多晶硅生產(chǎn)管理中的核算和分析

張 科，周書紅，彭冬壽

(新疆東方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 837100)

目前，我國除協(xié)鑫科技、陜西天宏使用硅烷法生產(chǎn)顆粒硅[1]以外，其余企業(yè)均采用改良西門子法生產(chǎn)棒狀硅。改良西門子法生產(chǎn)棒狀硅的能耗高、成本高、純度高，而硅烷流化床法生產(chǎn)顆粒硅的則相反。西門子法工藝已經(jīng)非常成熟，在工藝差別不大的情況下，企業(yè)間的成本競(jìng)爭(zhēng)就體現(xiàn)在精細(xì)化的生產(chǎn)管理上。生產(chǎn)管理中的動(dòng)態(tài)物料匹配、能源匹配等都需要進(jìn)行核算才能準(zhǔn)確掌控。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來說，經(jīng)驗(yàn)值和簡(jiǎn)易的核算模型已經(jīng)成為生產(chǎn)調(diào)控中不可或缺的方法。

1 改良西門子法制備工藝

改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝一般分為：精餾工藝、還原工藝、冷氫化工藝、尾氣回收工藝，流程如圖1所示。

圖1 西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程圖

該生產(chǎn)中的主要控制指標(biāo)有：綜合電耗、還原直接電耗、蒸汽單耗、硅單耗、氯單耗、氫單耗等。這些指標(biāo)是一個(gè)企業(yè)整體工藝水平及管理水平的體現(xiàn)。在生產(chǎn)管理過程中，通過定期對(duì)物料、能源計(jì)量數(shù)據(jù)的核算，總結(jié)某一時(shí)間段的生產(chǎn)運(yùn)行情況，然后找出偏離的指標(biāo)數(shù)據(jù)，為下一階段生產(chǎn)提出糾偏方向。指標(biāo)中單耗計(jì)算以物料平衡為基礎(chǔ)，本文對(duì)物料平衡核算和指標(biāo)單耗計(jì)算的過程進(jìn)行分析。

2 物料平衡核算

物料平衡核算基本思路如下：

1)根據(jù)還原TCS進(jìn)料量及還原爐的一次轉(zhuǎn)化率，計(jì)算多晶硅的產(chǎn)量。例如：還原一次轉(zhuǎn)化率為11%，還原供料TCS 274 t/h，則可生產(chǎn)多晶硅 6.23 t/h。還原反應(yīng)產(chǎn)物以氣相形式進(jìn)入尾氣回收系統(tǒng)進(jìn)行回收分離。宏觀上還原反應(yīng)可歸納為 (1)～(3)[2]。

(1)

(2)

(3)

2)結(jié)合尾氣回收日常監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定還原尾氣中各個(gè)組分的量，包括H2、HCl、DCS、TCS以及STC。尾氣中的HCl通過冷氫化合成系統(tǒng)及外補(bǔ)硅粉又合成為TCS，其中的DCS和一部分STC通過反歧化系統(tǒng)重新合成為TCS回收利用。尾氣回收中的氫氣，除還原爐置換少量消耗外，其余一部分返回還原系統(tǒng)重新利用，另一部分進(jìn)入冷氫化系統(tǒng)進(jìn)行合成TCS反應(yīng)。TCS合成反應(yīng)方程可按(4)～(6)計(jì)算，反歧化反應(yīng)按照按(7)式計(jì)算。

(4)

(5)

(6)

(7)

3)冷氫化系統(tǒng)中，尾氣回收的絕大部分STC通過冷氫化合成反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為TCS。冷氫化反應(yīng)中STC的轉(zhuǎn)化率約為25%。部分STC和硅粉通過渣漿回收排出系統(tǒng)之外。冷氫化反應(yīng)方程：

(8)

綜合以上物料平衡思路及反應(yīng)方程，可建立EXCEL粗略計(jì)算模型，用于生產(chǎn)中快速的判斷物料平衡狀態(tài)，以測(cè)算結(jié)果對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整。

以年產(chǎn) 50000 t，系統(tǒng)運(yùn)行 8000 h 為例，生產(chǎn)管理中的簡(jiǎn)易物料平衡計(jì)算如表1所示。

表1 多晶硅物料平衡表

3 生產(chǎn)指標(biāo)核算和分析

改良西門子法本質(zhì)上是一個(gè)單質(zhì)元素化學(xué)提純，即粗硅變成高純晶硅的過程，氯和氫元素僅在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化和傳遞，理論上為零消耗。但實(shí)際上隨著雜質(zhì)的排放，硅、氯和氫不可避免存在流失，造成物料額外消耗[3]。在生產(chǎn)過程控制中，如何降低這幾種元素?fù)p耗，成為企業(yè)生產(chǎn)管理的主要研究方向。生產(chǎn)管理中常用的核算和分析方法如下：

1)氯單耗指標(biāo)

利用氯元素質(zhì)量守恒原理，將系統(tǒng)中循環(huán)的氯元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以一定周期內(nèi)系統(tǒng)中氯元素的消耗總量除以該周期中多晶硅的總產(chǎn)量，就可以得到氯單耗數(shù)據(jù)。未建立TCS合成系統(tǒng)的企業(yè)都會(huì)通過外購TCS(或STC)來補(bǔ)充系統(tǒng)運(yùn)行中損耗的氯元素。

從表1看出，年產(chǎn)50000t的多晶硅企業(yè)，在氯單耗0.35的工藝條件下，每月(按30天計(jì))需要補(bǔ)充近 2000 t 外購TCS。

系統(tǒng)中氯元素的損耗，主要集中在兩個(gè)方面：①氫化系統(tǒng)STC外排殘液的水解。冷氫化及尾氣回收系統(tǒng)中的氯硅烷所排放的STC殘液，除單硅TCS、STC以外，還含有大量多硅高沸物，如Si2Cl6、Si3Cl8和 Si4Cl10等[4]。這些高沸物經(jīng)過濃縮后進(jìn)行水解，使系統(tǒng)損失大量的氯元素。②尾氣中未冷凝下來的氯硅烷隨一些不凝氣體如H2、N2、HCl等進(jìn)入廢氣淋洗系統(tǒng)，最終氯硅烷、HCl水解，也會(huì)造成氯元素浪費(fèi)。

2)硅單耗指標(biāo)

同樣，利用硅元素質(zhì)量守恒原理，將系統(tǒng)中循環(huán)的硅元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。以一定周期內(nèi)系統(tǒng)中硅元素的消耗總量除以該周期中多晶硅的總產(chǎn)量，就可以得到硅單耗數(shù)據(jù)。

統(tǒng)循環(huán)中硅元素消耗，除多晶產(chǎn)品產(chǎn)出以及上述隨氯元素同時(shí)損耗的外，還有一部分為氫化系統(tǒng)在線過濾器分離出的固體硅粉損耗。從表1看出，上述條件下，每生產(chǎn) 6.23 t 多晶硅產(chǎn)品，總計(jì)要損耗掉 0.87 t 硅元素。工藝水平先進(jìn)的企業(yè)會(huì)通過殘液濃縮塔、高沸裂解等[5]工藝來提高殘液的回收率，盡可能的減少水解殘液量。以新疆東方希望新能源公司為例，外排至渣漿的殘液總量在冷氫化進(jìn)料量的4%左右，其中約有80%的通過渣漿干法回收系統(tǒng)回收利用。另外，該公司正在新建先進(jìn)的不凝氣吸附深冷回收系統(tǒng)，投用后預(yù)計(jì)尾氣中的氯硅烷回收率可大于 90%。

3)氫單耗指數(shù)

氫氣單耗：以一定周期內(nèi)新鮮氫補(bǔ)充總量除以該周期中多晶硅的總產(chǎn)量，就可以得到氫單耗數(shù)據(jù)。

多晶硅的四大工藝中，還原工藝分解TCS產(chǎn)出H2，冷氫化系統(tǒng)消耗H2合成TCS。從表1看出，還原反應(yīng)產(chǎn)出的H2和冷氫化合成消耗的H2基本處于平衡狀態(tài)，從兩個(gè)反應(yīng)的方程中也可確認(rèn)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，絕大部分企業(yè)仍有較高的氫氣單耗，主要原因有以下幾個(gè)方面：①系統(tǒng)置換。如還原爐開停爐置換，冷氫化系統(tǒng)開車置換等，消耗一定量的氫氣。②系統(tǒng)運(yùn)行過程中，還原和冷氫化產(chǎn)量不匹配。還原負(fù)荷高，氫氣存儲(chǔ)受限就會(huì)大量放空，造成浪費(fèi)；冷氫化負(fù)荷高，又會(huì)需要額外補(bǔ)充大量的新鮮氫。③冷氫化產(chǎn)出的低溫高壓冷凝料中溶解氫，通過粗分塔解析放空。④壓縮機(jī)氫氣密封氣泄露等。

越來越多的新建企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到控制氫氣消耗的重要性，主要通過新建PSA(變壓吸附)項(xiàng)目來回收以上過程中放空的氫氣[6]。事實(shí)證明，合理回收生產(chǎn)過程中放空的氫氣，可以極大的降低氫氣單耗。

4)電耗指標(biāo)

還原電耗：還原單爐電耗量與單爐產(chǎn)量(Si)的比值，以kWh/kg來表示。

綜合電耗：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)與所有生產(chǎn)相關(guān)的電耗量與該時(shí)間內(nèi)的所有多晶產(chǎn)量(Si)比值，同樣以kWh/kg來表示。

目前，行業(yè)內(nèi)多晶硅的還原電耗一般在 40 kWh/kg，綜合電耗一般在 60 kWh/kg 左右。還原電耗的主要影響因素有：反應(yīng)溫度、H2和TCS物質(zhì)的量比、反應(yīng)沉積速度、通料流量、反應(yīng)時(shí)間等。對(duì)不同類型的還原爐和匹配電器，還原電耗也不同。對(duì)于同一類還原爐來說，需要不斷的嘗試和總結(jié)才能找出最佳的反應(yīng)條件。綜合電耗的主要影響因素除還原電耗以外，還有企業(yè)的生產(chǎn)匹配程度，其他工藝水平、用能設(shè)備能耗等級(jí)等。

在生產(chǎn)管理中，要做到生產(chǎn)上下游匹配，主工藝和輔助車間匹配，這樣才能避免大馬拉小車的運(yùn)行模式，減少電力能源浪費(fèi)。

5)蒸汽單耗指標(biāo)

蒸汽單耗：產(chǎn)出每噸多晶硅的蒸汽消耗，單位時(shí)間內(nèi)所有蒸汽耗量與該時(shí)間內(nèi)多晶硅的產(chǎn)量比值，以kg/kg表示。

多晶硅生產(chǎn)主工藝車間中，除還原工藝中閃蒸產(chǎn)出蒸汽外，其余車間均消耗蒸汽。根據(jù)還原爐能耗等級(jí)、通料匹配程度、閃蒸分級(jí)等不同，還原閃蒸出的蒸汽量也不同。以新疆東方希望新能源公司為例，還原蒸汽產(chǎn)出比例大致在40～45 t/t。最新的56對(duì)棒還原爐，閃蒸蒸汽產(chǎn)熱和輸入電功率比例大致為0.58。按上述數(shù)據(jù)估算，生產(chǎn)管理中可利用 1000 kW 功率還原爐產(chǎn)出 1 t 蒸汽的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系來調(diào)整熱量平衡。

精餾及其他涉及到氯硅烷加熱相變的工序，可以查其工況下的汽化熱及比熱容等參數(shù)，通過計(jì)算精餾過程中的顯熱變化及潛熱變化熱值，折合為工況下的蒸汽熱值。以東方希望新能源公司三期粗分塔為例，可建立excel計(jì)算表，如表2所示。

表2 粗分塔蒸汽耗量估算表

同理，精餾車間的各個(gè)塔系也可以按照此種計(jì)算表格，將蒸汽消耗計(jì)算編輯為公式，生產(chǎn)調(diào)整過程中，通過改變公式輸入條件，估算蒸汽消耗情況。

生產(chǎn)中可用以下幾種生產(chǎn)管理思路來降低蒸汽消耗：①還原工序采用先進(jìn)的分級(jí)閃蒸技術(shù)，充分利用工藝流程中各級(jí)換熱水的熱量；②精餾工序通過采用先進(jìn)的精餾塔，如分隔壁塔、多效精餾塔等來達(dá)到節(jié)能的目的；③精餾塔在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，控制最小回流比，減少蒸汽用量。

4 結(jié)語

本文闡述了生產(chǎn)管理中物料平衡及相關(guān)單耗指標(biāo)的核算方法，分析了單耗指標(biāo)影響因素與基本控制方向?？偨Y(jié)了生產(chǎn)管理中核算與分析的目的：

1)通過生產(chǎn)指標(biāo)核算和分析，進(jìn)行工藝優(yōu)化、管理提升，達(dá)到降低成本的目的。

2)通過生產(chǎn)核算，可以在系統(tǒng)開車過程中，或者在生產(chǎn)負(fù)荷大幅度調(diào)整過程中，提前快速的做出生產(chǎn)系統(tǒng)物料匹配、能源匹配方案。按照方案進(jìn)行逐步調(diào)整，可以有效的縮短系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間，減少能源浪費(fèi)。

3)在正常生產(chǎn)過程中，很多計(jì)量?jī)x表設(shè)備會(huì)出現(xiàn)誤差，特別是氫氣管線流量計(jì)、蒸汽管線流量計(jì)、殘液STC相關(guān)管線流量計(jì)等，通過物料平衡核算和各個(gè)單耗核算，可以在一定程度上修正以上誤差，使最終的生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，以便精確指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)整。