常規(guī)設計

在多晶硅氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計中，通常按照物料種類及特性、精餾塔類別和分析檢測過程等進行儲罐配置。冷氫化裝置、還原尾氣干法回收裝置和還原廠房均需配備原料罐或產(chǎn)品罐。精餾裝置為各裝置提供原料或產(chǎn)品，且多晶硅純度和精度的高要求，導致精餾裝置流程復雜、塔組種類多，主要包含處理冷氫化料的氫化初分塔、粗餾塔、精餾塔，處理還原尾氣干法回收的干法精餾塔，處理其余塔高低沸的回收塔，處理氫化二氯二氫硅和干法塔二氯二氫硅的反歧化塔等塔組。為保證多晶硅品質(zhì)，精餾裝置每組塔產(chǎn)品均進入罐區(qū)，待檢測合格后方可進入下一級塔組或下一裝置，故每種塔組均設置原料罐和產(chǎn)品罐等，氯硅烷罐區(qū)至少需要配置14種儲罐，涉及的儲罐種類見表1。

表1 氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計儲罐配置表

在儲罐規(guī)格和數(shù)量方面，為保證多晶硅品質(zhì)，每種物料檢測合格后方可進入下一裝置，故每種物料至少配備3個儲罐[4]，功能分別為下料、檢測和出料，同時儲罐數(shù)量需考慮產(chǎn)品不合格時，不合格產(chǎn)品的物料存儲。多晶硅物料的檢測周期為6～8 h，每個儲罐的規(guī)格應保證至少8 h的儲存量，隨著多晶硅規(guī)模的不斷擴大，各裝置和精餾裝置塔組的處理量較大，對應儲罐的規(guī)格加大或數(shù)量增加，罐區(qū)占地大，危險級別高、安全風險大、管理難度大。

2 氯硅烷罐區(qū)的創(chuàng)新設計

本文結合多晶硅生產(chǎn)運營經(jīng)驗和安全規(guī)范要求，打破氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計導致的儲罐種類較多、危險級別高、安全風險大、管理難度大等問題，創(chuàng)新性地提出了氯硅烷罐區(qū)的優(yōu)化設計思路。

2.1 氯硅烷罐區(qū)的創(chuàng)新設計思路

氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計充分考慮了裝置間物料直供，包括不同裝置間、精餾裝置不同塔組間的物料直供。正常工況下，物料不經(jīng)罐區(qū)直接進入下道裝置或塔組，罐區(qū)配置僅考慮故障情況的臨時緩沖，故障排除后應及時將儲罐內(nèi)物料送入精餾塔組或?qū)b置，不做長久儲存使用。

1)儲罐種類方面。鑒于儲罐是設備故障或檢修放料時臨時用于儲存物料，因此將組分含量相同或相近的物料合并，共用一個儲罐。以主要組分為三氯氫硅的物料為例，粗餾塔原料、粗餾塔產(chǎn)品、精餾塔原料、高低沸回收塔原料、高低沸回收塔高低沸、氫化反歧化塔產(chǎn)品和干法反歧化塔產(chǎn)品的主要組分均為三氯氫硅，這些物料共設置一個三氯氫硅罐，當粗餾塔、精餾塔和高低沸回收塔等任一塔組出現(xiàn)故障時，這些物料均輸送至罐區(qū)三氯氫硅罐，待事故排除后，為保證多晶硅品質(zhì)，這些物料均輸送至最前端的粗餾塔。按此分類，氯硅烷罐區(qū)涉及的儲罐種類分為5種即能滿足生產(chǎn)要求。

2)儲罐規(guī)格方面。僅須考慮故障處理期間的物料儲存，同時考慮該故障裝置或塔組中最大儲液量設備的物料全部進入儲罐，保證事故料的儲存。

3)儲罐數(shù)量方面。無需考慮檢測問題，根據(jù)多年多晶硅生產(chǎn)經(jīng)驗，對于易出故障的裝置或塔組，儲罐數(shù)量考慮一定的操作彈性，保證滿足生產(chǎn)和事故工況需要即可。

2.2 氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計的先進性

與氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計相比，氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計的先進性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.2.1 設備投資降低

氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計的設備投資、管道投資和儀表投資均大幅降低。氯硅烷罐區(qū)的創(chuàng)新設計，儲罐種類和數(shù)量減少，泵數(shù)量減少，對應的管道和管閥件大大減少，設備和管道投資大大降低；對于氯硅烷罐區(qū)，由于二氯二氫硅和三氯氫硅危險性較高，必須配置對儲罐液位、溫度和壓力精準自動化調(diào)節(jié)的DCS系統(tǒng)、對事故緊急切斷的緊急切斷系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)，儀表投資是罐區(qū)投資的重要組成部分，儲罐數(shù)量減少，儲罐設置的DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)投資也大大降低。

2.2.2 占地和土建投資降低

由于二氯二氫硅和三氯氫硅火災危險性大，沸點低，儲罐間距、儲罐與防火堤間距、儲罐與泵間距、氯硅烷罐區(qū)與其它裝置的間距均要求較高。氯硅烷罐區(qū)的常規(guī)設計中，罐區(qū)儲罐多占地較大，導致多晶硅系統(tǒng)總圖占地大，而創(chuàng)新設計可以大大降低罐區(qū)占地和土建投資。

2.2.3 冷源能耗大幅降低

氯硅烷罐區(qū)各儲罐工作壓力較低，儲罐溫度低，而各裝置和塔組的物料溫度較高，為防止物料在管路上或儲罐內(nèi)汽化而損失，物料須經(jīng)換熱器冷卻后方可送入罐區(qū)[5]。由于二氯二氫硅和三氯氫硅沸點低，分別為8.2 ℃和31.8 ℃，無法使用常規(guī)循環(huán)水作為冷源，必須使用溫度更低、費用較高的冷源，例如低溫冷凍水和氟利昂。氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計中，正常工況下各裝置和精餾裝置輸送至罐區(qū)的物料種類較多，每種物料均須設置冷卻器，設備數(shù)量多，物料冷卻能耗較高；而氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計，正常工況下物料在裝置間直供，無需冷卻無冷源消耗，物料僅故障工況下輸送至罐區(qū)，且各裝置一般不會同時出現(xiàn)故障，各裝置只需設置一個公用冷卻器，冷卻器設備數(shù)量和冷源消耗大大降低，多晶硅成本也隨之降低。

2.2.4 電耗降低

氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計中，正常工況下各裝置和精餾物料均輸送至罐區(qū)，檢測合格后再由罐區(qū)泵輸送至下一裝置和塔組，罐區(qū)泵運行數(shù)量多，電耗高。而氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計，物料僅故障工況下輸送至罐區(qū)，且各裝置一般不會同時出現(xiàn)故障，罐區(qū)泵基本不運行，電耗大大降低。

2.2.5 安全性提高

在確保安全運營條件下，儲罐種類、數(shù)量減少，正常工況下，各裝置物料直供，氯硅烷罐區(qū)儲罐內(nèi)無物料儲存，且需要操作的管閥件數(shù)量減少，操作方便，降低風險，易于管理。

2.3 氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計的弊端處理

氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計存在一定弊端，裝置間物料直供不能保證每一裝置或塔組產(chǎn)品合格，當某一裝置和塔組產(chǎn)品不合格時，導致最終多晶硅產(chǎn)品不合格，這就對DCS系統(tǒng)和工人操作水平提高了要求。隨著儀表自動化水平和工人素質(zhì)的逐漸提高，多年多晶硅生產(chǎn)經(jīng)驗表明，各裝置和精餾塔組均能保證穩(wěn)定正常運行。同時在管路設計上，各裝置和塔組物料走向均設置正常工況去下一裝置和事故或非正常工況去罐區(qū)的儀表切斷閥，當某一裝置出現(xiàn)波動時，可及時暫時將物料輸送至罐區(qū)。

3 結束語

與氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設計相比，氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計雖存在一定不足，但從設備投資、儀表投資、土建投資、冷源消耗、電耗和風險性方面均存在較大優(yōu)勢，并經(jīng)現(xiàn)有企業(yè)的實際運行情況驗證，氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設計可以滿足多晶硅系統(tǒng)生產(chǎn)需要和規(guī)范要求，有很好的推廣價值。