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) 471023；2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

2018 年，受“5·31 光伏新政”影響，太陽(yáng)能級(jí)多晶硅價(jià)格急劇下跌，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)大量多晶硅企業(yè)被迫停產(chǎn)檢修。2020 年，隨著內(nèi)蒙、新疆等地享有低電價(jià)優(yōu)勢(shì)的多晶硅企業(yè)的產(chǎn)能釋放，多晶硅價(jià)格下降至60 元/kg 以下，多晶硅價(jià)格和生產(chǎn)成本嚴(yán)重倒掛，部分企業(yè)宣布破產(chǎn)[1]。面對(duì)多晶硅行業(yè)殘酷的洗牌，只有繼續(xù)采取降低生產(chǎn)能源消耗、優(yōu)化組織運(yùn)行、提高精細(xì)化管理水平、謀求轉(zhuǎn)型發(fā)展等全面降低生產(chǎn)成本的措施才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存。

1 多晶硅生產(chǎn)成本構(gòu)成

太陽(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)工藝就是通過(guò)物理提純、化學(xué)反應(yīng)等方式將工業(yè)硅中的硼、磷、碳和金屬雜質(zhì)去除，最終得到99.999 9%～99.999 999 9%的高純硅的過(guò)程[2]。多晶硅的生產(chǎn)不僅要消耗硅粉、三氯氫硅等原料，同時(shí)還要消耗電力、蒸汽、水等能源。以國(guó)內(nèi)某多晶硅企業(yè)為例，多晶硅生產(chǎn)成本組成見表1。

由表1 可以看出，多晶硅生產(chǎn)成本包括硅粉和三氯氫硅的消耗、電力消耗、蒸汽消耗、人力成本、設(shè)備折舊和其他消耗等，因此生產(chǎn)成本控制需要從上述幾方面入手。

表1 多晶硅生產(chǎn)成本組成情況

2 多晶硅生產(chǎn)成本控制措施

2.1 降低硅材料消耗

根據(jù)元素守恒定律，結(jié)合多晶硅企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行情況，每生產(chǎn)1 t 多晶硅消耗1.1～1.2 t 硅，所以硅材料消耗的大小將直接影響生產(chǎn)成本的控制。降低硅材料消耗的措施主要包括降低氫化系統(tǒng)的硅粉消耗、物料回收等。

2.1.1 降低氫化系統(tǒng)的硅粉消耗

國(guó)內(nèi)多晶硅企業(yè)的流化床氫化裝置運(yùn)行周期為3～18 個(gè)月，運(yùn)行時(shí)間不同，成本相差較大，因此保障系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、減少系統(tǒng)檢修次數(shù)對(duì)于降低硅材料消耗而言非常關(guān)鍵。

1)要對(duì)反應(yīng)器的分布器、旋風(fēng)分離器等關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證反應(yīng)器內(nèi)的氣體分布均勻，保證進(jìn)行旋風(fēng)分離的硅粉有效收集并能重新返回反應(yīng)器，減少進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的硅粉量，同時(shí)降低系統(tǒng)檢修頻次，從而大幅降低硅粉的損耗。

2)要提高進(jìn)料四氯化硅的純度，減少四氯化硅蒸發(fā)器及電加熱器的堵塞，避免系統(tǒng)頻繁檢修。若電加熱器出現(xiàn)硅粉堵塞，電加熱管易局部過(guò)熱，影響電加熱器的使用壽命，甚至出現(xiàn)電加熱管泄漏等安全事故，導(dǎo)致系統(tǒng)緊急停車。

3)合理制定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化氫氣和四氯化硅的配比，控制硅粉粒度比例、觸媒添加比例，提高氫化反應(yīng)的一次轉(zhuǎn)化率和硅粉的轉(zhuǎn)化率，降低硅粉消耗。

2.1.2 進(jìn)行物料回收

多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中精餾提純系統(tǒng)會(huì)定期排放氮?dú)?、氯化氫等不凝性氣體，以保證精餾塔內(nèi)壓力、溫度和回流量的穩(wěn)定。同時(shí)，氫化系統(tǒng)和還原爐間斷出裝爐的氮?dú)庵脫Q過(guò)程也會(huì)排放一部分尾氣，現(xiàn)場(chǎng)一些設(shè)備的檢修置換也會(huì)產(chǎn)生氯硅烷尾氣。這些尾氣中含有二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅等物料，因此物料的回收率直接關(guān)系到三氯氫硅的補(bǔ)充量，影響硅材料消耗的成本。

對(duì)于生產(chǎn)正常排放和臨時(shí)檢修置換排放的尾氣，要進(jìn)行合理的回收。設(shè)計(jì)合理的尾氣深冷加壓處理系統(tǒng)，通過(guò)壓縮機(jī)將低壓尾氣加壓至0.35～0.5 MPa，再通過(guò)-55～-35 ℃的冷媒降溫，然后對(duì)尾氣中的氯硅烷物料進(jìn)行深度回收利用。此外，該系統(tǒng)還要考慮尾氣中氮?dú)獾暮考皻怏w流動(dòng)速度，增加尾氣的冷凝時(shí)間，以提高物料的回收率，減少進(jìn)入尾氣淋洗塔的氯硅烷量，做到在減少物料損失的同時(shí)降低三廢系統(tǒng)的處理成本。

此外，三氯氫硅還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一些高沸物，這些高沸物同樣也會(huì)造成設(shè)備的堵塞，因此對(duì)系統(tǒng)高沸物的有效處理也是降低物料消耗的重要途徑。多晶硅系統(tǒng)氯硅烷殘液的高效濃縮、過(guò)濾、精餾回收裝置可以將氫化系統(tǒng)排放的含四氯化硅物料的金屬氯化物進(jìn)行多級(jí)過(guò)濾回收，在系統(tǒng)排出雜質(zhì)的同時(shí)提高物料的回收量。對(duì)于還原反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的六氯乙硅烷等高沸點(diǎn)物質(zhì)，可以通過(guò)裂解反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為四氯化硅、三氯氫硅等氯硅烷，然后將它們返回系統(tǒng)重新利用，以降低物料消耗。

2.2 降低電力消耗

多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，三氯氫硅還原工序是用電大戶，其電力消耗占全部電力消耗的65%以上，四氯化硅氫化、尾氣回收處理、循環(huán)冷卻水等工序也是主要用電點(diǎn)。因此多晶硅企業(yè)降低電力消耗可以從這幾個(gè)用電工序入手。

2.2.1 降低物料循環(huán)消耗

利用Fluent 流體力學(xué)模擬軟件模擬并通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，優(yōu)化還原爐噴嘴供料方式、供料曲線和硅棒電流提升曲線，使還原爐內(nèi)的氣體分布和溫度分布更加均勻，提高還原爐內(nèi)三氯氫硅的一次轉(zhuǎn)化率，減少三氯氫硅的物料消耗，有效減少提純精餾系統(tǒng)的無(wú)效循環(huán)[3]，降低蒸汽消耗，減少還原爐內(nèi)四氯化硅的產(chǎn)量，從而減少四氯化硅氫化系統(tǒng)和后續(xù)粗餾系統(tǒng)的處理量，達(dá)到全系統(tǒng)節(jié)能的目的。

2.2.2 動(dòng)態(tài)匹配調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷

在多晶硅企業(yè)的日常生產(chǎn)組織調(diào)度中，生產(chǎn)負(fù)荷會(huì)受到裝置異常、能源供給波動(dòng)、市場(chǎng)銷售等突發(fā)情況的影響，而生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整會(huì)造成系統(tǒng)匹配度下降，公輔系統(tǒng)出現(xiàn)大馬拉小車的情況，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性降低。

企業(yè)要建立生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)。首先，要梳理建立全廠用能設(shè)備臺(tái)賬清單，掌握運(yùn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)處理能力和實(shí)際處理能力，為后續(xù)生產(chǎn)負(fù)荷精準(zhǔn)調(diào)控提供基礎(chǔ)；其次，要針對(duì)企業(yè)裝置的設(shè)置特點(diǎn)，進(jìn)行不同生產(chǎn)負(fù)荷的匹配分析，尋找不同生產(chǎn)負(fù)荷下最佳公輔系統(tǒng)匹配運(yùn)行方案，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；最后，生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡控制系統(tǒng)要在日常生產(chǎn)組織調(diào)度中不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，使電力消耗、蒸汽消耗、水消耗等指標(biāo)達(dá)到相對(duì)最優(yōu)，使多晶硅產(chǎn)出的成本降到最低。

2.2.3 提高單個(gè)裝置運(yùn)行效率

評(píng)估單個(gè)系統(tǒng)、裝置的效能，進(jìn)行裝置差異化管理。例如，雖然同等型號(hào)的還原尾氣壓縮機(jī)的額定功率一樣，但是處理氣量會(huì)有所差別。通過(guò)效能分析診斷，可以掌握哪臺(tái)設(shè)備更加節(jié)能，方便在系統(tǒng)運(yùn)行匹配的同時(shí)提醒設(shè)備管理部門提前進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的檢修和故障診斷。對(duì)于一些換熱設(shè)備，及時(shí)進(jìn)行換熱效果的評(píng)估和對(duì)比也是發(fā)現(xiàn)換熱器換熱效果不佳、內(nèi)部管束可能存在堵塞或泄漏的有效方法，然后通過(guò)計(jì)劃?rùn)z修，不僅可以節(jié)約蒸汽使用量，還可以及時(shí)消除系統(tǒng)存在的安全隱患。

2.2.4 動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整公輔系統(tǒng)

公輔系統(tǒng)在多晶硅生產(chǎn)中的綜合電力消耗約占40%，因此眾輔系統(tǒng)的運(yùn)行匹配狀態(tài)將直接影響整體電力消耗的控制。電解水制氫系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)是公輔系統(tǒng)中最大的電力消耗部分，通過(guò)生產(chǎn)組織過(guò)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，可以節(jié)約一部分能源消耗[4]。

電解水制氫系統(tǒng)是成套裝置，單位氫氣生產(chǎn)的電力消耗主要受電解槽負(fù)荷率的影響，電單耗為4.5～5 kWh/Nm3。在終端用戶需求量穩(wěn)定的情況下，電單耗指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)。將電解水制氫系統(tǒng)的電單耗控制在較優(yōu)水平有以下幾個(gè)措施:1)保持電解水制氫裝置處于良好運(yùn)行狀態(tài)，減少設(shè)備泄漏等異常情況的發(fā)生；2)通過(guò)加大氫氣存儲(chǔ)的空間，增加系統(tǒng)氫氣的緩沖量，通過(guò)合理生產(chǎn)調(diào)度安排全廠氫氣使用計(jì)劃，減少電解槽的開停次數(shù)，提高單臺(tái)電解槽的運(yùn)行效率，使裝置達(dá)到產(chǎn)氣量和電力消耗的最佳平衡點(diǎn)；3)非直購(gòu)電多晶硅企業(yè)應(yīng)合理利用夜間波谷電價(jià)，盡可能多存儲(chǔ)氫氣，在白天波峰電價(jià)時(shí)間減少電解槽的用電負(fù)荷，以達(dá)到節(jié)電的目的。

在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)節(jié)能方面，可以進(jìn)行以下幾個(gè)工作:1)做好換熱設(shè)備的用能管理，杜絕大流量小溫差的情況，減少循環(huán)水量，從而降低水泵的運(yùn)行功率；2)精餾提純系統(tǒng)要合理控制塔系運(yùn)行參數(shù)，減少無(wú)效的塔內(nèi)物料循環(huán)，在降低蒸汽消耗的同時(shí)減少循環(huán)水的冷卻負(fù)荷，從而減少冷卻塔風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間或降低其運(yùn)行頻率，以降低電力的消耗；3)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整情況和冬季等外界環(huán)境溫度變化情況，在滿足主工藝運(yùn)行參數(shù)需求的前提下，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整循環(huán)水的供水溫度，減少冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，最終達(dá)到節(jié)電的目的。

2.2.5 優(yōu)化電力匹配

生產(chǎn)管理人員要做好全年用電計(jì)劃的核算，確保用電計(jì)劃的準(zhǔn)確性，并做好月度用電計(jì)劃的分解工作。當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，要及時(shí)與相關(guān)用電單位和電力交易平臺(tái)進(jìn)行溝通，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷情況進(jìn)行用電計(jì)劃和電力最大需量的調(diào)整，避免出現(xiàn)電力偏差考核。

在月度用電計(jì)劃分解方面，要做好還原爐、氫化裝置、電解槽等大型用電設(shè)備的排產(chǎn)工作，做好電負(fù)荷變化趨勢(shì)的預(yù)判，動(dòng)態(tài)掌握全廠電力負(fù)荷的變化情況。當(dāng)用電瞬時(shí)負(fù)荷接近電力考核最大需量時(shí)，要果斷采取急停設(shè)備或者降低設(shè)備運(yùn)行功率的措施，合理避開電力最大需量的考核范圍，減少變壓器容量費(fèi)的支出，降低用電費(fèi)用。

2.3 降低蒸汽消耗

蒸汽是多晶硅企業(yè)重要的熱源，主要用于精餾提純、尾氣回收、氫化、三廢三效蒸發(fā)等系統(tǒng)。降低蒸汽消耗可以采取以下幾個(gè)措施:

2.3.1 全廠熱量綜合利用

生產(chǎn)調(diào)度要合理安排還原爐的運(yùn)行爐數(shù)，建立還原爐自產(chǎn)熱量與后續(xù)提純系統(tǒng)用熱設(shè)備用熱量之間的動(dòng)態(tài)平衡，使系統(tǒng)自產(chǎn)熱量得到及時(shí)消耗，避免出現(xiàn)系統(tǒng)熱量富余但外供蒸汽消耗量大的情況，通過(guò)統(tǒng)一協(xié)調(diào)全廠熱量，降低系統(tǒng)蒸汽的補(bǔ)充量。

2.3.2 提純系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

對(duì)提純系統(tǒng)進(jìn)行流程梳理和分析，通過(guò)再沸器熱源耦合改造，減少蒸汽的直接消耗。在物料流程優(yōu)化方面，充分利用塔出料與塔進(jìn)料進(jìn)行換熱，減少物料預(yù)熱消耗。將蒸汽冷凝水進(jìn)行回收，將其熱量用于低沸點(diǎn)物料的分離，然后將富余熱量用于溴化鋰機(jī)組生產(chǎn)七度水，提高熱量的利用率。

優(yōu)化提純系統(tǒng)回流量，減少無(wú)效循環(huán)。嚴(yán)格控制塔頂冷凝器的下液溫度，杜絕出現(xiàn)下液溫度過(guò)低的現(xiàn)象，減少再沸器熱負(fù)荷。這樣不僅可以大大降低蒸汽消耗，還可以減少塔頂冷凝器冷卻水的用量。

2.3.3 氫化系統(tǒng)熱量?jī)?yōu)化

綜合利用氫化反應(yīng)部分的高溫?zé)崃?，在反?yīng)器出口增加氣氣換熱器，在氣體進(jìn)入反應(yīng)器前與出口氣體進(jìn)行換熱，降低預(yù)熱爐使用功率。此外，增加氣液換熱器，將系統(tǒng)高溫?zé)崃颗c四氯化硅進(jìn)料換熱，降低四氯化硅蒸發(fā)器的蒸汽消耗。

2.4 降低人力成本

提高智能化水平，優(yōu)化人員配置，是降低人力成本的重要措施，可以通過(guò)以下幾個(gè)方面的改進(jìn)降低人力成本:

1)提高自動(dòng)化水平，設(shè)備實(shí)現(xiàn)大型化，裝置實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，以減少人員配置。

2)建立科學(xué)完善的生產(chǎn)管控平臺(tái)，基于生產(chǎn)信息分析系統(tǒng)運(yùn)行情況[5]，協(xié)助生產(chǎn)管理人員更好地掌握生產(chǎn)狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，減少人力投入。

3)進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造，減少故障發(fā)生頻次和施工檢修工作量。提高自動(dòng)化水平，增加先進(jìn)控制系統(tǒng)，采用巡檢機(jī)器人等設(shè)備替代部分員工，減少人員配置。

4)優(yōu)化布置DCS 控制中心，崗位操作人員實(shí)行合并辦公，減少人員數(shù)量。

5)對(duì)物料裝卸、多晶硅產(chǎn)品后處理包裝、破碎等強(qiáng)度高、技能低的崗位進(jìn)行勞務(wù)替代，減少工資和社保支付，降低人力成本。

2.5 動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)方案

目前多晶硅致密料和珊瑚料每噸銷售價(jià)格相差2 萬(wàn)元，并且隨著下游客戶對(duì)質(zhì)量要求越來(lái)越高，增加硅棒致密料比例、滿足單晶硅片生產(chǎn)所需硅料的要求將是企業(yè)進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)發(fā)展、降低生產(chǎn)成本的有效途徑。優(yōu)化還原爐運(yùn)行參數(shù)，制定合適的供料曲線、硅棒電流控制曲線，選擇合適的三氯氫硅和氫氣的進(jìn)料配比，摸索出硅棒沉積速率和致密料比例的最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)質(zhì)量提高硅料的整體銷售價(jià)格，增加企業(yè)的營(yíng)收。

在市場(chǎng)物料供需關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，太陽(yáng)能多晶硅生產(chǎn)中涉及的四氯化硅、三氯氫硅等過(guò)程物料會(huì)出現(xiàn)價(jià)格倒掛的情況。在四氯化硅需求量大并且其價(jià)格和三氯氫硅價(jià)格相差不大的情況下，企業(yè)可調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，降低氫化系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，增加四氯化硅的外售量[6]，采購(gòu)三氯氫硅。通過(guò)物料置換，可減少氫化系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，在確保多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著光伏產(chǎn)品平價(jià)上網(wǎng)、政府補(bǔ)貼等政策收緊，能否進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本直接決定了多晶硅企業(yè)的生死存亡。因此，在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中，要針對(duì)自身系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析生產(chǎn)成本構(gòu)成要素，要從降低原料和能源消耗、優(yōu)化人員配置、根據(jù)市場(chǎng)情況進(jìn)行生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整、加強(qiáng)操作過(guò)程精細(xì)化管控等方面入手，不斷降低生產(chǎn)成本，確保企業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。