淺談多晶硅生產(chǎn)過程成本控制

李俊杰 秦 琴 曾曉國

(1.洛陽中硅高科技有限公司，河南 洛陽 471023；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

2018 年，受“5·31 光伏新政”影響，太陽能級多晶硅價格急劇下跌，導致國內(nèi)大量多晶硅企業(yè)被迫停產(chǎn)檢修。2020 年，隨著內(nèi)蒙、新疆等地享有低電價優(yōu)勢的多晶硅企業(yè)的產(chǎn)能釋放，多晶硅價格下降至60 元/kg 以下，多晶硅價格和生產(chǎn)成本嚴重倒掛，部分企業(yè)宣布破產(chǎn)[1]。面對多晶硅行業(yè)殘酷的洗牌，只有繼續(xù)采取降低生產(chǎn)能源消耗、優(yōu)化組織運行、提高精細化管理水平、謀求轉(zhuǎn)型發(fā)展等全面降低生產(chǎn)成本的措施才能在市場競爭中生存。

1 多晶硅生產(chǎn)成本構(gòu)成

太陽能級多晶硅生產(chǎn)工藝就是通過物理提純、化學反應(yīng)等方式將工業(yè)硅中的硼、磷、碳和金屬雜質(zhì)去除，最終得到99.999 9%～99.999 999 9%的高純硅的過程[2]。多晶硅的生產(chǎn)不僅要消耗硅粉、三氯氫硅等原料，同時還要消耗電力、蒸汽、水等能源。以國內(nèi)某多晶硅企業(yè)為例，多晶硅生產(chǎn)成本組成見表1。

由表1 可以看出，多晶硅生產(chǎn)成本包括硅粉和三氯氫硅的消耗、電力消耗、蒸汽消耗、人力成本、設(shè)備折舊和其他消耗等，因此生產(chǎn)成本控制需要從上述幾方面入手。

表1 多晶硅生產(chǎn)成本組成情況

2 多晶硅生產(chǎn)成本控制措施

2.1 降低硅材料消耗

根據(jù)元素守恒定律，結(jié)合多晶硅企業(yè)生產(chǎn)實際運行情況，每生產(chǎn)1 t 多晶硅消耗1.1～1.2 t 硅，所以硅材料消耗的大小將直接影響生產(chǎn)成本的控制。降低硅材料消耗的措施主要包括降低氫化系統(tǒng)的硅粉消耗、物料回收等。

2.1.1 降低氫化系統(tǒng)的硅粉消耗

國內(nèi)多晶硅企業(yè)的流化床氫化裝置運行周期為3～18 個月，運行時間不同，成本相差較大，因此保障系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行、減少系統(tǒng)檢修次數(shù)對于降低硅材料消耗而言非常關(guān)鍵。

1)要對反應(yīng)器的分布器、旋風分離器等關(guān)鍵部位進行優(yōu)化設(shè)計，保證反應(yīng)器內(nèi)的氣體分布均勻，保證進行旋風分離的硅粉有效收集并能重新返回反應(yīng)器，減少進入后續(xù)系統(tǒng)的硅粉量，同時降低系統(tǒng)檢修頻次，從而大幅降低硅粉的損耗。

2)要提高進料四氯化硅的純度，減少四氯化硅蒸發(fā)器及電加熱器的堵塞，避免系統(tǒng)頻繁檢修。若電加熱器出現(xiàn)硅粉堵塞，電加熱管易局部過熱，影響電加熱器的使用壽命，甚至出現(xiàn)電加熱管泄漏等安全事故，導致系統(tǒng)緊急停車。

3)合理制定系統(tǒng)運行參數(shù)，優(yōu)化氫氣和四氯化硅的配比，控制硅粉粒度比例、觸媒添加比例，提高氫化反應(yīng)的一次轉(zhuǎn)化率和硅粉的轉(zhuǎn)化率，降低硅粉消耗。

2.1.2 進行物料回收

多晶硅生產(chǎn)過程中精餾提純系統(tǒng)會定期排放氮氣、氯化氫等不凝性氣體，以保證精餾塔內(nèi)壓力、溫度和回流量的穩(wěn)定。同時，氫化系統(tǒng)和還原爐間斷出裝爐的氮氣置換過程也會排放一部分尾氣，現(xiàn)場一些設(shè)備的檢修置換也會產(chǎn)生氯硅烷尾氣。這些尾氣中含有二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅等物料，因此物料的回收率直接關(guān)系到三氯氫硅的補充量，影響硅材料消耗的成本。

對于生產(chǎn)正常排放和臨時檢修置換排放的尾氣，要進行合理的回收。設(shè)計合理的尾氣深冷加壓處理系統(tǒng)，通過壓縮機將低壓尾氣加壓至0.35～0.5 MPa，再通過-55～-35 ℃的冷媒降溫，然后對尾氣中的氯硅烷物料進行深度回收利用。此外，該系統(tǒng)還要考慮尾氣中氮氣的含量及氣體流動速度，增加尾氣的冷凝時間，以提高物料的回收率，減少進入尾氣淋洗塔的氯硅烷量，做到在減少物料損失的同時降低三廢系統(tǒng)的處理成本。

此外，三氯氫硅還原反應(yīng)會產(chǎn)生一些高沸物，這些高沸物同樣也會造成設(shè)備的堵塞，因此對系統(tǒng)高沸物的有效處理也是降低物料消耗的重要途徑。多晶硅系統(tǒng)氯硅烷殘液的高效濃縮、過濾、精餾回收裝置可以將氫化系統(tǒng)排放的含四氯化硅物料的金屬氯化物進行多級過濾回收，在系統(tǒng)排出雜質(zhì)的同時提高物料的回收量。對于還原反應(yīng)過程中產(chǎn)生的六氯乙硅烷等高沸點物質(zhì)，可以通過裂解反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為四氯化硅、三氯氫硅等氯硅烷，然后將它們返回系統(tǒng)重新利用，以降低物料消耗。

2.2 降低電力消耗

多晶硅生產(chǎn)過程中，三氯氫硅還原工序是用電大戶，其電力消耗占全部電力消耗的65%以上，四氯化硅氫化、尾氣回收處理、循環(huán)冷卻水等工序也是主要用電點。因此多晶硅企業(yè)降低電力消耗可以從這幾個用電工序入手。

2.2.1 降低物料循環(huán)消耗

利用Fluent 流體力學模擬軟件模擬并通過實驗調(diào)整，優(yōu)化還原爐噴嘴供料方式、供料曲線和硅棒電流提升曲線，使還原爐內(nèi)的氣體分布和溫度分布更加均勻，提高還原爐內(nèi)三氯氫硅的一次轉(zhuǎn)化率，減少三氯氫硅的物料消耗，有效減少提純精餾系統(tǒng)的無效循環(huán)[3]，降低蒸汽消耗，減少還原爐內(nèi)四氯化硅的產(chǎn)量，從而減少四氯化硅氫化系統(tǒng)和后續(xù)粗餾系統(tǒng)的處理量，達到全系統(tǒng)節(jié)能的目的。

2.2.2 動態(tài)匹配調(diào)整生產(chǎn)負荷

在多晶硅企業(yè)的日常生產(chǎn)組織調(diào)度中，生產(chǎn)負荷會受到裝置異常、能源供給波動、市場銷售等突發(fā)情況的影響，而生產(chǎn)負荷的調(diào)整會造成系統(tǒng)匹配度下降，公輔系統(tǒng)出現(xiàn)大馬拉小車的情況，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性降低。

企業(yè)要建立生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)平衡控制系統(tǒng)。首先，要梳理建立全廠用能設(shè)備臺賬清單，掌握運行設(shè)備的設(shè)計處理能力和實際處理能力，為后續(xù)生產(chǎn)負荷精準調(diào)控提供基礎(chǔ)；其次，要針對企業(yè)裝置的設(shè)置特點，進行不同生產(chǎn)負荷的匹配分析，尋找不同生產(chǎn)負荷下最佳公輔系統(tǒng)匹配運行方案，使系統(tǒng)達到最優(yōu)的經(jīng)濟運行狀態(tài)；最后，生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)平衡控制系統(tǒng)要在日常生產(chǎn)組織調(diào)度中不斷進行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，使電力消耗、蒸汽消耗、水消耗等指標達到相對最優(yōu)，使多晶硅產(chǎn)出的成本降到最低。

2.2.3 提高單個裝置運行效率

評估單個系統(tǒng)、裝置的效能，進行裝置差異化管理。例如，雖然同等型號的還原尾氣壓縮機的額定功率一樣，但是處理氣量會有所差別。通過效能分析診斷，可以掌握哪臺設(shè)備更加節(jié)能，方便在系統(tǒng)運行匹配的同時提醒設(shè)備管理部門提前進行相關(guān)設(shè)備的檢修和故障診斷。對于一些換熱設(shè)備，及時進行換熱效果的評估和對比也是發(fā)現(xiàn)換熱器換熱效果不佳、內(nèi)部管束可能存在堵塞或泄漏的有效方法，然后通過計劃檢修，不僅可以節(jié)約蒸汽使用量，還可以及時消除系統(tǒng)存在的安全隱患。

2.2.4 動態(tài)優(yōu)化調(diào)整公輔系統(tǒng)

公輔系統(tǒng)在多晶硅生產(chǎn)中的綜合電力消耗約占40%，因此眾輔系統(tǒng)的運行匹配狀態(tài)將直接影響整體電力消耗的控制。電解水制氫系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)是公輔系統(tǒng)中最大的電力消耗部分，通過生產(chǎn)組織過程的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，可以節(jié)約一部分能源消耗[4]。

電解水制氫系統(tǒng)是成套裝置，單位氫氣生產(chǎn)的電力消耗主要受電解槽負荷率的影響，電單耗為4.5～5 kWh/Nm3。在終端用戶需求量穩(wěn)定的情況下，電單耗指標相對較優(yōu)。將電解水制氫系統(tǒng)的電單耗控制在較優(yōu)水平有以下幾個措施:1)保持電解水制氫裝置處于良好運行狀態(tài)，減少設(shè)備泄漏等異常情況的發(fā)生；2)通過加大氫氣存儲的空間，增加系統(tǒng)氫氣的緩沖量，通過合理生產(chǎn)調(diào)度安排全廠氫氣使用計劃，減少電解槽的開停次數(shù)，提高單臺電解槽的運行效率，使裝置達到產(chǎn)氣量和電力消耗的最佳平衡點；3)非直購電多晶硅企業(yè)應(yīng)合理利用夜間波谷電價，盡可能多存儲氫氣，在白天波峰電價時間減少電解槽的用電負荷，以達到節(jié)電的目的。

在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)節(jié)能方面，可以進行以下幾個工作:1)做好換熱設(shè)備的用能管理，杜絕大流量小溫差的情況，減少循環(huán)水量，從而降低水泵的運行功率；2)精餾提純系統(tǒng)要合理控制塔系運行參數(shù)，減少無效的塔內(nèi)物料循環(huán)，在降低蒸汽消耗的同時減少循環(huán)水的冷卻負荷，從而減少冷卻塔風機開啟時間或降低其運行頻率，以降低電力的消耗；3)根據(jù)系統(tǒng)負荷調(diào)整情況和冬季等外界環(huán)境溫度變化情況，在滿足主工藝運行參數(shù)需求的前提下，及時動態(tài)調(diào)整循環(huán)水的供水溫度，減少冷卻塔風機的運行負荷，最終達到節(jié)電的目的。

2.2.5 優(yōu)化電力匹配

生產(chǎn)管理人員要做好全年用電計劃的核算，確保用電計劃的準確性，并做好月度用電計劃的分解工作。當生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，要及時與相關(guān)用電單位和電力交易平臺進行溝通，根據(jù)生產(chǎn)負荷情況進行用電計劃和電力最大需量的調(diào)整，避免出現(xiàn)電力偏差考核。

在月度用電計劃分解方面，要做好還原爐、氫化裝置、電解槽等大型用電設(shè)備的排產(chǎn)工作，做好電負荷變化趨勢的預(yù)判，動態(tài)掌握全廠電力負荷的變化情況。當用電瞬時負荷接近電力考核最大需量時，要果斷采取急停設(shè)備或者降低設(shè)備運行功率的措施，合理避開電力最大需量的考核范圍，減少變壓器容量費的支出，降低用電費用。

2.3 降低蒸汽消耗

蒸汽是多晶硅企業(yè)重要的熱源，主要用于精餾提純、尾氣回收、氫化、三廢三效蒸發(fā)等系統(tǒng)。降低蒸汽消耗可以采取以下幾個措施:

2.3.1 全廠熱量綜合利用

生產(chǎn)調(diào)度要合理安排還原爐的運行爐數(shù)，建立還原爐自產(chǎn)熱量與后續(xù)提純系統(tǒng)用熱設(shè)備用熱量之間的動態(tài)平衡，使系統(tǒng)自產(chǎn)熱量得到及時消耗，避免出現(xiàn)系統(tǒng)熱量富余但外供蒸汽消耗量大的情況，通過統(tǒng)一協(xié)調(diào)全廠熱量，降低系統(tǒng)蒸汽的補充量。

2.3.2 提純系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

對提純系統(tǒng)進行流程梳理和分析，通過再沸器熱源耦合改造，減少蒸汽的直接消耗。在物料流程優(yōu)化方面，充分利用塔出料與塔進料進行換熱，減少物料預(yù)熱消耗。將蒸汽冷凝水進行回收，將其熱量用于低沸點物料的分離，然后將富余熱量用于溴化鋰機組生產(chǎn)七度水，提高熱量的利用率。

優(yōu)化提純系統(tǒng)回流量，減少無效循環(huán)。嚴格控制塔頂冷凝器的下液溫度，杜絕出現(xiàn)下液溫度過低的現(xiàn)象，減少再沸器熱負荷。這樣不僅可以大大降低蒸汽消耗，還可以減少塔頂冷凝器冷卻水的用量。

2.3.3 氫化系統(tǒng)熱量優(yōu)化

綜合利用氫化反應(yīng)部分的高溫熱量，在反應(yīng)器出口增加氣氣換熱器，在氣體進入反應(yīng)器前與出口氣體進行換熱，降低預(yù)熱爐使用功率。此外，增加氣液換熱器，將系統(tǒng)高溫熱量與四氯化硅進料換熱，降低四氯化硅蒸發(fā)器的蒸汽消耗。

2.4 降低人力成本

提高智能化水平，優(yōu)化人員配置，是降低人力成本的重要措施，可以通過以下幾個方面的改進降低人力成本:

1)提高自動化水平，設(shè)備實現(xiàn)大型化，裝置實現(xiàn)規(guī)?；?，以減少人員配置。

2)建立科學完善的生產(chǎn)管控平臺，基于生產(chǎn)信息分析系統(tǒng)運行情況[5]，協(xié)助生產(chǎn)管理人員更好地掌握生產(chǎn)狀態(tài)，及時進行生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，減少人力投入。

3)進行設(shè)備升級改造，減少故障發(fā)生頻次和施工檢修工作量。提高自動化水平，增加先進控制系統(tǒng)，采用巡檢機器人等設(shè)備替代部分員工，減少人員配置。

4)優(yōu)化布置DCS 控制中心，崗位操作人員實行合并辦公，減少人員數(shù)量。

5)對物料裝卸、多晶硅產(chǎn)品后處理包裝、破碎等強度高、技能低的崗位進行勞務(wù)替代，減少工資和社保支付，降低人力成本。

2.5 動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)方案

目前多晶硅致密料和珊瑚料每噸銷售價格相差2 萬元，并且隨著下游客戶對質(zhì)量要求越來越高，增加硅棒致密料比例、滿足單晶硅片生產(chǎn)所需硅料的要求將是企業(yè)進行后續(xù)生產(chǎn)發(fā)展、降低生產(chǎn)成本的有效途徑。優(yōu)化還原爐運行參數(shù)，制定合適的供料曲線、硅棒電流控制曲線，選擇合適的三氯氫硅和氫氣的進料配比，摸索出硅棒沉積速率和致密料比例的最佳經(jīng)濟平衡點，通過改進質(zhì)量提高硅料的整體銷售價格，增加企業(yè)的營收。

在市場物料供需關(guān)系發(fā)生變化時，太陽能多晶硅生產(chǎn)中涉及的四氯化硅、三氯氫硅等過程物料會出現(xiàn)價格倒掛的情況。在四氯化硅需求量大并且其價格和三氯氫硅價格相差不大的情況下，企業(yè)可調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的運行模式，降低氫化系統(tǒng)的運行負荷，增加四氯化硅的外售量[6]，采購三氯氫硅。通過物料置換，可減少氫化系統(tǒng)的運行時間，在確保多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

3 結(jié)束語

隨著光伏產(chǎn)品平價上網(wǎng)、政府補貼等政策收緊，能否進一步降低生產(chǎn)成本直接決定了多晶硅企業(yè)的生死存亡。因此，在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營中，要針對自身系統(tǒng)的特點，分析生產(chǎn)成本構(gòu)成要素，要從降低原料和能源消耗、優(yōu)化人員配置、根據(jù)市場情況進行生產(chǎn)動態(tài)調(diào)整、加強操作過程精細化管控等方面入手，不斷降低生產(chǎn)成本，確保企業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。