郭樹軍，董雪平，林占元

(1.江西景德半導體新材料有限公司，江西景德鎮(zhèn) 333000;2.江西晶安高科股份有限公司，江西南昌 330508)

1 多晶硅精餾背景

多晶硅是生產(chǎn)太陽能電池及電子元件的基礎功能性材料，是全球光伏產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)的基石［1］。改良西門子法是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、最易擴建的工藝，生產(chǎn)的多晶硅占當今世界生產(chǎn)總量的70%～80%。三氯氫硅是改良西門子工藝生產(chǎn)多晶硅的中間產(chǎn)品，它的純度直接影響多晶硅產(chǎn)品的純度。三氯氫硅的精餾是多晶硅生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)。

本文結合生產(chǎn)實踐，針對多晶硅精餾特性，對其生產(chǎn)過程的安全、設備、工藝控制、培訓以及其他生產(chǎn)實際問題進行了系統(tǒng)的分析和探討，并提出相應合理的對策和建議。

1.1 三氯氫硅精餾原理

氯硅烷液體原料由于不同組分具有不同的揮發(fā)度，進行多次部分汽化和冷凝，使氯硅烷分離為組分和雜質(zhì)都合格的精制三氯氫硅。

1.2 工藝流程

①合成氯硅烷的精餾體系:多級精餾的方法將合成的氯硅烷進行精制，得到多晶硅級別的精制三氯氫硅。②還原氯硅烷的精餾體系:多級精餾的方法將還原的氯硅烷經(jīng)過干法回收車CDI分離的氯硅烷進行精制，得到多晶硅級別的精制三氯氫硅。③處理低沸的精餾塔:對部分塔頂采和尾氣回收的氯硅烷進行精制，回收三氯氫硅，提高原料利用率;該塔頂采低沸送三廢車間處理。④處理高沸的精餾塔:對部分除塔釜采的氯硅烷進行精制，回收四氯化硅，提高原料利用率;該塔釜采高沸送三廢車間或外送處理。

2 具體問題分析

2.1 安全生產(chǎn)

2.1.1 危險源和原因分析

多晶硅精餾生產(chǎn)過程中的氯硅烷物料(包括二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅、高沸、低沸)易燃、有毒、腐蝕性大;主要危險有氯硅烷引起的火災、爆炸和中毒窒息，事故隱患較大;尤其是精餾塔高達50多米，一旦起火消防撲救也有一定困難，氯硅烷儲罐區(qū)儲罐多、儲量大，氯硅烷如果發(fā)生泄漏，堵漏又不及時，影響會不斷擴大，其危險遠大于工藝管道泄漏。其次是由蒸汽灼傷和氯硅烷水解生成氯化氫產(chǎn)生的腐蝕;其他危險因素也不容忽視，電氣傷害、機械傷害、高處墜落、物體打擊、噪聲與振動［2］。

2.1.2 對策與措施

①安全與技能的培訓。加強安全學習，提高安全意識;強化業(yè)務技能，懂得應急處理。②完善制度和操作規(guī)程。完善各項管理制度(如現(xiàn)場管理、設備包機到人);制定合理規(guī)范的操作規(guī)程，尤其是罐區(qū)物料的裝卸。

2.2 生產(chǎn)裝備

多晶硅精餾主要裝備有精餾塔、屏蔽泵、換熱器、各類儀表、儲罐、各種閥門、管件以及相應附件。

①精餾塔。由于合成車間過來的物料帶有導熱油，使合成氯硅烷的精餾體系除重塔被污染，停車對該塔進行全面清洗。還原車間過來的物料帶有少許不定型硅粉(主要是由于對還原車間產(chǎn)生的二氯二氫硅進行回收的比例較高所產(chǎn)生的)，使還原氯硅烷的精餾體系除重塔的釜采不是很暢通，操作過程中，應注意每班次釜采都開大沖刷幾次，保持釜采暢通。處理低沸的精餾塔，由于應力腐蝕發(fā)生過塔頂滲漏，對該塔進行過停車檢修。

②泵。對運行泵的參數(shù)進行監(jiān)控，如測量泵的振動、溫度、電流、壓力等。如果泵運行壓力比平常明顯偏低時，可能是泵前過濾器被硅粉堵塞，需要對過濾器進行清洗，檢修后需充分灌泵。運行泵，由于流量計假象可能導致泵低壓保護跳閘，如有雜音應及時進行檢修。由于供電部門電壓不穩(wěn)定或打雷可能會導致多臺泵同時跳閘，此時立即啟動備用泵，避免影響生產(chǎn)，然后再查看跳停泵的狀況。正常切換泵時，嚴格按照規(guī)程進行。

③換熱器。由于合成車間過來的物料帶有導熱油，合成氯硅烷的精餾體系除重塔的再沸器被污染，其加熱效果不佳，大幅度改變工藝參數(shù)(降低塔的運行壓力和回流量)都無效，以致由于設備和工藝參數(shù)的變更原因產(chǎn)生質(zhì)量問題，而不得不停車對該再沸器進行全面清洗。為早期發(fā)現(xiàn)冷凝器是否內(nèi)漏，每天對換熱器的雙管板以及循環(huán)水pH值進行檢查。

④儀表。中控和現(xiàn)場人員對儀表假象應及時判定，主要是液位計假象。中控按要求把液位控制在范圍內(nèi)，現(xiàn)場磁翻板液位計和中控磁致伸縮液位計數(shù)值和變化趨勢應一致，若超出范圍應該對兩套液位計進行對比，就能發(fā)現(xiàn)哪個液位計出現(xiàn)了假象;還可以根據(jù)精餾塔體系的物料平衡來判定液位計假象。轉(zhuǎn)子流量計容易被硅粉堵塞，發(fā)現(xiàn)堵塞應及時進行清洗。壓力表和溫度計一般出現(xiàn)問題較少，但在日常巡檢過程中也應多加注意。

⑤各種閥門和管道。蒸汽冷凝水管道振動可能是某個疏水閥效果不佳，導致冷凝水管道有蒸汽存在產(chǎn)生振動。產(chǎn)品采出管道可能由于采出量較小，物料不能充滿管道而產(chǎn)生振動，這時把現(xiàn)場進儲罐的手閥關小少許即可消除。各調(diào)節(jié)閥定期檢查是否被卡或是被堵。球閥出現(xiàn)過的滲漏有閥體漏、閥芯漏、閥門內(nèi)漏。

2.3 工藝控制和操作

2.3.1 精餾塔操作控制要點

為保證精餾過程連續(xù)平穩(wěn)進行，需要抑制生產(chǎn)過程中不正?，F(xiàn)象發(fā)生;達到生產(chǎn)要求，需從幾個方面來進行控制［3］。

①控制系統(tǒng)壓力。塔壓波動將引起溫度和物料成分(產(chǎn)品質(zhì)量)之間對應關系的混亂。蒸汽、塔頂冷凝劑的壓力和流量的波動是實際操作過程中影響塔壓波動的常見因素。塔壓波動時，應先分析塔壓波動原因并及時處理，使塔壓恢復正常。

②控制溫度系統(tǒng)。溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標，只有在塔壓恒定情況下才正確。操作過程中注意對離開精餾塔體系中組分出口溫度的監(jiān)控，如:除重塔監(jiān)控釜溫、除輕塔監(jiān)控頂溫、有側線采出的塔對塔中溫監(jiān)控;其他溫度可為參考，來佐證并控制精餾塔。

③控制回流比?；亓鞅瓤梢栽诹愫蜔o窮大之間變化，前者對應于無回流，后者對應于全回流，但實際上對于指定的分離要求，回流比不能小于最小回流比，否則即使有無數(shù)個理論板也達不到設計要求;增大回流比，有利于精餾過程的傳質(zhì)。但是增大回流比是以增加能耗為代價的。因此回流比的選擇是一個經(jīng)濟問題，即在操作費用(能耗)和設備費用(板數(shù)及塔釜傳熱面、冷凝器傳熱面積等)做出權衡。選擇適當?shù)幕亓鞅龋蛇_到增產(chǎn)、降耗、節(jié)能、減排作用。

④控制物料平衡。在實際操作過程中，要求把系統(tǒng)液位(塔釜液位和回流罐液位)維持在一定的范圍內(nèi)，目的是通過觀察液位變化曲線，根據(jù)系統(tǒng)物料平衡的操作來發(fā)現(xiàn)問題:如液位計的假象、流量計的偏差過大或失真等等。

2.3.2 產(chǎn)品的質(zhì)量控制

從質(zhì)量管理的層面分析影響質(zhì)量的因素［4］:①操作人員因素，如儲罐之間倒錯物料、操作不當(如中控對參數(shù)監(jiān)控不到位、現(xiàn)場人員開關閥門不到位)、取樣錯誤、分析不準確、新員工對產(chǎn)品質(zhì)量認識不充分、質(zhì)量部分析的數(shù)據(jù)反饋不及時、中控和現(xiàn)場操作員工調(diào)換頻繁、換班頻繁等。②原材料因素，原材料中雜質(zhì)超高，超出了系統(tǒng)處理的能力。③工藝方面因素，工藝流程的變更或工藝參數(shù)的改變(如回流量的改變)。④設備因素，如換熱器加熱效果不佳，塔釜被堵塞等等。在精制三氯氫硅質(zhì)量出現(xiàn)問題時，應找出引起質(zhì)量變化的根本原因并及時處理，保證在質(zhì)量合格前提下，產(chǎn)量最大化，達到增產(chǎn)降耗目的。

2.3.3 精餾的節(jié)能降耗

精餾主要能耗是電和蒸汽，氮氣、儀表氣、壓縮空氣、循環(huán)水、冷凍水、乙二醇都屬于公用消耗，在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用要盡量做到節(jié)約。

①從操作方面節(jié)能。電的使用方面，由于精餾有兩套體系，兩套體系的產(chǎn)品罐進行聯(lián)通，關注還原車間所需的精制三氯氫硅的量，還原車間需要的量小就用功率小的產(chǎn)品泵輸送，反之亦然，從而達到節(jié)省電能的效果。在中控操作的員工時刻對精餾塔進行微調(diào)，讓塔在平穩(wěn)的狀態(tài)下進行生產(chǎn)也是節(jié)能過程。蒸汽是最大的消耗，也是節(jié)能重點，首先要及時定期排冷凝水，及時處理蒸汽漏點;還可以提高回流冷凝后溫度，減少循環(huán)水閥門開度，這樣再沸器蒸汽的使用量可相對的減少，達到節(jié)省蒸汽的效果。

②選擇最適宜的回流比。對于回流設置較大的精餾塔，在不降低產(chǎn)品質(zhì)量等級的條件下，只要降低回流量，即可降低塔底再沸器能耗。在降回流量的過程中可把各個塔的回流參數(shù)進行綜合分析對比，如:回流設定值、回流顯示值、回流調(diào)節(jié)閥開度、現(xiàn)場塔窺視孔的漏液情況、產(chǎn)品組分、產(chǎn)品雜質(zhì)情況;找出最適宜回流比，達到節(jié)能效果。

③中間換熱節(jié)能。對于塔釜溫差較大的除重精餾塔，可以增加中間換熱器方式來節(jié)省或回收能量。中間換熱的方式為采出的物料和進料進行換熱，對采出來說是個冷凝器，對進料來說是預加熱器，可改變進料的溫度，減少蒸汽使用量，達到精餾節(jié)能效果。

2.4 培訓

在公司內(nèi)部挖掘培訓教材和培訓師資，對員工進行合理培訓，做到學以致用。①車間領導對班組長培訓應著重其各種溝通與管理能力和技巧、現(xiàn)場管理基本知識、各種工藝控制。②班長和主操每周組織班組學習，包括安全培訓和技能培訓;培訓應強調(diào)與精餾外操、內(nèi)操、罐區(qū)裝卸車工作相關的操作層面的內(nèi)容。③新進的員工經(jīng)過三級安全培訓后，進入車間后確定師傅帶徒弟進行裝置現(xiàn)場培訓。④所有員工應積極主動參加公司定期舉行的各類講座，同時強調(diào)員工自我培訓、增強學習意識、端正學習態(tài)度、實踐學習內(nèi)容，完善業(yè)務知識體系。

2.5 精餾塔停車、年度大檢修及開車

所有員工對年度大檢修應從思想上高度重視，即強調(diào)檢修期間現(xiàn)場的交接、配合，也強調(diào)與外協(xié)人員溝通、協(xié)調(diào);做好充分的停車、檢修、開車準備工作(包括思想準備、安全措施準備、檢修方案和材料準備)。注意停車退料、吹掃裝置、置換階段安全控制;注意檢修施工作業(yè)的危險識別、現(xiàn)場常規(guī)安全控制、大檢修創(chuàng)新安全控制管理;注意開車時釜溫緩慢升溫，精餾現(xiàn)場及時排蒸汽冷凝水，防止管道水擊，精餾塔進行全回流后，中控注意冷凝后溫度的變化，因為通過這個溫度可以判定精餾塔的保壓氮氣或不凝氣體是否排凈。

2.6 其他方面的問題

①員工應急問題處理能力的培養(yǎng)，停循環(huán)水問題、停冷媒(7℃鹽水、乙二醇)、停蒸汽、停電、停儀表氣、停氮氣，以及開展消防演習。②問題處理意識的提高，對安全巡檢過程中發(fā)現(xiàn)異常情況要有高度的重視，對生產(chǎn)過程在問題應及時處理。③人員溝通、協(xié)調(diào)與合作方面的問題。

3 結束語

在多晶硅精餾生產(chǎn)實際中，影響因素很多，要保障安全、穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的精制三氯氫硅，是對精餾車間操作員工(包括外操和內(nèi)操)的考驗。操作人員要既要了解氯硅烷的理化性質(zhì)，了解基本原理和工藝流程，嚴格按作業(yè)程序操作;也要了解適當設備、安全知識;對生產(chǎn)做到心中有數(shù)，在生產(chǎn)過程中，不應該放過任何一細小環(huán)節(jié)，懂得緊急處理措施。

［1］湯培平，陳云霞，徐 敏，等.冶金法制備太陽能硅過程的濕法除硼研究［J］.化學工程，2010，38(11):8－71.

［2］司 恭.改良西門子工藝生產(chǎn)多晶硅的安全問題［J］.安全，2010，2:16－19.

［3］鄧 豐，唐正林.多晶硅生產(chǎn)技術［M］.北京:化學工藝出版社.2011.

［4］李景元.現(xiàn)代企業(yè)現(xiàn)場管理運作實務［M］.北京:中國經(jīng)濟出版社，2007.