工業(yè)硅生產(chǎn)工藝及節(jié)能探討

鄭紅梅 張升學(xué) 石何武（中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

工業(yè)硅生產(chǎn)工藝及節(jié)能探討

鄭紅梅 張升學(xué) 石何武（中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

本文主要針對(duì)工業(yè)硅的現(xiàn)狀及需求進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程的研究，提煉出節(jié)能降耗的方向，為工業(yè)硅的健康發(fā)展起到一定的指導(dǎo)作用。

工業(yè)硅；多晶硅；還原劑；礦熱爐；節(jié)能降耗

硅作為自然界最豐富的元素之一有著廣泛的引用，其中工業(yè)硅的主要用途是生產(chǎn)有機(jī)硅、制取半導(dǎo)體材料多晶硅以及其他特殊用途的合金等。近年來(lái)隨著太陽(yáng)能光伏行業(yè)的不斷發(fā)展壯大，工業(yè)硅的需求量也日益劇增。從20世紀(jì)40年代末建成第一座工業(yè)硅電爐以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，全球工業(yè)硅的年產(chǎn)能已達(dá)400萬(wàn)噸以上，而我國(guó)工業(yè)硅產(chǎn)能達(dá)到100萬(wàn)噸以上，從而使得我國(guó)成為世界上工業(yè)硅的主要生產(chǎn)和出口大國(guó)。工業(yè)硅隨著應(yīng)用的領(lǐng)域不同而產(chǎn)品質(zhì)量各異，本文從工業(yè)硅的分類及生產(chǎn)工藝上進(jìn)行介紹，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝的剖析，提出節(jié)能降耗的措施，為工業(yè)硅的發(fā)展提供一些指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 工業(yè)硅的分類及現(xiàn)狀

工業(yè)硅的分類通常按工業(yè)硅成分中所含鐵、鋁、鈣三種主要雜質(zhì)的含量來(lái)進(jìn)行分類，目前工業(yè)硅市場(chǎng)上主要規(guī)格及分類如下表1所示：

表1、工業(yè)硅規(guī)格和分類表

從表1中的分類可以看出，工業(yè)硅種類繁多，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同而選用的規(guī)格型號(hào)也各有差異，下表2列出了近五年來(lái)工業(yè)硅在不同領(lǐng)域的消耗量：

表2、不同年份工業(yè)硅的需求消耗量

從表2中可以看出，近年來(lái)工業(yè)硅的需求消耗量在逐年增多，但是工業(yè)硅在各個(gè)領(lǐng)域的變化也各異，尤其是在多晶硅用硅上，由于2011年后，全球多晶硅進(jìn)入冰凍期，大部分多晶硅企業(yè)停產(chǎn)檢修，導(dǎo)致多晶硅用硅量逐年下降，而有機(jī)硅和鋁合金用硅市場(chǎng)一直在穩(wěn)定中增長(zhǎng)，用量也相對(duì)比較穩(wěn)定。

2 工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝介紹

工業(yè)硅生產(chǎn)工藝是以硅石為硅源以碳質(zhì)材料作為還原劑經(jīng)過(guò)清洗干燥后，將硅石和碳質(zhì)還原劑送入礦熱反應(yīng)爐在2000℃左右的高溫下，經(jīng)還原制得硅，再將它溶化后重結(jié)晶，用酸除去雜質(zhì)，得到金屬硅。其碳還原氧化硅的反應(yīng)，通常用以下總反應(yīng)式表示：

但是中心反應(yīng)區(qū)及其附近因?yàn)闇囟鹊牟煌纤鶇⑴c的化學(xué)反應(yīng)有所區(qū)別。原料在礦熱反應(yīng)中心區(qū)域及其附近區(qū)域的反應(yīng)分別為：

這樣制得的硅含有少量雜質(zhì)，Si約占98%，F(xiàn)e、Al、Ca、Zn、Cu、Ni、Sn、Pb、Mn、Ti等約占2%。

碳質(zhì)還原劑的選擇原則是：固定碳高，灰分低，化學(xué)活性好。通常是采用低灰分的石油焦或?yàn)r青焦作還原劑。但是，由于這兩種焦炭電阻率小，反應(yīng)能力差，因而必須配用灰分低，電阻率大和反應(yīng)能力強(qiáng)的木炭（或木塊）代替部分石油焦。為使?fàn)t料燒結(jié)，還應(yīng)配入部分低灰分煙煤。對(duì)幾種碳質(zhì)還原劑的要求如表3所示。

表3、碳質(zhì)還原劑成分粒度要求

生產(chǎn)中按SiO2+2C=Si+2CO來(lái)配碳。在操作中碳的配入比較難以掌握，配碳量應(yīng)當(dāng)在理論配碳量（C/O=0.75）的基本原則下隨機(jī)控制，一般在理論配碳量不大的范圍內(nèi)波動(dòng)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，木炭、石油焦和煙煤的比率各位1/3的固定碳配入效果較好。

通過(guò)上述生產(chǎn)的金屬硅大部分為塊狀，若以硅塊為原料進(jìn)行破碎細(xì)化，一般采用球磨法、輥磨法、沖旋法可以生產(chǎn)工業(yè)硅粉，成品粒度通過(guò)工藝調(diào)節(jié)可以控制在30-425目范圍內(nèi)。

工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖如下圖1所示：

圖1、工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖

3 工業(yè)硅生產(chǎn)的耗能分析和節(jié)能討論

從上面的工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程可以看出，工業(yè)硅的生產(chǎn)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其能源消耗相對(duì)較大，平均電耗高達(dá)13000kwh/t。下面將從工業(yè)硅生產(chǎn)的原料、設(shè)備及工藝上分析影響工業(yè)硅生產(chǎn)能耗的主要因素，對(duì)降低企業(yè)工業(yè)硅生產(chǎn)能耗有一定的指導(dǎo)作用。

3.1 原料

工業(yè)硅生產(chǎn)的原料主要有硅石及還原劑；而原料影響工業(yè)生產(chǎn)能耗的主要因素有如下幾點(diǎn)：

3.1.1 硅石的潔凈度：雜質(zhì)含量越高，爐口料面明顯發(fā)粘，爐口透氣性不好，料面溫度升高且發(fā)紅，熱量損失達(dá)，從而電耗升高；因此硅石的精選和水洗是減少硅石帶入雜質(zhì)，節(jié)能降耗的主要措施之一。

3.1.2 硅石的熱穩(wěn)定性和抗爆性：加入電爐的硅石要有足夠的熱穩(wěn)定和良好的抗爆性。否則會(huì)因?yàn)槭軣岷芸炱屏亚冶砻嫜杆賱兟洌瑢?dǎo)致電爐透氣性變差，電爐上部爐料粘結(jié)，熱量損失增大，電耗升高，因此選用時(shí)要考慮此現(xiàn)象。

3.1.3 硅石的粒度：粒度過(guò)小，使得爐料透氣性差，粒度過(guò)大未反應(yīng)的硅石沉入爐底或進(jìn)入硅溶液中造成渣量增多，使得電耗升高，因此需要控制硅石的粒徑范圍在50-120mm。

3.1.4 還原劑的反應(yīng)性：碳的還原能力與工業(yè)硅冶煉的電耗有著密切的關(guān)系，為了降低能耗，必須要求碳質(zhì)還原劑有較高的反應(yīng)性。

3.1.5 還原劑灰分含量：控制還原劑的灰分主要是控灰分中的氧化物進(jìn)入熔渣增加了渣量和電耗，因此還原劑的純度要高而且灰分要低。

3.1.6 還原劑的比電阻：還原劑在電爐中是電流通過(guò)爐料的主要導(dǎo)體，電流一定時(shí)，還原劑的比電阻越大電爐可以使用較高的二次電壓以提高電爐的電效率，因此要選用比電阻較大的木炭作為還原劑是降低能耗的方法之一。

3.2 設(shè)備

從設(shè)備的內(nèi)在結(jié)果及尺寸以及配套的電器方面進(jìn)行工業(yè)硅生產(chǎn)能耗的分析及節(jié)能措施如下：

3.2.1 爐膛尺寸：只有采用合理的爐膛尺寸才能有效的降低工業(yè)硅的生產(chǎn)能耗，如果爐膛直徑過(guò)大，爐底功率密度減小，爐子散熱表面增大，因而熱損失增加；爐膛直徑過(guò)小會(huì)使電極-爐料-爐襯回路電流增加，不利于電極深插，增加電耗。

3.2.2 變壓器接線：選用合適的變壓器接線方式是降低能耗的方法之一，目前工業(yè)硅生產(chǎn)所用的電爐設(shè)備，還是將電流表接在變壓器的一次側(cè)來(lái)控制電極升降。

3.2.3 電爐容量：從國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，5MVA以上的電爐其電耗一般在12000-14000kwh的范圍內(nèi)，小型電爐因?yàn)楣β拭芏鹊停瑹釗p失占比例大而且電耗高，一般在14000-16000kwh之間，因此，要采用大容量爐型來(lái)降低工業(yè)硅的生產(chǎn)能耗。

3.3 工藝及操作

在工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝及爐型操作中，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行工業(yè)硅的節(jié)能降耗：

3.3.1 減少熱停：由于工業(yè)硅爐型功率較大，熱停一次需要更長(zhǎng)的供電時(shí)間才能恢復(fù)到供電前系統(tǒng)所處狀態(tài)，因此需要加強(qiáng)電極的維護(hù)，防止各種電機(jī)事故發(fā)生，以減少熱停次數(shù)和時(shí)間。

3.3.2 熱穿器的使用：好的出爐口，人工開(kāi)啟不需要使用燒穿器，但是在實(shí)際出硅水過(guò)程中有時(shí)為提高溫度，保持硅水通道的暢通用電燒眼時(shí)必須的。因此要注意保持良好的出硅水口，縮短電燒時(shí)間。

3.3.3 爐筒布料要均勻：還原劑在爐內(nèi)分布要均勻，避免加料造成缺碳或局部碳過(guò)剩使還原不夠充分。因此電極四周布料要呈平頂性，高出200-300mm。

3.3.4 下料要平穩(wěn)：根據(jù)爐料熔化速率及時(shí)下料，避免爐內(nèi)因缺料炮火或下料過(guò)多使?fàn)t內(nèi)溫度降低電極上抬，從而增加能耗。

3.3.5 正確的搗爐：采取及時(shí)正確的搗爐操作對(duì)于改善料層透氣性，減少炮火塌料及熱損失是非常重要的。

4 結(jié)語(yǔ)

從工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝過(guò)程看，雖然生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，但是節(jié)能降耗點(diǎn)不少，我們對(duì)新上工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)或已大批量生產(chǎn)工業(yè)硅的企業(yè)，從以下幾個(gè)方面提出節(jié)能措施：

4.1 選用較好的硅源礦石作為工業(yè)硅的原料，并采用灰分低、活性高的碳質(zhì)還原劑進(jìn)行生產(chǎn)；

4.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量選用最先進(jìn)的熱電爐進(jìn)行加工生產(chǎn)；

4.3 從工藝操作上進(jìn)行優(yōu)化，減少熱停及在布料過(guò)程中均勻性，能夠及時(shí)的進(jìn)行搗爐等操作；

4.4 選擇合適的生產(chǎn)工藝流程，注重在實(shí)踐中節(jié)能。

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