多晶硅氯硅烷罐区的优化设计

姜利霞 杨永亮 董丽萍

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅系统主要包括冷氢化装置、精馏装置、还原厂房、还原尾气干法回收装置和氯硅烷罐区等，其中氯硅烷罐区是多晶硅系统的重要组成部分。多晶硅纯度和精度要求高，精馏装置工艺流程复杂，因此过程储存和缓冲储罐多，且各工序物料往返频繁。

多晶硅系统涉及的物料主要为二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅，其中二氯二氢硅易燃易爆，闪点为-37 ℃，爆炸极限为4.1%～99%，属于甲A类危险化学品，毒性程度为中度；三氯氢硅闪点为-13 ℃，爆炸极限为6.9%～70%，属于甲B类危险化学品，毒性程度为中度；四氯化硅虽无火灾危险性，但具有毒性。上述三者遇水均生成氯化氢，对设备和管路有腐蚀性。同时由于储罐多、规格大，氯硅烷罐区危险级别高，安全风险大，管理难度大，属于重大危险源[1-2]。随着国家对重大危险源监控力度的加强，氯硅烷罐区必须配置对储罐液位、温度和压力精准自动化调节的DCS系统(仪表控制系统)、对事故紧急切断的紧急切断系统和SIS系统(安全仪表系统)[3]，氯硅烷罐区的投资较高。在保证氯硅烷罐区功能和安全规范要求的前提下，如何减少氯硅烷罐区的储罐种类、规格和数量是多晶硅企业必须考虑的问题。

1 氯硅烷罐区的常规设计

在多晶硅氯硅烷罐区常规设计中，通常按照物料种类及特性、精馏塔类别和分析检测过程等进行储罐配置。冷氢化装置、还原尾气干法回收装置和还原厂房均需配备原料罐或产品罐。精馏装置为各装置提供原料或产品，且多晶硅纯度和精度的高要求，导致精馏装置流程复杂、塔组种类多，主要包含处理冷氢化料的氢化初分塔、粗馏塔、精馏塔，处理还原尾气干法回收的干法精馏塔，处理其余塔高低沸的回收塔，处理氢化二氯二氢硅和干法塔二氯二氢硅的反歧化塔等塔组。为保证多晶硅品质，精馏装置每组塔产品均进入罐区，待检测合格后方可进入下一级塔组或下一装置，故每种塔组均设置原料罐和产品罐等，氯硅烷罐区至少需要配置14种储罐，涉及的储罐种类见表1。

表1 氯硅烷罐区常规设计储罐配置表

在储罐规格和数量方面，为保证多晶硅品质，每种物料检测合格后方可进入下一装置，故每种物料至少配备3个储罐[4]，功能分别为下料、检测和出料，同时储罐数量需考虑产品不合格时，不合格产品的物料存储。多晶硅物料的检测周期为6～8 h，每个储罐的规格应保证至少8 h的储存量，随着多晶硅规模的不断扩大，各装置和精馏装置塔组的处理量较大，对应储罐的规格加大或数量增加，罐区占地大，危险级别高、安全风险大、管理难度大。

2 氯硅烷罐区的创新设计

本文结合多晶硅生产运营经验和安全规范要求，打破氯硅烷罐区常规设计导致的储罐种类较多、危险级别高、安全风险大、管理难度大等问题，创新性地提出了氯硅烷罐区的优化设计思路。

2.1 氯硅烷罐区的创新设计思路

氯硅烷罐区创新设计充分考虑了装置间物料直供，包括不同装置间、精馏装置不同塔组间的物料直供。正常工况下，物料不经罐区直接进入下道装置或塔组，罐区配置仅考虑故障情况的临时缓冲，故障排除后应及时将储罐内物料送入精馏塔组或对应装置，不做长久储存使用。

1)储罐种类方面。鉴于储罐是设备故障或检修放料时临时用于储存物料，因此将组分含量相同或相近的物料合并，共用一个储罐。以主要组分为三氯氢硅的物料为例，粗馏塔原料、粗馏塔产品、精馏塔原料、高低沸回收塔原料、高低沸回收塔高低沸、氢化反歧化塔产品和干法反歧化塔产品的主要组分均为三氯氢硅，这些物料共设置一个三氯氢硅罐，当粗馏塔、精馏塔和高低沸回收塔等任一塔组出现故障时，这些物料均输送至罐区三氯氢硅罐，待事故排除后，为保证多晶硅品质，这些物料均输送至最前端的粗馏塔。按此分类，氯硅烷罐区涉及的储罐种类分为5种即能满足生产要求。

2)储罐规格方面。仅须考虑故障处理期间的物料储存，同时考虑该故障装置或塔组中最大储液量设备的物料全部进入储罐，保证事故料的储存。

3)储罐数量方面。无需考虑检测问题，根据多年多晶硅生产经验，对于易出故障的装置或塔组，储罐数量考虑一定的操作弹性，保证满足生产和事故工况需要即可。

2.2 氯硅烷罐区创新设计的先进性

与氯硅烷罐区常规设计相比，氯硅烷罐区创新设计的先进性主要体现在以下几个方面：

2.2.1 设备投资降低

氯硅烷罐区创新设计的设备投资、管道投资和仪表投资均大幅降低。氯硅烷罐区的创新设计，储罐种类和数量减少，泵数量减少，对应的管道和管阀件大大减少，设备和管道投资大大降低；对于氯硅烷罐区，由于二氯二氢硅和三氯氢硅危险性较高，必须配置对储罐液位、温度和压力精准自动化调节的DCS系统、对事故紧急切断的紧急切断系统和SIS系统，仪表投资是罐区投资的重要组成部分，储罐数量减少，储罐设置的DCS系统和SIS系统投资也大大降低。

2.2.2 占地和土建投资降低

由于二氯二氢硅和三氯氢硅火灾危险性大，沸点低，储罐间距、储罐与防火堤间距、储罐与泵间距、氯硅烷罐区与其它装置的间距均要求较高。氯硅烷罐区的常规设计中，罐区储罐多占地较大，导致多晶硅系统总图占地大，而创新设计可以大大降低罐区占地和土建投资。

2.2.3 冷源能耗大幅降低

氯硅烷罐区各储罐工作压力较低，储罐温度低，而各装置和塔组的物料温度较高，为防止物料在管路上或储罐内汽化而损失，物料须经换热器冷却后方可送入罐区[5]。由于二氯二氢硅和三氯氢硅沸点低，分别为8.2 ℃和31.8 ℃，无法使用常规循环水作为冷源，必须使用温度更低、费用较高的冷源，例如低温冷冻水和氟利昂。氯硅烷罐区常规设计中，正常工况下各装置和精馏装置输送至罐区的物料种类较多，每种物料均须设置冷却器，设备数量多，物料冷却能耗较高；而氯硅烷罐区创新设计，正常工况下物料在装置间直供，无需冷却无冷源消耗，物料仅故障工况下输送至罐区，且各装置一般不会同时出现故障，各装置只需设置一个公用冷却器，冷却器设备数量和冷源消耗大大降低，多晶硅成本也随之降低。

2.2.4 电耗降低

氯硅烷罐区常规设计中，正常工况下各装置和精馏物料均输送至罐区，检测合格后再由罐区泵输送至下一装置和塔组，罐区泵运行数量多，电耗高。而氯硅烷罐区创新设计，物料仅故障工况下输送至罐区，且各装置一般不会同时出现故障，罐区泵基本不运行，电耗大大降低。

2.2.5 安全性提高

在确保安全运营条件下，储罐种类、数量减少，正常工况下，各装置物料直供，氯硅烷罐区储罐内无物料储存，且需要操作的管阀件数量减少，操作方便，降低风险，易于管理。

2.3 氯硅烷罐区创新设计的弊端处理

氯硅烷罐区创新设计存在一定弊端，装置间物料直供不能保证每一装置或塔组产品合格，当某一装置和塔组产品不合格时，导致最终多晶硅产品不合格，这就对DCS系统和工人操作水平提高了要求。随着仪表自动化水平和工人素质的逐渐提高，多年多晶硅生产经验表明，各装置和精馏塔组均能保证稳定正常运行。同时在管路设计上，各装置和塔组物料走向均设置正常工况去下一装置和事故或非正常工况去罐区的仪表切断阀，当某一装置出现波动时，可及时暂时将物料输送至罐区。

3 结束语

与氯硅烷罐区常规设计相比，氯硅烷罐区创新设计虽存在一定不足，但从设备投资、仪表投资、土建投资、冷源消耗、电耗和风险性方面均存在较大优势，并经现有企业的实际运行情况验证，氯硅烷罐区创新设计可以满足多晶硅系统生产需要和规范要求，有很好的推广价值。