浅谈多晶硅生产过程成本控制

李俊杰 秦 琴 曾晓国

(1.洛阳中硅高科技有限公司，河南 洛阳 471023；2.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

2018 年，受“5·31 光伏新政”影响，太阳能级多晶硅价格急剧下跌，导致国内大量多晶硅企业被迫停产检修。2020 年，随着内蒙、新疆等地享有低电价优势的多晶硅企业的产能释放，多晶硅价格下降至60 元/kg 以下，多晶硅价格和生产成本严重倒挂，部分企业宣布破产[1]。面对多晶硅行业残酷的洗牌，只有继续采取降低生产能源消耗、优化组织运行、提高精细化管理水平、谋求转型发展等全面降低生产成本的措施才能在市场竞争中生存。

1 多晶硅生产成本构成

太阳能级多晶硅生产工艺就是通过物理提纯、化学反应等方式将工业硅中的硼、磷、碳和金属杂质去除，最终得到99.999 9%～99.999 999 9%的高纯硅的过程[2]。多晶硅的生产不仅要消耗硅粉、三氯氢硅等原料，同时还要消耗电力、蒸汽、水等能源。以国内某多晶硅企业为例，多晶硅生产成本组成见表1。

由表1 可以看出，多晶硅生产成本包括硅粉和三氯氢硅的消耗、电力消耗、蒸汽消耗、人力成本、设备折旧和其他消耗等，因此生产成本控制需要从上述几方面入手。

表1 多晶硅生产成本组成情况

2 多晶硅生产成本控制措施

2.1 降低硅材料消耗

根据元素守恒定律，结合多晶硅企业生产实际运行情况，每生产1 t 多晶硅消耗1.1～1.2 t 硅，所以硅材料消耗的大小将直接影响生产成本的控制。降低硅材料消耗的措施主要包括降低氢化系统的硅粉消耗、物料回收等。

2.1.1 降低氢化系统的硅粉消耗

国内多晶硅企业的流化床氢化装置运行周期为3～18 个月，运行时间不同，成本相差较大，因此保障系统连续稳定运行、减少系统检修次数对于降低硅材料消耗而言非常关键。

1)要对反应器的分布器、旋风分离器等关键部位进行优化设计，保证反应器内的气体分布均匀，保证进行旋风分离的硅粉有效收集并能重新返回反应器，减少进入后续系统的硅粉量，同时降低系统检修频次，从而大幅降低硅粉的损耗。

2)要提高进料四氯化硅的纯度，减少四氯化硅蒸发器及电加热器的堵塞，避免系统频繁检修。若电加热器出现硅粉堵塞，电加热管易局部过热，影响电加热器的使用寿命，甚至出现电加热管泄漏等安全事故，导致系统紧急停车。

3)合理制定系统运行参数，优化氢气和四氯化硅的配比，控制硅粉粒度比例、触媒添加比例，提高氢化反应的一次转化率和硅粉的转化率，降低硅粉消耗。

2.1.2 进行物料回收

多晶硅生产过程中精馏提纯系统会定期排放氮气、氯化氢等不凝性气体，以保证精馏塔内压力、温度和回流量的稳定。同时，氢化系统和还原炉间断出装炉的氮气置换过程也会排放一部分尾气，现场一些设备的检修置换也会产生氯硅烷尾气。这些尾气中含有二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅等物料，因此物料的回收率直接关系到三氯氢硅的补充量，影响硅材料消耗的成本。

对于生产正常排放和临时检修置换排放的尾气，要进行合理的回收。设计合理的尾气深冷加压处理系统，通过压缩机将低压尾气加压至0.35～0.5 MPa，再通过-55～-35 ℃的冷媒降温，然后对尾气中的氯硅烷物料进行深度回收利用。此外，该系统还要考虑尾气中氮气的含量及气体流动速度，增加尾气的冷凝时间，以提高物料的回收率，减少进入尾气淋洗塔的氯硅烷量，做到在减少物料损失的同时降低三废系统的处理成本。

此外，三氯氢硅还原反应会产生一些高沸物，这些高沸物同样也会造成设备的堵塞，因此对系统高沸物的有效处理也是降低物料消耗的重要途径。多晶硅系统氯硅烷残液的高效浓缩、过滤、精馏回收装置可以将氢化系统排放的含四氯化硅物料的金属氯化物进行多级过滤回收，在系统排出杂质的同时提高物料的回收量。对于还原反应过程中产生的六氯乙硅烷等高沸点物质，可以通过裂解反应将其转化为四氯化硅、三氯氢硅等氯硅烷，然后将它们返回系统重新利用，以降低物料消耗。

2.2 降低电力消耗

多晶硅生产过程中，三氯氢硅还原工序是用电大户，其电力消耗占全部电力消耗的65%以上，四氯化硅氢化、尾气回收处理、循环冷却水等工序也是主要用电点。因此多晶硅企业降低电力消耗可以从这几个用电工序入手。

2.2.1 降低物料循环消耗

利用Fluent 流体力学模拟软件模拟并通过实验调整，优化还原炉喷嘴供料方式、供料曲线和硅棒电流提升曲线，使还原炉内的气体分布和温度分布更加均匀，提高还原炉内三氯氢硅的一次转化率，减少三氯氢硅的物料消耗，有效减少提纯精馏系统的无效循环[3]，降低蒸汽消耗，减少还原炉内四氯化硅的产量，从而减少四氯化硅氢化系统和后续粗馏系统的处理量，达到全系统节能的目的。

2.2.2 动态匹配调整生产负荷

在多晶硅企业的日常生产组织调度中，生产负荷会受到装置异常、能源供给波动、市场销售等突发情况的影响，而生产负荷的调整会造成系统匹配度下降，公辅系统出现大马拉小车的情况，系统运行的经济性降低。

企业要建立生产系统动态平衡控制系统。首先，要梳理建立全厂用能设备台账清单，掌握运行设备的设计处理能力和实际处理能力，为后续生产负荷精准调控提供基础；其次，要针对企业装置的设置特点，进行不同生产负荷的匹配分析，寻找不同生产负荷下最佳公辅系统匹配运行方案，使系统达到最优的经济运行状态；最后，生产系统动态平衡控制系统要在日常生产组织调度中不断进行动态调整和优化，使电力消耗、蒸汽消耗、水消耗等指标达到相对最优，使多晶硅产出的成本降到最低。

2.2.3 提高单个装置运行效率

评估单个系统、装置的效能，进行装置差异化管理。例如，虽然同等型号的还原尾气压缩机的额定功率一样，但是处理气量会有所差别。通过效能分析诊断，可以掌握哪台设备更加节能，方便在系统运行匹配的同时提醒设备管理部门提前进行相关设备的检修和故障诊断。对于一些换热设备，及时进行换热效果的评估和对比也是发现换热器换热效果不佳、内部管束可能存在堵塞或泄漏的有效方法，然后通过计划检修，不仅可以节约蒸汽使用量，还可以及时消除系统存在的安全隐患。

2.2.4 动态优化调整公辅系统

公辅系统在多晶硅生产中的综合电力消耗约占40%，因此众辅系统的运行匹配状态将直接影响整体电力消耗的控制。电解水制氢系统、循环水冷却系统是公辅系统中最大的电力消耗部分，通过生产组织过程的动态优化调整，可以节约一部分能源消耗[4]。

电解水制氢系统是成套装置，单位氢气生产的电力消耗主要受电解槽负荷率的影响，电单耗为4.5～5 kWh/Nm3。在终端用户需求量稳定的情况下，电单耗指标相对较优。将电解水制氢系统的电单耗控制在较优水平有以下几个措施:1)保持电解水制氢装置处于良好运行状态，减少设备泄漏等异常情况的发生；2)通过加大氢气存储的空间，增加系统氢气的缓冲量，通过合理生产调度安排全厂氢气使用计划，减少电解槽的开停次数，提高单台电解槽的运行效率，使装置达到产气量和电力消耗的最佳平衡点；3)非直购电多晶硅企业应合理利用夜间波谷电价，尽可能多存储氢气，在白天波峰电价时间减少电解槽的用电负荷，以达到节电的目的。

在循环水冷却系统节能方面，可以进行以下几个工作:1)做好换热设备的用能管理，杜绝大流量小温差的情况，减少循环水量，从而降低水泵的运行功率；2)精馏提纯系统要合理控制塔系运行参数，减少无效的塔内物料循环，在降低蒸汽消耗的同时减少循环水的冷却负荷，从而减少冷却塔风机开启时间或降低其运行频率，以降低电力的消耗；3)根据系统负荷调整情况和冬季等外界环境温度变化情况，在满足主工艺运行参数需求的前提下，及时动态调整循环水的供水温度，减少冷却塔风机的运行负荷，最终达到节电的目的。

2.2.5 优化电力匹配

生产管理人员要做好全年用电计划的核算，确保用电计划的准确性，并做好月度用电计划的分解工作。当生产系统出现异常后，要及时与相关用电单位和电力交易平台进行沟通，根据生产负荷情况进行用电计划和电力最大需量的调整，避免出现电力偏差考核。

在月度用电计划分解方面，要做好还原炉、氢化装置、电解槽等大型用电设备的排产工作，做好电负荷变化趋势的预判，动态掌握全厂电力负荷的变化情况。当用电瞬时负荷接近电力考核最大需量时，要果断采取急停设备或者降低设备运行功率的措施，合理避开电力最大需量的考核范围，减少变压器容量费的支出，降低用电费用。

2.3 降低蒸汽消耗

蒸汽是多晶硅企业重要的热源，主要用于精馏提纯、尾气回收、氢化、三废三效蒸发等系统。降低蒸汽消耗可以采取以下几个措施:

2.3.1 全厂热量综合利用

生产调度要合理安排还原炉的运行炉数，建立还原炉自产热量与后续提纯系统用热设备用热量之间的动态平衡，使系统自产热量得到及时消耗，避免出现系统热量富余但外供蒸汽消耗量大的情况，通过统一协调全厂热量，降低系统蒸汽的补充量。

2.3.2 提纯系统节能优化

对提纯系统进行流程梳理和分析，通过再沸器热源耦合改造，减少蒸汽的直接消耗。在物料流程优化方面，充分利用塔出料与塔进料进行换热，减少物料预热消耗。将蒸汽冷凝水进行回收，将其热量用于低沸点物料的分离，然后将富余热量用于溴化锂机组生产七度水，提高热量的利用率。

优化提纯系统回流量，减少无效循环。严格控制塔顶冷凝器的下液温度，杜绝出现下液温度过低的现象，减少再沸器热负荷。这样不仅可以大大降低蒸汽消耗，还可以减少塔顶冷凝器冷却水的用量。

2.3.3 氢化系统热量优化

综合利用氢化反应部分的高温热量，在反应器出口增加气气换热器，在气体进入反应器前与出口气体进行换热，降低预热炉使用功率。此外，增加气液换热器，将系统高温热量与四氯化硅进料换热，降低四氯化硅蒸发器的蒸汽消耗。

2.4 降低人力成本

提高智能化水平，优化人员配置，是降低人力成本的重要措施，可以通过以下几个方面的改进降低人力成本:

1)提高自动化水平，设备实现大型化，装置实现规模化，以减少人员配置。

2)建立科学完善的生产管控平台，基于生产信息分析系统运行情况[5]，协助生产管理人员更好地掌握生产状态，及时进行生产参数调整，减少人力投入。

3)进行设备升级改造，减少故障发生频次和施工检修工作量。提高自动化水平，增加先进控制系统，采用巡检机器人等设备替代部分员工，减少人员配置。

4)优化布置DCS 控制中心，岗位操作人员实行合并办公，减少人员数量。

5)对物料装卸、多晶硅产品后处理包装、破碎等强度高、技能低的岗位进行劳务替代，减少工资和社保支付，降低人力成本。

2.5 动态调整生产方案

目前多晶硅致密料和珊瑚料每吨销售价格相差2 万元，并且随着下游客户对质量要求越来越高，增加硅棒致密料比例、满足单晶硅片生产所需硅料的要求将是企业进行后续生产发展、降低生产成本的有效途径。优化还原炉运行参数，制定合适的供料曲线、硅棒电流控制曲线，选择合适的三氯氢硅和氢气的进料配比，摸索出硅棒沉积速率和致密料比例的最佳经济平衡点，通过改进质量提高硅料的整体销售价格，增加企业的营收。

在市场物料供需关系发生变化时，太阳能多晶硅生产中涉及的四氯化硅、三氯氢硅等过程物料会出现价格倒挂的情况。在四氯化硅需求量大并且其价格和三氯氢硅价格相差不大的情况下，企业可调整生产系统的运行模式，降低氢化系统的运行负荷，增加四氯化硅的外售量[6]，采购三氯氢硅。通过物料置换，可减少氢化系统的运行时间，在确保多晶硅产品质量的前提下降低企业生产成本。

3 结束语

随着光伏产品平价上网、政府补贴等政策收紧，能否进一步降低生产成本直接决定了多晶硅企业的生死存亡。因此，在企业的生产经营中，要针对自身系统的特点，分析生产成本构成要素，要从降低原料和能源消耗、优化人员配置、根据市场情况进行生产动态调整、加强操作过程精细化管控等方面入手，不断降低生产成本，确保企业健康持续发展。