李俊杰 秦 琴 曾曉國(guó)

(1.洛陽(yáng)中硅高科技有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471003； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

2019年以來(lái)，全國(guó)化工行業(yè)先后發(fā)生了江蘇響水“3·21”、山東濟(jì)南“4·15”、河南義馬“7·19”等重特大傷亡事故，化工生產(chǎn)安全問題進(jìn)一步給大家敲響了警鐘。改良西門子法是目前世界主流多晶硅生產(chǎn)技術(shù)，約占2018年世界總產(chǎn)能的95%。改良西門子法生產(chǎn)過(guò)程中最高溫度達(dá)到1 050 ℃，壓力達(dá)到2.5 MPa，且重要工藝介質(zhì)為氯硅烷和氫氣等物質(zhì)，因此該工藝具有高溫、高壓、易燃和易爆等危險(xiǎn)特性，故安全防控工作是多晶硅企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的重中之重。本文總結(jié)分析了改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)，并提出了安全防控措施，為多晶硅企業(yè)安全生產(chǎn)提供一些借鑒。

1 改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程

圖1 改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程

改良西門子法生產(chǎn)工藝的核心是將純度98.5%的工業(yè)硅通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)和精餾提純，將工業(yè)硅中的B、P、Fe、Al和Ca等雜質(zhì)去除，得到6～9 N的高純單質(zhì)硅[1]。改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，從物料平衡轉(zhuǎn)化和全流程銜接分析，改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝主要分為五大步驟：

1)固態(tài)的工業(yè)硅通過(guò)合成裝置轉(zhuǎn)化為液態(tài)的三氯氫硅，為后續(xù)提供粗餾的原料。

2)粗餾的三氯氫硅通過(guò)高效提純塔對(duì)其組分和雜質(zhì)進(jìn)行提純，得到高純液態(tài)的三氯氫硅產(chǎn)品供還原爐使用。

3)液態(tài)的三氯氫硅經(jīng)過(guò)汽化與氫氣在還原爐內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng)，生成高純單質(zhì)硅。

4)未反應(yīng)完的還原爐內(nèi)高溫氯硅烷和氫氣通過(guò)干法回收系統(tǒng)對(duì)氯硅烷進(jìn)行冷凝回收，氫氣進(jìn)行凈化循環(huán)使用。

5)還原反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物四氯化硅、二氯二氫硅通過(guò)氫化裝置、反歧化裝置重新轉(zhuǎn)化為三氯氫硅后，再送往精餾提純系統(tǒng)分離精制[2]。

2 改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝危險(xiǎn)因素分析

改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝中涉及將工業(yè)硅從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)三氯氫硅，然后再通過(guò)提純系統(tǒng)將三氯氫硅精餾精制送往還原爐進(jìn)行還原反應(yīng)，因此整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要匹配電力、高溫蒸汽、低溫氟利昂冷凍、壓空制氮、循環(huán)水等輔助配套系統(tǒng)。上述工序在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中是上下游緊密銜接的，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)工藝參數(shù)波動(dòng)、設(shè)備故障、人為操作失誤、乃至因外界環(huán)境因素造成調(diào)整不及時(shí)都會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)突發(fā)停車，從而引起安全、環(huán)保事故。結(jié)合多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)工序的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)其主要安全危害因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 多晶硅生產(chǎn)工序主要危險(xiǎn)有害因素統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表1可以看出，多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，三氯氫硅合成、氫化、提純、干法和還原系統(tǒng)等主工藝系統(tǒng)危險(xiǎn)有害因素較為集中。配套輔助系統(tǒng)中，電解槽制氫、壓空制氮系統(tǒng)相對(duì)危險(xiǎn)程度較大。結(jié)合工藝流程進(jìn)行分析，主要有以下幾個(gè)方面的原因：

1)工藝介質(zhì)危險(xiǎn)。主工藝生產(chǎn)工序是處于高溫、高壓環(huán)境，中間介質(zhì)有氯硅烷和氫氣，一旦上述物質(zhì)出現(xiàn)泄漏就會(huì)出現(xiàn)中毒、窒息、著火爆炸等情況。

2)靜設(shè)備范圍廣。上述工序涉及設(shè)備、管道、閥門、法蘭多，特別是換熱器等靜設(shè)備易受環(huán)境溫度影響，一旦出現(xiàn)驟冷驟熱情況就會(huì)增加換熱器泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3)傳動(dòng)設(shè)備集中。在氯硅烷物料輸送、氣體壓縮、物料冷卻的過(guò)程中需要大量的循環(huán)泵、壓縮機(jī)、冷凍機(jī)等傳動(dòng)設(shè)備，一旦維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)設(shè)備跳停，造成局部或者全廠緊急停車等安全環(huán)保事故。

4)吊裝作業(yè)多。合成、氫化工序吊裝硅粉，還原工序出裝爐爐筒移動(dòng)，硅棒出爐等都要大量使用天車進(jìn)行吊裝作業(yè)，吊裝安全存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

5)設(shè)備檢修難度大。如合成、氫化系統(tǒng)在日常停車檢修過(guò)程中，人員要進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行情況的檢查和評(píng)估，因此受限空間作業(yè)的安全把控是重中之重。

6)上下游崗位銜接緊密。多晶硅生產(chǎn)是所有崗位串聯(lián)運(yùn)行的，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會(huì)打破系統(tǒng)的物料平衡、熱量平衡、氫氣平衡、電力平衡，若處理不當(dāng)將會(huì)造成安全事故的發(fā)生。

因此，通過(guò)工藝、設(shè)備、管理方面的全面提升和優(yōu)化，針對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行有效辨識(shí)和分析，制定行之有效的安全管控措施，才能確保多晶硅生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝的防控措施

3.1 制定科學(xué)完善的安全生產(chǎn)管理制度

多晶硅企業(yè)要結(jié)合自身生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)家安全規(guī)范要求，制定行之有效的安全管理制度，通過(guò)科學(xué)完善的制度約束員工的行為習(xí)慣，讓全員懂安全、管安全。

1)公司要編制各崗位的安全標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程。操作規(guī)程中要涵蓋完整的工藝介紹、工藝流程簡(jiǎn)圖、工藝參數(shù)表、操作步驟、注意事項(xiàng)以及崗位風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急處置預(yù)案，作為崗位員工執(zhí)行操作的依據(jù)。隨著工藝系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，操作規(guī)程也要重新進(jìn)行評(píng)估和修訂，并經(jīng)過(guò)技術(shù)部門審批后，形成標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程進(jìn)行下發(fā)。

2)安全生產(chǎn)管理體系需要職責(zé)清晰的安全責(zé)任制度，企業(yè)要結(jié)合不同工序的生產(chǎn)特點(diǎn)，制定崗位安全目標(biāo)責(zé)任書，分析崗位存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，制定防范措施，劃分應(yīng)盡的義務(wù)和職責(zé)，通過(guò)簽字留檔，做好安全工作的執(zhí)行和落實(shí)。

3)企業(yè)要建立安全隱患排查和避免事故獎(jiǎng)勵(lì)制度。鼓勵(lì)員工積極進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和記錄靜動(dòng)設(shè)備、管道、法蘭等易薄弱環(huán)節(jié)存在的隱患，并及時(shí)督促車間和公司進(jìn)行問題閉環(huán)整改，公司根據(jù)考核細(xì)則進(jìn)行相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)兌現(xiàn)，激發(fā)基層員工參與安全管理的熱情。

3.2 構(gòu)建“雙重預(yù)防”體系

完善的安全生產(chǎn)管理體系是確保生產(chǎn)組織安全的前提，構(gòu)建“雙重預(yù)防體系”是防止安全事故的防火墻[3]?！半p重預(yù)防體系”就是通過(guò)基層員工和部門管理人員將生產(chǎn)系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)出來(lái)，各生產(chǎn)和安全管理部門對(duì)梳理出來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，制定有針對(duì)性的分級(jí)管控方案，將風(fēng)險(xiǎn)的苗頭扼殺在搖籃中，把存在的隱患消滅在事故形成之前，確保企業(yè)的生產(chǎn)安全。多晶硅生產(chǎn)企業(yè)要結(jié)合自身工藝生產(chǎn)特點(diǎn)，組織構(gòu)建“雙重預(yù)防體系”：

1)明確工作目標(biāo)與要求，制定科學(xué)完善的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患排查治理指南，然后成立企業(yè)管理的組織機(jī)構(gòu)，明確各部門的責(zé)任。

2)組織進(jìn)行人員培訓(xùn)，確保全員覆蓋，培訓(xùn)教育工作可以分層次進(jìn)行，結(jié)合多種手段和形式，確保達(dá)到良好的效果。

3)人員培訓(xùn)到位后，由企業(yè)組織進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和分級(jí)，并根據(jù)SCL、JHA、JSA、HAZOP等風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法[4]，對(duì)崗位操作流程中的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和識(shí)別，制定相應(yīng)安全管控措施，將梳理出來(lái)的隱患責(zé)任到人并制表簽字記錄，安全環(huán)保部門進(jìn)行隱患治理落實(shí)的檢查、通報(bào)和考核。

4)隨著生產(chǎn)工藝的改造和工藝參數(shù)的變更，該體系也要不斷進(jìn)行完善和優(yōu)化，使其常態(tài)化和動(dòng)態(tài)化運(yùn)行。

3.3 加強(qiáng)安全自動(dòng)化投入

企業(yè)的安全生產(chǎn)除了安全生產(chǎn)制度上的保障，同時(shí)需要在安全儀表自動(dòng)化、智能化、信息化方面增加投入，以提高本質(zhì)化安全水平。

3.3.1 增加安全儀表系統(tǒng)的投入

多晶硅生產(chǎn)工藝中需要使用DCS進(jìn)行集中控制，一旦控制系統(tǒng)或者電腦出現(xiàn)異常情況，不能及時(shí)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，存在較大運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。多晶硅企業(yè)應(yīng)增加安全儀表系統(tǒng)(SIS)的投入[5]，實(shí)現(xiàn)與DCS系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。一旦出現(xiàn)運(yùn)行裝置超溫、超壓、物料泄漏等異常情況，SIS系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)進(jìn)出料自動(dòng)切斷、系統(tǒng)自動(dòng)停車，提高了裝置自身的安全性，減少人員傷害和損失。

3.3.2 建立數(shù)字化點(diǎn)巡檢管理系統(tǒng)

多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中涉及換熱器、壓縮機(jī)、冷凍機(jī)、循環(huán)泵等關(guān)鍵設(shè)備，做好設(shè)備的日常管理和巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題是確保生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的設(shè)備點(diǎn)巡檢工作存在巡檢方法單一、專業(yè)檢測(cè)工具少、管理系統(tǒng)缺乏針對(duì)性、設(shè)備維修計(jì)劃不合理、設(shè)備故障不能及時(shí)預(yù)警等問題。因此，建立一套極具現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化的點(diǎn)巡檢管理系統(tǒng)，配置高效的檢測(cè)工具及檢測(cè)方式使設(shè)備點(diǎn)巡檢更準(zhǔn)確地反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可以責(zé)任落實(shí)到人，避免出現(xiàn)漏檢的管理真空區(qū)域。同時(shí)，智能化點(diǎn)檢系統(tǒng)可將點(diǎn)檢儀采集的數(shù)據(jù)信息直接導(dǎo)入電腦進(jìn)行分析，以此來(lái)協(xié)助診斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，減少因設(shè)備故障而引起系統(tǒng)波動(dòng)或停車的局面。

3.4 提高應(yīng)急處置水平

安全和環(huán)保是企業(yè)的生命線，任何時(shí)候在安全事故發(fā)生后，第一時(shí)間進(jìn)行科學(xué)處置，將是避免事故擴(kuò)大、保障人員生命安全的根本。

1)針對(duì)各種安全、環(huán)保、工藝、設(shè)備等突發(fā)異常情況，企業(yè)要編制異常情況處置預(yù)案，建立全廠應(yīng)急處置管理體系[6]，明確各應(yīng)急救援小組的工作職責(zé)，并及時(shí)組織進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的評(píng)價(jià)和修訂，提高企業(yè)事故狀態(tài)下的應(yīng)急處置響應(yīng)速度，確保應(yīng)急處置持續(xù)科學(xué)、合理、高效。

2)各生產(chǎn)部門和職能管理部門要組織班組級(jí)、部門級(jí)、公司級(jí)的應(yīng)急演練，定期檢驗(yàn)應(yīng)急方案的實(shí)用性、各應(yīng)急分隊(duì)的響應(yīng)性和協(xié)作性、應(yīng)急物資和消防器材的完好性，在鍛煉隊(duì)伍的同時(shí)進(jìn)一步提高每一位員工的事故應(yīng)急處置能力，保障事故狀態(tài)下人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

3)企業(yè)要加強(qiáng)安全應(yīng)急方面的投入，根據(jù)工藝特點(diǎn)和物料特性，在關(guān)鍵裝置周圍設(shè)置水幕噴淋系統(tǒng)、移動(dòng)式和固定式消防水炮、事故應(yīng)急柜和堵漏柜。氯硅烷罐區(qū)要設(shè)置單罐單圍堰，每個(gè)罐頂和罐底設(shè)置氫氣報(bào)警儀和氯化氫報(bào)警儀，現(xiàn)場(chǎng)要設(shè)置視頻監(jiān)控，所有監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)要同時(shí)遠(yuǎn)傳到總控室DCS系統(tǒng)，關(guān)鍵閥門可遠(yuǎn)程控制，報(bào)警連鎖系統(tǒng)、自動(dòng)切斷系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)要維持良好狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)過(guò)程中具有一定的危險(xiǎn)性，這直接影響到企業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在日常的安全生產(chǎn)管控過(guò)程中要認(rèn)真對(duì)全流程進(jìn)行分析，對(duì)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)和各項(xiàng)問題要高度重視，不斷完善安全管理制度、積極構(gòu)建“雙重預(yù)防體系”、加強(qiáng)自動(dòng)化的管控投入、提高應(yīng)急處置水平，確保多晶硅行業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、高效持續(xù)發(fā)展。