多晶硅生产管理中的核算和分析

张 科，周书红，彭冬寿

(新疆东方希望新能源有限公司，新疆 昌吉 837100)

目前，我国除协鑫科技、陕西天宏使用硅烷法生产颗粒硅[1]以外，其余企业均采用改良西门子法生产棒状硅。改良西门子法生产棒状硅的能耗高、成本高、纯度高，而硅烷流化床法生产颗粒硅的则相反。西门子法工艺已经非常成熟，在工艺差别不大的情况下，企业间的成本竞争就体现在精细化的生产管理上。生产管理中的动态物料匹配、能源匹配等都需要进行核算才能准确掌控。对于工业生产来说，经验值和简易的核算模型已经成为生产调控中不可或缺的方法。

1 改良西门子法制备工艺

改良西门子法多晶硅生产工艺一般分为：精馏工艺、还原工艺、冷氢化工艺、尾气回收工艺，流程如图1所示。

图1 西门子法多晶硅生产工艺流程图

该生产中的主要控制指标有：综合电耗、还原直接电耗、蒸汽单耗、硅单耗、氯单耗、氢单耗等。这些指标是一个企业整体工艺水平及管理水平的体现。在生产管理过程中，通过定期对物料、能源计量数据的核算，总结某一时间段的生产运行情况，然后找出偏离的指标数据，为下一阶段生产提出纠偏方向。指标中单耗计算以物料平衡为基础，本文对物料平衡核算和指标单耗计算的过程进行分析。

2 物料平衡核算

物料平衡核算基本思路如下：

1)根据还原TCS进料量及还原炉的一次转化率，计算多晶硅的产量。例如：还原一次转化率为11%，还原供料TCS 274 t/h，则可生产多晶硅 6.23 t/h。还原反应产物以气相形式进入尾气回收系统进行回收分离。宏观上还原反应可归纳为 (1)～(3)[2]。

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2)结合尾气回收日常监测结果，确定还原尾气中各个组分的量，包括H2、HCl、DCS、TCS以及STC。尾气中的HCl通过冷氢化合成系统及外补硅粉又合成为TCS，其中的DCS和一部分STC通过反歧化系统重新合成为TCS回收利用。尾气回收中的氢气，除还原炉置换少量消耗外，其余一部分返回还原系统重新利用，另一部分进入冷氢化系统进行合成TCS反应。TCS合成反应方程可按(4)～(6)计算，反歧化反应按照按(7)式计算。

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3)冷氢化系统中，尾气回收的绝大部分STC通过冷氢化合成反应，转化为TCS。冷氢化反应中STC的转化率约为25%。部分STC和硅粉通过渣浆回收排出系统之外。冷氢化反应方程：

(8)

综合以上物料平衡思路及反应方程，可建立EXCEL粗略计算模型，用于生产中快速的判断物料平衡状态，以测算结果对生产进行调整。

以年产 50000 t，系统运行 8000 h 为例，生产管理中的简易物料平衡计算如表1所示。

表1 多晶硅物料平衡表

3 生产指标核算和分析

改良西门子法本质上是一个单质元素化学提纯，即粗硅变成高纯晶硅的过程，氯和氢元素仅在系统内转化和传递，理论上为零消耗。但实际上随着杂质的排放，硅、氯和氢不可避免存在流失，造成物料额外消耗[3]。在生产过程控制中，如何降低这几种元素损耗，成为企业生产管理的主要研究方向。生产管理中常用的核算和分析方法如下：

1)氯单耗指标

利用氯元素质量守恒原理，将系统中循环的氯元素进行统计计算，以一定周期内系统中氯元素的消耗总量除以该周期中多晶硅的总产量，就可以得到氯单耗数据。未建立TCS合成系统的企业都会通过外购TCS(或STC)来补充系统运行中损耗的氯元素。

从表1看出，年产50000t的多晶硅企业，在氯单耗0.35的工艺条件下，每月(按30天计)需要补充近 2000 t 外购TCS。

系统中氯元素的损耗，主要集中在两个方面：①氢化系统STC外排残液的水解。冷氢化及尾气回收系统中的氯硅烷所排放的STC残液，除单硅TCS、STC以外，还含有大量多硅高沸物，如Si2Cl6、Si3Cl8和 Si4Cl10等[4]。这些高沸物经过浓缩后进行水解，使系统损失大量的氯元素。②尾气中未冷凝下来的氯硅烷随一些不凝气体如H2、N2、HCl等进入废气淋洗系统，最终氯硅烷、HCl水解，也会造成氯元素浪费。

2)硅单耗指标

同样，利用硅元素质量守恒原理，将系统中循环的硅元素进行统计计算。以一定周期内系统中硅元素的消耗总量除以该周期中多晶硅的总产量，就可以得到硅单耗数据。

统循环中硅元素消耗，除多晶产品产出以及上述随氯元素同时损耗的外，还有一部分为氢化系统在线过滤器分离出的固体硅粉损耗。从表1看出，上述条件下，每生产 6.23 t 多晶硅产品，总计要损耗掉 0.87 t 硅元素。工艺水平先进的企业会通过残液浓缩塔、高沸裂解等[5]工艺来提高残液的回收率，尽可能的减少水解残液量。以新疆东方希望新能源公司为例，外排至渣浆的残液总量在冷氢化进料量的4%左右，其中约有80%的通过渣浆干法回收系统回收利用。另外，该公司正在新建先进的不凝气吸附深冷回收系统，投用后预计尾气中的氯硅烷回收率可大于 90%。

3)氢单耗指数

氢气单耗：以一定周期内新鲜氢补充总量除以该周期中多晶硅的总产量，就可以得到氢单耗数据。

多晶硅的四大工艺中，还原工艺分解TCS产出H2，冷氢化系统消耗H2合成TCS。从表1看出，还原反应产出的H2和冷氢化合成消耗的H2基本处于平衡状态，从两个反应的方程中也可确认。但在实际生产中，绝大部分企业仍有较高的氢气单耗，主要原因有以下几个方面：①系统置换。如还原炉开停炉置换，冷氢化系统开车置换等，消耗一定量的氢气。②系统运行过程中，还原和冷氢化产量不匹配。还原负荷高，氢气存储受限就会大量放空，造成浪费；冷氢化负荷高，又会需要额外补充大量的新鲜氢。③冷氢化产出的低温高压冷凝料中溶解氢，通过粗分塔解析放空。④压缩机氢气密封气泄露等。

越来越多的新建企业已经认识到控制氢气消耗的重要性，主要通过新建PSA(变压吸附)项目来回收以上过程中放空的氢气[6]。事实证明，合理回收生产过程中放空的氢气，可以极大的降低氢气单耗。

4)电耗指标

还原电耗：还原单炉电耗量与单炉产量(Si)的比值，以kWh/kg来表示。

综合电耗：单位时间内与所有生产相关的电耗量与该时间内的所有多晶产量(Si)比值，同样以kWh/kg来表示。

目前，行业内多晶硅的还原电耗一般在 40 kWh/kg，综合电耗一般在 60 kWh/kg 左右。还原电耗的主要影响因素有：反应温度、H2和TCS物质的量比、反应沉积速度、通料流量、反应时间等。对不同类型的还原炉和匹配电器，还原电耗也不同。对于同一类还原炉来说，需要不断的尝试和总结才能找出最佳的反应条件。综合电耗的主要影响因素除还原电耗以外，还有企业的生产匹配程度，其他工艺水平、用能设备能耗等级等。

在生产管理中，要做到生产上下游匹配，主工艺和辅助车间匹配，这样才能避免大马拉小车的运行模式，减少电力能源浪费。

5)蒸汽单耗指标

蒸汽单耗：产出每吨多晶硅的蒸汽消耗，单位时间内所有蒸汽耗量与该时间内多晶硅的产量比值，以kg/kg表示。

多晶硅生产主工艺车间中，除还原工艺中闪蒸产出蒸汽外，其余车间均消耗蒸汽。根据还原炉能耗等级、通料匹配程度、闪蒸分级等不同，还原闪蒸出的蒸汽量也不同。以新疆东方希望新能源公司为例，还原蒸汽产出比例大致在40～45 t/t。最新的56对棒还原炉，闪蒸蒸汽产热和输入电功率比例大致为0.58。按上述数据估算，生产管理中可利用 1000 kW 功率还原炉产出 1 t 蒸汽的大致对应关系来调整热量平衡。

精馏及其他涉及到氯硅烷加热相变的工序，可以查其工况下的汽化热及比热容等参数，通过计算精馏过程中的显热变化及潜热变化热值，折合为工况下的蒸汽热值。以东方希望新能源公司三期粗分塔为例，可建立excel计算表，如表2所示。

表2 粗分塔蒸汽耗量估算表

同理，精馏车间的各个塔系也可以按照此种计算表格，将蒸汽消耗计算编辑为公式，生产调整过程中，通过改变公式输入条件，估算蒸汽消耗情况。

生产中可用以下几种生产管理思路来降低蒸汽消耗：①还原工序采用先进的分级闪蒸技术，充分利用工艺流程中各级换热水的热量；②精馏工序通过采用先进的精馏塔，如分隔壁塔、多效精馏塔等来达到节能的目的；③精馏塔在保证产品质量的情况下，控制最小回流比，减少蒸汽用量。

4 结语

本文阐述了生产管理中物料平衡及相关单耗指标的核算方法，分析了单耗指标影响因素与基本控制方向。总结了生产管理中核算与分析的目的：

1)通过生产指标核算和分析，进行工艺优化、管理提升，达到降低成本的目的。

2)通过生产核算，可以在系统开车过程中，或者在生产负荷大幅度调整过程中，提前快速的做出生产系统物料匹配、能源匹配方案。按照方案进行逐步调整，可以有效的缩短系统调整时间，减少能源浪费。

3)在正常生产过程中，很多计量仪表设备会出现误差，特别是氢气管线流量计、蒸汽管线流量计、残液STC相关管线流量计等，通过物料平衡核算和各个单耗核算，可以在一定程度上修正以上误差，使最终的生产报表数据更加准确，以便精确指导生产调整。