姜利霞 楊永亮 董麗萍

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅系統(tǒng)主要包括冷氫化裝置、精餾裝置、還原廠房、還原尾氣干法回收裝置和氯硅烷罐區(qū)等，其中氯硅烷罐區(qū)是多晶硅系統(tǒng)的重要組成部分。多晶硅純度和精度要求高，精餾裝置工藝流程復(fù)雜，因此過(guò)程儲(chǔ)存和緩沖儲(chǔ)罐多，且各工序物料往返頻繁。

多晶硅系統(tǒng)涉及的物料主要為二氯二氫硅、三氯氫硅和四氯化硅，其中二氯二氫硅易燃易爆，閃點(diǎn)為-37 ℃，爆炸極限為4.1%～99%，屬于甲A類危險(xiǎn)化學(xué)品，毒性程度為中度；三氯氫硅閃點(diǎn)為-13 ℃，爆炸極限為6.9%～70%，屬于甲B類危險(xiǎn)化學(xué)品，毒性程度為中度；四氯化硅雖無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)性，但具有毒性。上述三者遇水均生成氯化氫，對(duì)設(shè)備和管路有腐蝕性。同時(shí)由于儲(chǔ)罐多、規(guī)格大，氯硅烷罐區(qū)危險(xiǎn)級(jí)別高，安全風(fēng)險(xiǎn)大，管理難度大，屬于重大危險(xiǎn)源[1-2]。隨著國(guó)家對(duì)重大危險(xiǎn)源監(jiān)控力度的加強(qiáng)，氯硅烷罐區(qū)必須配置對(duì)儲(chǔ)罐液位、溫度和壓力精準(zhǔn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)的DCS系統(tǒng)(儀表控制系統(tǒng))、對(duì)事故緊急切斷的緊急切斷系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)(安全儀表系統(tǒng))[3]，氯硅烷罐區(qū)的投資較高。在保證氯硅烷罐區(qū)功能和安全規(guī)范要求的前提下，如何減少氯硅烷罐區(qū)的儲(chǔ)罐種類、規(guī)格和數(shù)量是多晶硅企業(yè)必須考慮的問(wèn)題。

1 氯硅烷罐區(qū)的常規(guī)設(shè)計(jì)

在多晶硅氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)中，通常按照物料種類及特性、精餾塔類別和分析檢測(cè)過(guò)程等進(jìn)行儲(chǔ)罐配置。冷氫化裝置、還原尾氣干法回收裝置和還原廠房均需配備原料罐或產(chǎn)品罐。精餾裝置為各裝置提供原料或產(chǎn)品，且多晶硅純度和精度的高要求，導(dǎo)致精餾裝置流程復(fù)雜、塔組種類多，主要包含處理冷氫化料的氫化初分塔、粗餾塔、精餾塔，處理還原尾氣干法回收的干法精餾塔，處理其余塔高低沸的回收塔，處理氫化二氯二氫硅和干法塔二氯二氫硅的反歧化塔等塔組。為保證多晶硅品質(zhì)，精餾裝置每組塔產(chǎn)品均進(jìn)入罐區(qū)，待檢測(cè)合格后方可進(jìn)入下一級(jí)塔組或下一裝置，故每種塔組均設(shè)置原料罐和產(chǎn)品罐等，氯硅烷罐區(qū)至少需要配置14種儲(chǔ)罐，涉及的儲(chǔ)罐種類見(jiàn)表1。

表1 氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐配置表

在儲(chǔ)罐規(guī)格和數(shù)量方面，為保證多晶硅品質(zhì)，每種物料檢測(cè)合格后方可進(jìn)入下一裝置，故每種物料至少配備3個(gè)儲(chǔ)罐[4]，功能分別為下料、檢測(cè)和出料，同時(shí)儲(chǔ)罐數(shù)量需考慮產(chǎn)品不合格時(shí)，不合格產(chǎn)品的物料存儲(chǔ)。多晶硅物料的檢測(cè)周期為6～8 h，每個(gè)儲(chǔ)罐的規(guī)格應(yīng)保證至少8 h的儲(chǔ)存量，隨著多晶硅規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各裝置和精餾裝置塔組的處理量較大，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)罐的規(guī)格加大或數(shù)量增加，罐區(qū)占地大，危險(xiǎn)級(jí)別高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、管理難度大。

2 氯硅烷罐區(qū)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本文結(jié)合多晶硅生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和安全規(guī)范要求，打破氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的儲(chǔ)罐種類較多、危險(xiǎn)級(jí)別高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、管理難度大等問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了氯硅烷罐區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

2.1 氯硅烷罐區(qū)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路

氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)充分考慮了裝置間物料直供，包括不同裝置間、精餾裝置不同塔組間的物料直供。正常工況下，物料不經(jīng)罐區(qū)直接進(jìn)入下道裝置或塔組，罐區(qū)配置僅考慮故障情況的臨時(shí)緩沖，故障排除后應(yīng)及時(shí)將儲(chǔ)罐內(nèi)物料送入精餾塔組或?qū)?yīng)裝置，不做長(zhǎng)久儲(chǔ)存使用。

1)儲(chǔ)罐種類方面。鑒于儲(chǔ)罐是設(shè)備故障或檢修放料時(shí)臨時(shí)用于儲(chǔ)存物料，因此將組分含量相同或相近的物料合并，共用一個(gè)儲(chǔ)罐。以主要組分為三氯氫硅的物料為例，粗餾塔原料、粗餾塔產(chǎn)品、精餾塔原料、高低沸回收塔原料、高低沸回收塔高低沸、氫化反歧化塔產(chǎn)品和干法反歧化塔產(chǎn)品的主要組分均為三氯氫硅，這些物料共設(shè)置一個(gè)三氯氫硅罐，當(dāng)粗餾塔、精餾塔和高低沸回收塔等任一塔組出現(xiàn)故障時(shí)，這些物料均輸送至罐區(qū)三氯氫硅罐，待事故排除后，為保證多晶硅品質(zhì)，這些物料均輸送至最前端的粗餾塔。按此分類，氯硅烷罐區(qū)涉及的儲(chǔ)罐種類分為5種即能滿足生產(chǎn)要求。

2)儲(chǔ)罐規(guī)格方面。僅須考慮故障處理期間的物料儲(chǔ)存，同時(shí)考慮該故障裝置或塔組中最大儲(chǔ)液量設(shè)備的物料全部進(jìn)入儲(chǔ)罐，保證事故料的儲(chǔ)存。

3)儲(chǔ)罐數(shù)量方面。無(wú)需考慮檢測(cè)問(wèn)題，根據(jù)多年多晶硅生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于易出故障的裝置或塔組，儲(chǔ)罐數(shù)量考慮一定的操作彈性，保證滿足生產(chǎn)和事故工況需要即可。

2.2 氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的先進(jìn)性

與氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)相比，氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.2.1 設(shè)備投資降低

氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的設(shè)備投資、管道投資和儀表投資均大幅降低。氯硅烷罐區(qū)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，儲(chǔ)罐種類和數(shù)量減少，泵數(shù)量減少，對(duì)應(yīng)的管道和管閥件大大減少，設(shè)備和管道投資大大降低；對(duì)于氯硅烷罐區(qū)，由于二氯二氫硅和三氯氫硅危險(xiǎn)性較高，必須配置對(duì)儲(chǔ)罐液位、溫度和壓力精準(zhǔn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)的DCS系統(tǒng)、對(duì)事故緊急切斷的緊急切斷系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)，儀表投資是罐區(qū)投資的重要組成部分，儲(chǔ)罐數(shù)量減少，儲(chǔ)罐設(shè)置的DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)投資也大大降低。

2.2.2 占地和土建投資降低

由于二氯二氫硅和三氯氫硅火災(zāi)危險(xiǎn)性大，沸點(diǎn)低，儲(chǔ)罐間距、儲(chǔ)罐與防火堤間距、儲(chǔ)罐與泵間距、氯硅烷罐區(qū)與其它裝置的間距均要求較高。氯硅烷罐區(qū)的常規(guī)設(shè)計(jì)中，罐區(qū)儲(chǔ)罐多占地較大，導(dǎo)致多晶硅系統(tǒng)總圖占地大，而創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以大大降低罐區(qū)占地和土建投資。

2.2.3 冷源能耗大幅降低

氯硅烷罐區(qū)各儲(chǔ)罐工作壓力較低，儲(chǔ)罐溫度低，而各裝置和塔組的物料溫度較高，為防止物料在管路上或儲(chǔ)罐內(nèi)汽化而損失，物料須經(jīng)換熱器冷卻后方可送入罐區(qū)[5]。由于二氯二氫硅和三氯氫硅沸點(diǎn)低，分別為8.2 ℃和31.8 ℃，無(wú)法使用常規(guī)循環(huán)水作為冷源，必須使用溫度更低、費(fèi)用較高的冷源，例如低溫冷凍水和氟利昂。氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)中，正常工況下各裝置和精餾裝置輸送至罐區(qū)的物料種類較多，每種物料均須設(shè)置冷卻器，設(shè)備數(shù)量多，物料冷卻能耗較高；而氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，正常工況下物料在裝置間直供，無(wú)需冷卻無(wú)冷源消耗，物料僅故障工況下輸送至罐區(qū)，且各裝置一般不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)故障，各裝置只需設(shè)置一個(gè)公用冷卻器，冷卻器設(shè)備數(shù)量和冷源消耗大大降低，多晶硅成本也隨之降低。

2.2.4 電耗降低

氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)中，正常工況下各裝置和精餾物料均輸送至罐區(qū)，檢測(cè)合格后再由罐區(qū)泵輸送至下一裝置和塔組，罐區(qū)泵運(yùn)行數(shù)量多，電耗高。而氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，物料僅故障工況下輸送至罐區(qū)，且各裝置一般不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)故障，罐區(qū)泵基本不運(yùn)行，電耗大大降低。

2.2.5 安全性提高

在確保安全運(yùn)營(yíng)條件下，儲(chǔ)罐種類、數(shù)量減少，正常工況下，各裝置物料直供，氯硅烷罐區(qū)儲(chǔ)罐內(nèi)無(wú)物料儲(chǔ)存，且需要操作的管閥件數(shù)量減少，操作方便，降低風(fēng)險(xiǎn)，易于管理。

2.3 氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的弊端處理

氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)存在一定弊端，裝置間物料直供不能保證每一裝置或塔組產(chǎn)品合格，當(dāng)某一裝置和塔組產(chǎn)品不合格時(shí)，導(dǎo)致最終多晶硅產(chǎn)品不合格，這就對(duì)DCS系統(tǒng)和工人操作水平提高了要求。隨著儀表自動(dòng)化水平和工人素質(zhì)的逐漸提高，多年多晶硅生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，各裝置和精餾塔組均能保證穩(wěn)定正常運(yùn)行。同時(shí)在管路設(shè)計(jì)上，各裝置和塔組物料走向均設(shè)置正常工況去下一裝置和事故或非正常工況去罐區(qū)的儀表切斷閥，當(dāng)某一裝置出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可及時(shí)暫時(shí)將物料輸送至罐區(qū)。

3 結(jié)束語(yǔ)

與氯硅烷罐區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)相比，氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)雖存在一定不足，但從設(shè)備投資、儀表投資、土建投資、冷源消耗、電耗和風(fēng)險(xiǎn)性方面均存在較大優(yōu)勢(shì)，并經(jīng)現(xiàn)有企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行情況驗(yàn)證，氯硅烷罐區(qū)創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以滿足多晶硅系統(tǒng)生產(chǎn)需要和規(guī)范要求，有很好的推廣價(jià)值。