石何武 楊永亮 姜利霞 聶冬冬 鄭紅梅

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.洛陽(yáng)中硅高科技有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471000)

0 前言

能源和環(huán)境問題日益成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)都將太陽(yáng)能發(fā)電行業(yè)作為發(fā)展的重點(diǎn)[1-3]。在積極政策的引導(dǎo)下，國(guó)際太陽(yáng)能電池市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，而作為太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料——多晶硅產(chǎn)業(yè)也隨之駛?cè)肟燔嚨繹4-5]。多晶硅是制造拋光片、太陽(yáng)能電池及高純硅制品的主要原料，是半導(dǎo)體工業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)的最主要、最基礎(chǔ)的功能性材料[6-8]。

隨著多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)工藝技術(shù)日趨成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定性也日趨提高，生產(chǎn)成本的降低主要聚焦在精細(xì)化管理和系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化利用上。各多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)榻ㄔO(shè)規(guī)模、裝備選型、工藝流程、傳熱媒介的差異，在達(dá)到系統(tǒng)能量平衡下，因?yàn)楦碑a(chǎn)熱量利用方式的不同，余熱利用效率有較大差別，因此導(dǎo)致外補(bǔ)熱量的參差不齊，這些最終影響了多晶硅的生產(chǎn)成本。在多晶硅市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的形式下，生產(chǎn)成本的高低將決定著多晶硅生產(chǎn)企業(yè)未來的命運(yùn)，因此如何更加有效地降低多晶硅物料消耗、能量消耗，是降低多晶硅生產(chǎn)成本的一種有效途徑。

1 多晶硅能量系統(tǒng)中高溫水的利用

1.1 多晶硅能量利用系統(tǒng)簡(jiǎn)述

在多晶硅生產(chǎn)體系中，根據(jù)不同工序的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)能量需求的方式也各不相同。其中還原系統(tǒng)是能耗最大的系統(tǒng)，多晶硅在氣相沉積還原爐內(nèi)高溫沉積載體上不斷沉積獲得成品多晶硅，將電能通過發(fā)熱載體轉(zhuǎn)換為熱能，在滿足多晶硅沉積的同時(shí)副產(chǎn)大量的熱量，這部分熱量可以通過高溫水媒介導(dǎo)出用于其它用熱工序使用；還原尾氣干法回收工序、精餾提純工序以及氫化工序等是實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物分離、提純、再加工回收利用的工序，其中精餾提純過程需要加熱物料，根據(jù)不同介質(zhì)的沸點(diǎn)差異實(shí)現(xiàn)最終分離，這將需要大量的熱源來實(shí)現(xiàn)物料加熱，因此還原工序副產(chǎn)的熱量將優(yōu)先滿足這些用熱工序的用熱需求，針對(duì)用熱品質(zhì)的差異，還原副產(chǎn)熱源能夠滿足工序優(yōu)先使用副產(chǎn)熱源來供熱，針對(duì)不能滿足用熱要求的熱源將通過外補(bǔ)熱源來實(shí)現(xiàn)用熱需求，最終實(shí)現(xiàn)多晶硅系統(tǒng)的熱量平衡[9]。

因此，多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)中，還原工序是產(chǎn)熱區(qū)，副產(chǎn)熱量通過高溫水等介質(zhì)帶出系統(tǒng)；尾氣回收、精餾提純、氫化等系統(tǒng)均是用熱區(qū)，根據(jù)用熱特點(diǎn)，對(duì)不同品質(zhì)的熱量需求采取不同的熱源供應(yīng)。多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)中，多為低溫用熱系統(tǒng)，因此還原副產(chǎn)熱量能夠得到很好的利用，通過優(yōu)化用熱系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效降低系統(tǒng)外補(bǔ)蒸汽用量，從而達(dá)到降低多晶硅生產(chǎn)成本的目的。

1.2 高溫水利用系統(tǒng)

高溫水作為多晶硅系統(tǒng)攜帶熱量的主要媒介，從還原系統(tǒng)吸收副產(chǎn)熱量升溫后，進(jìn)入后續(xù)用熱工序。目前主要通過兩種方式進(jìn)行利用，一種是將高溫水通過低壓閃蒸系統(tǒng)產(chǎn)低壓蒸汽，以低壓蒸汽的方式供后續(xù)工段使用，同時(shí)閃蒸后的高溫水再返回還原系統(tǒng)循環(huán)使用；另外一種就是直接利用升溫后的熱水進(jìn)入到后續(xù)系統(tǒng)，熱水通過用熱點(diǎn)取熱后降溫，降溫后的熱水再返回還原系統(tǒng)循環(huán)使用。

1.2.1 高溫水低壓閃蒸取熱

高溫水在經(jīng)過還原系統(tǒng)后，吸收多晶硅還原爐在生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的熱量升溫，進(jìn)入熱能轉(zhuǎn)換站，主要是進(jìn)入一套低壓蒸汽閃蒸設(shè)備，將高溫水減溫減壓后，產(chǎn)生低壓蒸汽從閃蒸罐頂部進(jìn)入低壓蒸汽系統(tǒng)供后續(xù)用熱點(diǎn)使用，降溫后的低溫水經(jīng)過提壓泵增壓后返回還原高溫水供水系統(tǒng)，達(dá)到高溫水循環(huán)使用的目的。工藝流程如圖1所示。

圖1 高溫水低壓閃蒸取熱工藝流程

高溫水低壓閃蒸取熱是目前大部分多晶硅生產(chǎn)企業(yè)采用的熱能回收利用技術(shù)，主要回收利用副產(chǎn)熱量中通過鐘罩傳遞出來的熱量，還原爐底盤所傳遞的熱量通過單獨(dú)的系統(tǒng)高溫水循環(huán)降溫系統(tǒng)，直接放空浪費(fèi)了，而且需要單獨(dú)投資一套底盤水冷卻降溫系統(tǒng)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是熱品質(zhì)較高，但是副產(chǎn)熱量未得到充分回收利用，而且需要單獨(dú)設(shè)置冷卻降溫系統(tǒng)為還原爐底盤的循環(huán)水降溫。

1.2.2 高溫水循環(huán)直接取熱

高溫水直接作為還原爐鐘罩及底盤冷卻降溫用媒介，通過還原爐鐘罩和底盤將還原爐內(nèi)副產(chǎn)的熱量導(dǎo)出，經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換站將熱量轉(zhuǎn)移到用熱點(diǎn)使用，工藝流程如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)是還原副產(chǎn)熱量通過高溫水媒介回收利用相對(duì)充分，但是因?yàn)樯a(chǎn)過程中，底盤水熱量相對(duì)較小，直接將兩種不同溫升的熱水混合后，降低了高溫水的熱品質(zhì)，作為后續(xù)用熱點(diǎn)的熱源受到一定的限制。

圖2 高溫水循環(huán)直接取熱工藝流程

2 高溫水利用系統(tǒng)的優(yōu)化改造

2.1 工程概況

某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)為分期建設(shè)項(xiàng)目，年產(chǎn)20 000 t多晶硅分兩期建設(shè)，共設(shè)置了5個(gè)多晶硅生產(chǎn)廠房，單個(gè)廠房配置同型號(hào)還原爐釋放產(chǎn)能4 000 t/a；在生產(chǎn)過程中，還原爐鐘罩及底盤均采用高溫水進(jìn)行降溫，通過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，還原爐底盤降溫水溫升較低，導(dǎo)致高溫水回水總管溫度上不去，高溫水進(jìn)入到熱能轉(zhuǎn)換站后，后續(xù)熱能利用工序因高溫水熱品味不夠而使生產(chǎn)出現(xiàn)經(jīng)常性波動(dòng)。

出現(xiàn)上述問題的原因是還原爐底盤與還原爐鐘罩在高溫水冷卻過程中，出水溫度因設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行要求不同而不同，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)熱量仿真模擬計(jì)算，還原爐鐘罩出水溫度高(溫升一般為20 ℃)，底盤出水溫度低(溫升一般為3～5 ℃)。所以高溫水作為傳熱媒介將多晶硅還原系統(tǒng)副產(chǎn)熱量全部攜帶出系統(tǒng)，應(yīng)通過分類回收使能量得到高效充分利用。

2.2 優(yōu)化改造措施

為了穩(wěn)定生產(chǎn)系統(tǒng)，減少生產(chǎn)過程波動(dòng)帶來產(chǎn)品品質(zhì)的差異，在合理回收利用還原系統(tǒng)副產(chǎn)熱能的前提下，對(duì)已有的高溫水系統(tǒng)進(jìn)行改造。具體做法是在回水端進(jìn)行拆解分組，即底盤水回水和鐘罩水回水分別匯總，溫升較高的鐘罩水按原路線去熱能轉(zhuǎn)化站利用大部分熱能；底盤水回水單獨(dú)在還原車間附近設(shè)置緩沖罐，通過提壓泵后直接將此部分水接入到供水管與熱能轉(zhuǎn)換站提供過來的余熱利用完后的高溫水匯合，一同為還原高溫水系統(tǒng)供水。其改造工藝流程如圖3所示。

圖3 高溫水直接取熱優(yōu)化工藝流程

此次改造流程實(shí)施方便，投入較少，周期較短；改造后工藝流程簡(jiǎn)捷，生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，不僅能回收系統(tǒng)副產(chǎn)的熱量，同時(shí)還能提升副熱產(chǎn)品高溫水的品質(zhì)，有效為后續(xù)工段用熱提供保障，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 改造后運(yùn)行情況

目前，改造后的高溫水系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行有兩年以上時(shí)間，從實(shí)際運(yùn)行情況可以看出，底盤水與鐘罩水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)外補(bǔ)蒸汽量穩(wěn)步下降，有效降低了多晶硅的生產(chǎn)成本。

2.3.1 改造后的高溫水運(yùn)行情況

通過技術(shù)改造，將底盤水回水單獨(dú)運(yùn)行，在近兩年的實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期的改造目的，多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)改造前后高溫水系統(tǒng)供回水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 改造前后高溫水運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

注：以上測(cè)量點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為各區(qū)高溫水總管一天24 h的運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值；改造前的流量數(shù)據(jù)為鐘罩與底盤水量匯總后計(jì)量，改造后流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是鐘罩水流量。

從表1可以看出，改造前，各個(gè)爐區(qū)因?yàn)檫€原爐運(yùn)行的數(shù)量以及開爐時(shí)間段不同，各區(qū)數(shù)據(jù)存在一定的差異性，總體來看，各區(qū)回水溫度都不超過144 ℃，這對(duì)后續(xù)的用熱工序來說，溫度差不夠大，推動(dòng)力不夠強(qiáng)，換熱效果不佳，甚至有些用熱工序難以用此熱源作為用熱媒介；而改造后，隨著底盤水單獨(dú)切出回水系統(tǒng)后，高溫水的循環(huán)量大大降低，回水溫度大大提高，均接近150 ℃，這為后續(xù)用熱工序提供了較高的高溫媒介，同時(shí)循環(huán)水量的降低可以減少高溫水泵的運(yùn)行功率。

2.3.2 改造后的底盤水運(yùn)行情況

在改造過程中增加了底盤水回水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是對(duì)溫度、壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，近段時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

表2 改造后底盤水運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

注：以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為各區(qū)底盤水回水管總管數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為一天24 h的運(yùn)行平均值；流量監(jiān)測(cè)的是底盤水總管流量。

從表2可以看出，底盤水在實(shí)際運(yùn)行過程中溫升不是很高，一般在3 ℃以內(nèi)，不同還原爐處在不同運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，溫升略有差異，經(jīng)過多臺(tái)還原爐的回水混合后，總管溫度溫升不高，總體運(yùn)行平穩(wěn)。

2.4 改造經(jīng)濟(jì)性分析

通過高溫水系統(tǒng)改造，水質(zhì)得到分類回收處理，生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；鐘罩水回水溫度較高，能夠?yàn)楹罄m(xù)用熱工序提供高品質(zhì)熱源，底盤水回水經(jīng)過小循環(huán)后再供入供水系統(tǒng)總管上，回收了熱量，同時(shí)降低了大系統(tǒng)循環(huán)水量的負(fù)荷；其經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在鐘罩水品質(zhì)的提升，為后續(xù)用熱系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的供熱，降低了系統(tǒng)外補(bǔ)熱源量；同時(shí)降低了循環(huán)水的循環(huán)泵功率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。

1)節(jié)省外補(bǔ)蒸汽費(fèi)用。通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在高溫水技改方案實(shí)施后，系統(tǒng)補(bǔ)充蒸汽量由技改之前的50 t/h降低到48.6 t/h，根據(jù)年運(yùn)行時(shí)間8 000 h來考慮，年節(jié)約蒸汽補(bǔ)充量1.12萬(wàn)t，根據(jù)160元/t的蒸汽價(jià)格，年蒸汽補(bǔ)充節(jié)省費(fèi)用179.2萬(wàn)元。

2)節(jié)約用電費(fèi)用。從還原系統(tǒng)升溫后的高溫水進(jìn)入熱能轉(zhuǎn)換站取熱后，再通過提升泵返回還原系統(tǒng)，隨著底盤水從回水系統(tǒng)單獨(dú)切出后，往返熱能轉(zhuǎn)換站的循環(huán)水量降低，泵的運(yùn)行功率將低，從熱能轉(zhuǎn)換站統(tǒng)計(jì)的電能運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，用于高溫水循環(huán)泵的電能從每小時(shí)1 472 kW降低至1 177 kW，而改造后的底盤水循環(huán)泵耗電為147 kW/h，因此總體上高溫水循環(huán)泵每小時(shí)節(jié)電148 kW，根據(jù)年運(yùn)行時(shí)間8 000 h來考慮生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)運(yùn)行情況，年節(jié)電量118.4萬(wàn)kWh，按照中部地區(qū)多晶硅工廠0.45元/kWh的優(yōu)惠電價(jià)估算，年節(jié)電費(fèi)用可達(dá)53.28萬(wàn)元。

綜上所述，通過技術(shù)改造提升后，多晶硅生產(chǎn)高溫水系統(tǒng)不僅運(yùn)行穩(wěn)定、熱源品質(zhì)提高，而且年節(jié)電節(jié)汽費(fèi)用可觀，初步估算達(dá)到232萬(wàn)元，有效降低了多晶硅生產(chǎn)成本，提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 結(jié)束語(yǔ)

多晶硅生產(chǎn)過程中，在還原爐內(nèi)高純?nèi)葰涔韬蜌錃獾幕旌蠚夥諊拢诟邷爻练e載體上氣相沉積獲得產(chǎn)品多晶硅，這個(gè)高溫體系將使得還原生產(chǎn)系統(tǒng)副產(chǎn)大量的余熱，為了回收這部分副產(chǎn)的熱能，利用水作為載體將熱量取出，使還原爐獲得降溫目的同時(shí)，能量得以回收利用，某多晶硅企業(yè)提出了一種高效、節(jié)能的高溫水利用系統(tǒng)優(yōu)化方案，該工藝技術(shù)可以較好地利用在多晶硅工廠，投資費(fèi)用少、技術(shù)改造周期短、生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性高，是一種具有推廣意義的節(jié)能技改技術(shù)。隨著多晶硅市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，多晶硅生產(chǎn)企業(yè)需要從各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和精細(xì)化操作并優(yōu)化現(xiàn)有流程系統(tǒng)，降低物料消耗和能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)最終的低成本生產(chǎn)目標(biāo)。