多晶硅精馏生产过程实际问题探讨

郭树军，董雪平，林占元

(1.江西景德半导体新材料有限公司，江西景德镇 333000;2.江西晶安高科股份有限公司，江西南昌 330508)

1 多晶硅精馏背景

多晶硅是生产太阳能电池及电子元件的基础功能性材料，是全球光伏产业和电子工业的基石［1］。改良西门子法是目前生产多晶硅最为成熟、最易扩建的工艺，生产的多晶硅占当今世界生产总量的70%～80%。三氯氢硅是改良西门子工艺生产多晶硅的中间产品，它的纯度直接影响多晶硅产品的纯度。三氯氢硅的精馏是多晶硅生产的关键环节。

本文结合生产实践，针对多晶硅精馏特性，对其生产过程的安全、设备、工艺控制、培训以及其他生产实际问题进行了系统的分析和探讨，并提出相应合理的对策和建议。

1.1 三氯氢硅精馏原理

氯硅烷液体原料由于不同组分具有不同的挥发度，进行多次部分汽化和冷凝，使氯硅烷分离为组分和杂质都合格的精制三氯氢硅。

1.2 工艺流程

①合成氯硅烷的精馏体系:多级精馏的方法将合成的氯硅烷进行精制，得到多晶硅级别的精制三氯氢硅。②还原氯硅烷的精馏体系:多级精馏的方法将还原的氯硅烷经过干法回收车CDI分离的氯硅烷进行精制，得到多晶硅级别的精制三氯氢硅。③处理低沸的精馏塔:对部分塔顶采和尾气回收的氯硅烷进行精制，回收三氯氢硅，提高原料利用率;该塔顶采低沸送三废车间处理。④处理高沸的精馏塔:对部分除塔釜采的氯硅烷进行精制，回收四氯化硅，提高原料利用率;该塔釜采高沸送三废车间或外送处理。

2 具体问题分析

2.1 安全生产

2.1.1 危险源和原因分析

多晶硅精馏生产过程中的氯硅烷物料(包括二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅、高沸、低沸)易燃、有毒、腐蚀性大;主要危险有氯硅烷引起的火灾、爆炸和中毒窒息，事故隐患较大;尤其是精馏塔高达50多米，一旦起火消防扑救也有一定困难，氯硅烷储罐区储罐多、储量大，氯硅烷如果发生泄漏，堵漏又不及时，影响会不断扩大，其危险远大于工艺管道泄漏。其次是由蒸汽灼伤和氯硅烷水解生成氯化氢产生的腐蚀;其他危险因素也不容忽视，电气伤害、机械伤害、高处坠落、物体打击、噪声与振动［2］。

2.1.2 对策与措施

①安全与技能的培训。加强安全学习，提高安全意识;强化业务技能，懂得应急处理。②完善制度和操作规程。完善各项管理制度(如现场管理、设备包机到人);制定合理规范的操作规程，尤其是罐区物料的装卸。

2.2 生产装备

多晶硅精馏主要装备有精馏塔、屏蔽泵、换热器、各类仪表、储罐、各种阀门、管件以及相应附件。

①精馏塔。由于合成车间过来的物料带有导热油，使合成氯硅烷的精馏体系除重塔被污染，停车对该塔进行全面清洗。还原车间过来的物料带有少许不定型硅粉(主要是由于对还原车间产生的二氯二氢硅进行回收的比例较高所产生的)，使还原氯硅烷的精馏体系除重塔的釜采不是很畅通，操作过程中，应注意每班次釜采都开大冲刷几次，保持釜采畅通。处理低沸的精馏塔，由于应力腐蚀发生过塔顶渗漏，对该塔进行过停车检修。

②泵。对运行泵的参数进行监控，如测量泵的振动、温度、电流、压力等。如果泵运行压力比平常明显偏低时，可能是泵前过滤器被硅粉堵塞，需要对过滤器进行清洗，检修后需充分灌泵。运行泵，由于流量计假象可能导致泵低压保护跳闸，如有杂音应及时进行检修。由于供电部门电压不稳定或打雷可能会导致多台泵同时跳闸，此时立即启动备用泵，避免影响生产，然后再查看跳停泵的状况。正常切换泵时，严格按照规程进行。

③换热器。由于合成车间过来的物料带有导热油，合成氯硅烷的精馏体系除重塔的再沸器被污染，其加热效果不佳，大幅度改变工艺参数(降低塔的运行压力和回流量)都无效，以致由于设备和工艺参数的变更原因产生质量问题，而不得不停车对该再沸器进行全面清洗。为早期发现冷凝器是否内漏，每天对换热器的双管板以及循环水pH值进行检查。

④仪表。中控和现场人员对仪表假象应及时判定，主要是液位计假象。中控按要求把液位控制在范围内，现场磁翻板液位计和中控磁致伸缩液位计数值和变化趋势应一致，若超出范围应该对两套液位计进行对比，就能发现哪个液位计出现了假象;还可以根据精馏塔体系的物料平衡来判定液位计假象。转子流量计容易被硅粉堵塞，发现堵塞应及时进行清洗。压力表和温度计一般出现问题较少，但在日常巡检过程中也应多加注意。

⑤各种阀门和管道。蒸汽冷凝水管道振动可能是某个疏水阀效果不佳，导致冷凝水管道有蒸汽存在产生振动。产品采出管道可能由于采出量较小，物料不能充满管道而产生振动，这时把现场进储罐的手阀关小少许即可消除。各调节阀定期检查是否被卡或是被堵。球阀出现过的渗漏有阀体漏、阀芯漏、阀门内漏。

2.3 工艺控制和操作

2.3.1 精馏塔操作控制要点

为保证精馏过程连续平稳进行，需要抑制生产过程中不正常现象发生;达到生产要求，需从几个方面来进行控制［3］。

①控制系统压力。塔压波动将引起温度和物料成分(产品质量)之间对应关系的混乱。蒸汽、塔顶冷凝剂的压力和流量的波动是实际操作过程中影响塔压波动的常见因素。塔压波动时，应先分析塔压波动原因并及时处理，使塔压恢复正常。

②控制温度系统。温度作为衡量质量的间接指标，只有在塔压恒定情况下才正确。操作过程中注意对离开精馏塔体系中组分出口温度的监控，如:除重塔监控釜温、除轻塔监控顶温、有侧线采出的塔对塔中温监控;其他温度可为参考，来佐证并控制精馏塔。

③控制回流比。回流比可以在零和无穷大之间变化，前者对应于无回流，后者对应于全回流，但实际上对于指定的分离要求，回流比不能小于最小回流比，否则即使有无数个理论板也达不到设计要求;增大回流比，有利于精馏过程的传质。但是增大回流比是以增加能耗为代价的。因此回流比的选择是一个经济问题，即在操作费用(能耗)和设备费用(板数及塔釜传热面、冷凝器传热面积等)做出权衡。选择适当的回流比，可达到增产、降耗、节能、减排作用。

④控制物料平衡。在实际操作过程中，要求把系统液位(塔釜液位和回流罐液位)维持在一定的范围内，目的是通过观察液位变化曲线，根据系统物料平衡的操作来发现问题:如液位计的假象、流量计的偏差过大或失真等等。

2.3.2 产品的质量控制

从质量管理的层面分析影响质量的因素［4］:①操作人员因素，如储罐之间倒错物料、操作不当(如中控对参数监控不到位、现场人员开关阀门不到位)、取样错误、分析不准确、新员工对产品质量认识不充分、质量部分析的数据反馈不及时、中控和现场操作员工调换频繁、换班频繁等。②原材料因素，原材料中杂质超高，超出了系统处理的能力。③工艺方面因素，工艺流程的变更或工艺参数的改变(如回流量的改变)。④设备因素，如换热器加热效果不佳，塔釜被堵塞等等。在精制三氯氢硅质量出现问题时，应找出引起质量变化的根本原因并及时处理，保证在质量合格前提下，产量最大化，达到增产降耗目的。

2.3.3 精馏的节能降耗

精馏主要能耗是电和蒸汽，氮气、仪表气、压缩空气、循环水、冷冻水、乙二醇都属于公用消耗，在系统内循环使用要尽量做到节约。

①从操作方面节能。电的使用方面，由于精馏有两套体系，两套体系的产品罐进行联通，关注还原车间所需的精制三氯氢硅的量，还原车间需要的量小就用功率小的产品泵输送，反之亦然，从而达到节省电能的效果。在中控操作的员工时刻对精馏塔进行微调，让塔在平稳的状态下进行生产也是节能过程。蒸汽是最大的消耗，也是节能重点，首先要及时定期排冷凝水，及时处理蒸汽漏点;还可以提高回流冷凝后温度，减少循环水阀门开度，这样再沸器蒸汽的使用量可相对的减少，达到节省蒸汽的效果。

②选择最适宜的回流比。对于回流设置较大的精馏塔，在不降低产品质量等级的条件下，只要降低回流量，即可降低塔底再沸器能耗。在降回流量的过程中可把各个塔的回流参数进行综合分析对比，如:回流设定值、回流显示值、回流调节阀开度、现场塔窥视孔的漏液情况、产品组分、产品杂质情况;找出最适宜回流比，达到节能效果。

③中间换热节能。对于塔釜温差较大的除重精馏塔，可以增加中间换热器方式来节省或回收能量。中间换热的方式为采出的物料和进料进行换热，对采出来说是个冷凝器，对进料来说是预加热器，可改变进料的温度，减少蒸汽使用量，达到精馏节能效果。

2.4 培训

在公司内部挖掘培训教材和培训师资，对员工进行合理培训，做到学以致用。①车间领导对班组长培训应着重其各种沟通与管理能力和技巧、现场管理基本知识、各种工艺控制。②班长和主操每周组织班组学习，包括安全培训和技能培训;培训应强调与精馏外操、内操、罐区装卸车工作相关的操作层面的内容。③新进的员工经过三级安全培训后，进入车间后确定师傅带徒弟进行装置现场培训。④所有员工应积极主动参加公司定期举行的各类讲座，同时强调员工自我培训、增强学习意识、端正学习态度、实践学习内容，完善业务知识体系。

2.5 精馏塔停车、年度大检修及开车

所有员工对年度大检修应从思想上高度重视，即强调检修期间现场的交接、配合，也强调与外协人员沟通、协调;做好充分的停车、检修、开车准备工作(包括思想准备、安全措施准备、检修方案和材料准备)。注意停车退料、吹扫装置、置换阶段安全控制;注意检修施工作业的危险识别、现场常规安全控制、大检修创新安全控制管理;注意开车时釜温缓慢升温，精馏现场及时排蒸汽冷凝水，防止管道水击，精馏塔进行全回流后，中控注意冷凝后温度的变化，因为通过这个温度可以判定精馏塔的保压氮气或不凝气体是否排净。

2.6 其他方面的问题

①员工应急问题处理能力的培养，停循环水问题、停冷媒(7℃盐水、乙二醇)、停蒸汽、停电、停仪表气、停氮气，以及开展消防演习。②问题处理意识的提高，对安全巡检过程中发现异常情况要有高度的重视，对生产过程在问题应及时处理。③人员沟通、协调与合作方面的问题。

3 结束语

在多晶硅精馏生产实际中，影响因素很多，要保障安全、稳定地生产出合格的精制三氯氢硅，是对精馏车间操作员工(包括外操和内操)的考验。操作人员要既要了解氯硅烷的理化性质，了解基本原理和工艺流程，严格按作业程序操作;也要了解适当设备、安全知识;对生产做到心中有数，在生产过程中，不应该放过任何一细小环节，懂得紧急处理措施。

［1］汤培平，陈云霞，徐 敏，等.冶金法制备太阳能硅过程的湿法除硼研究［J］.化学工程，2010，38(11):8－71.

［2］司 恭.改良西门子工艺生产多晶硅的安全问题［J］.安全，2010，2:16－19.

［3］邓 丰，唐正林.多晶硅生产技术［M］.北京:化学工艺出版社.2011.

［4］李景元.现代企业现场管理运作实务［M］.北京:中国经济出版社，2007.