1 500 t/a系列多晶硅項(xiàng)目布置及管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)探討

胡愛(ài)新，胡光初

（1. 中國(guó)成達(dá)工程有限公司，成都 610041；2. 中國(guó)化學(xué)工程第三建設(shè)有限公司，合肥 230000）

多晶硅產(chǎn)品是生產(chǎn)單晶硅及硅片的唯一原材料，硅片大部分用來(lái)制作集成電路及太陽(yáng)能電池，其市場(chǎng)需求與半導(dǎo)體集成電路市場(chǎng)及太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，進(jìn)入1990 年代以來(lái)，在半導(dǎo)體市場(chǎng)及太陽(yáng)能電池產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)的推動(dòng)下，多晶硅生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量逐年增加，市場(chǎng)前景可觀。

本文以筆者參與的多個(gè)1 500 t/a 系列多晶項(xiàng)目的設(shè)計(jì)為依據(jù)，結(jié)合多晶硅項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工和開(kāi)車(chē)使用情況，簡(jiǎn)要闡述1 500 t/a 系列多晶硅項(xiàng)目布置特點(diǎn)，管道配管的特殊要求。以便在同類(lèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中借鑒和參考，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本，節(jié)省投資的目的。

1 1 500 t/a系列多晶硅工藝簡(jiǎn)介

1 500 t/a 產(chǎn)電路級(jí)多晶硅，其主要的生產(chǎn)工藝，是通過(guò)氫氣和氯氣合成氯化氫，再用氯化氫與硅粉反應(yīng)生成粗三氯氫硅，用精餾的方法從粗三氯氫硅中分離出高純度的三氯氫硅，再將汽化的三氯氫硅，與氫氣按一定比例混合引入多晶硅還原爐。在置于還原爐內(nèi)的棒狀硅芯兩端加以電壓，產(chǎn)生高溫。在高溫硅芯表面，三氯氫硅被氫氣還原成元素硅，并沉積在硅芯表面，逐漸生成所需規(guī)格的多晶硅棒。

2 裝置布置特點(diǎn)和原則

2.1 工藝主裝置布置特點(diǎn)

1 500 t/a 系列多晶硅裝置布置最大特點(diǎn)是緊密結(jié)合工藝和操作要求，突出核心的還原/氫化廠房，公用工程裝置圍繞在工藝裝置周?chē)M(jìn)行布置。

多晶硅主裝置由以下10 部分組成：氯化氫合成，三氯氫硅合成，提純，中間罐區(qū)，還原/氫化（包括變壓器部分），CDI-1，2，3，廢氣殘液處理，工藝廢物處理，整理廠房，內(nèi)管廊。

2.2 工藝主裝置布置執(zhí)行原則

（1）滿足安全要求，執(zhí)行GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]，GB 50016—2008《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]的規(guī)范要求。

（2）滿足工藝要求。按工藝流程化的特點(diǎn)合理安排各工序的相對(duì)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)管線（電纜/儀表橋架）最短原則。

（3）滿足安裝、操作、維修要求。

（4）實(shí)現(xiàn)裝置一體化、露天化，減少管道長(zhǎng)度，減少占地面積，達(dá)到節(jié)省投資目標(biāo)。

（5）實(shí)現(xiàn)裝置美觀。

3 主要工藝廠房布置特點(diǎn)

3.1 HCl合成工序設(shè)備布置特點(diǎn)

從區(qū)域角度，本工序可劃分為三部分：氯化氫合成爐部分、框架部分、貯罐部分；三部分呈L 型布置。合成爐是爐體內(nèi)產(chǎn)生明火的高溫高壓核心設(shè)備，布置于框架外側(cè)，框架部分布置在合成爐和管廊之間，旁邊靠管廊處布置貯罐設(shè)施。合成爐和框架之間設(shè)置有觀察室，觀察室與合成爐之間用防爆墻分隔開(kāi)，以保證觀察室人員在觀察爐子內(nèi)火焰顏色時(shí)的操作安全。氯化氫合成框架采用鋼結(jié)構(gòu)，因鹽酸的腐蝕嚴(yán)重，樓面采用混凝土樓面?？蚣荛L(zhǎng)20 m，寬12 m，高30 m，分四層布置，頂部設(shè)有1 t 電動(dòng)葫蘆用于檢修尾氣吸收設(shè)備。

3.2 三氯氫硅合成工序設(shè)備布置特點(diǎn)

本工序的特點(diǎn)是管道有固體粉料輸送，容易堵塞和結(jié)焦，因此，按工藝要求在布置時(shí)對(duì)設(shè)備的高差有嚴(yán)格的要求。本工序的布置情況是：采用鋼結(jié)構(gòu)框架，樓面為鋼格柵板，21 m 高的三氯氫硅合成爐置于框架內(nèi)?？蚣荛L(zhǎng)25 m，寬30 m，高48 m，分六層布置，框架頂部設(shè)置有3 t 吊車(chē)用于運(yùn)輸硅粉和檢修設(shè)備。4 臺(tái)SiHCl3合成爐支撐在21 m 層樓面，爐子頂部分別是硅粉處理的輔助設(shè)備，框架一樓設(shè)置有堿液地槽用于間斷處理合成爐排出的廢料硅粉，根據(jù)規(guī)范要求，在框架旁設(shè)有一部消防電梯[1]。

3.3 提純工序設(shè)備布置特點(diǎn)

提純工序是采用鋼結(jié)構(gòu)框架形式露天布置，框架長(zhǎng)64 m，寬16 m，高46.5 m，塔區(qū)部分六層布置，框架頂部設(shè)置有3 t 吊車(chē)用于檢修塔頂冷凝器設(shè)備， 14 臺(tái)精餾塔支撐在地面，布置在鋼框架內(nèi)，精餾塔頂部布置冷凝器，地面布置泵和部分輔助設(shè)備。該工序大型塔設(shè)備和輔助設(shè)備比較多，但布置緊湊，占地面積小。

3.4 氯硅烷存儲(chǔ)工序設(shè)備布置特點(diǎn)

按工藝原則氯硅烷存儲(chǔ)工序不同介質(zhì)的儲(chǔ)罐組采用分開(kāi)布置，在滿足安全間距的前提下，各罐組用防火堤隔開(kāi)，聯(lián)合布置為一個(gè)整體。該工序分別由第一部分精三氯氫硅9 個(gè)儲(chǔ)罐，第二部分2 個(gè)二級(jí)三氯氫硅儲(chǔ)罐與4 個(gè)合成氯硅烷儲(chǔ)罐，以及事故排放槽等組成。罐區(qū)中間布置有6 m 寬兩層管廊，管廊底下布置有機(jī)泵，用于輸送和連接進(jìn)出各儲(chǔ)罐的管道。鑒于氯硅烷介質(zhì)容易受溫度影響，儲(chǔ)罐外壁加設(shè)保溫層，罐區(qū)頂部設(shè)置有遮陽(yáng)蓬。

3.5 三氯氫硅還原/四氯化硅氫化工序設(shè)備布置特點(diǎn)

三氯氫硅還原工序是多晶硅裝置的核心廠房，與四氯化硅氫化廠房聯(lián)合布置在一起。廠房采用鋼結(jié)構(gòu)框架的混凝土樓面，長(zhǎng)102 m，寬43 m，分兩層布置，上層中部布置20 臺(tái)還原爐，單邊每側(cè)各10 臺(tái)，上層兩側(cè)分別布置SiHCl3緩沖罐、汽化器、回流排、冷凝器等，下層中間布置冷卻水系體，下層兩旁布置變壓器和電控柜組。廠房頂部設(shè)置有通風(fēng)系統(tǒng)，二層是潔凈廠房。二樓設(shè)置有16 t 吊車(chē)用于檢修和起吊還原爐，端頭設(shè)置有通向后處理廠房硅棒運(yùn)輸通道。

四氯化硅氫化分兩層布置，中間兩側(cè)布置10 臺(tái)氫化爐，單邊每側(cè)5 臺(tái)，外兩側(cè)房間分別布置四氯化硅緩沖罐、汽化器和汽液分離器、冷凝器等，二樓設(shè)置有16 t 吊車(chē)用于檢修起吊氫化爐。還原廠房和四氯化硅氫化廠房是兩個(gè)組合銜接在一起的廠房，兩廠房共用兩臺(tái)吊車(chē)。兩廠房中間預(yù)留有1 m 寬伸縮縫，兩個(gè)廠房組合在一起很大程度上節(jié)省了占地面積，節(jié)省了管道長(zhǎng)度，既能滿足工藝和規(guī)范要求，也使操作流暢，同時(shí)達(dá)到了整齊美觀的效果。

由于起吊爐筒頻繁，每個(gè)爐筒4 t 重，荷載過(guò)大，在二樓劃定固定區(qū)域分別擺放原爐筒、氫化爐筒，以利于減輕樓面操作荷載，可以節(jié)省結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)也避免操作過(guò)程中亂停亂放，在很大程度上也規(guī)范了操作程序。

3.6 廢氣殘液處理工序設(shè)備布置特點(diǎn)

廢氣殘液處理工序分三部分組成，廢氣殘液處理工序-1 用于處理罐區(qū)和氯硅烷分離提純工序的廢氣殘液，廢氣殘液處理工序-2 用于處理SiHCl3合成/還原/氫化/CDI 處的廢氣殘液，廢氣殘液處理工序-3用于清洗還原爐爐筒。

廢氣殘液處理工序-1/2 因?yàn)榭紤]腐蝕性強(qiáng)，都采用混凝土結(jié)構(gòu)，分兩層布置，每4 m 一跨內(nèi)放置一組塔，每組洗滌塔單獨(dú)隔離開(kāi)來(lái)，每組塔分別插入單獨(dú)的堿液槽內(nèi)，堿液槽下設(shè)置廢液接受槽，二層布置液封罐，液封罐上有排放管道，排放管順排架引至高點(diǎn)處排放。廢氣殘液處理工序-1 有3 組塔分3 跨，每跨4 m，總長(zhǎng)12 m，按總寬8.6 m 布置，殘液收集槽緊鄰其框架端頭布置。廢氣殘液處理工序-3 爐體清洗是帶頂棚的鋼結(jié)構(gòu)，沿地面四周設(shè)置有1 m 高圍墻，用于清洗爐筒，中間四周設(shè)置有清洗排放溝，廢液經(jīng)過(guò)排放溝排放至廢液接受槽，槽內(nèi)設(shè)置有排污泵，框架頂部設(shè)置有10 t 吊車(chē)，用于起吊還原爐筒進(jìn)行清洗。

4 管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和一般要求

4.1 三氯氫硅合成工序向廢氣殘液工序輸送廢棄物料管線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

廢氣物料介質(zhì)黏稠性較大，在溫度較高時(shí)廢棄固體物料在管道內(nèi)壁容易結(jié)焦和堵塞管道，因此，針對(duì)這種特殊要求在配管時(shí)要特別注意（如圖1 所示）。首先，在布置上要求廢氣殘液工序框架離三氯氫硅合成工序框架在滿足安全規(guī)范的前提下布置間距最小，用于縮短管道長(zhǎng)度，減少堵塞。其次，在每隔3～6 m直管和彎頭處增設(shè)可拆卸法蘭，便于管道拆卸和清洗。另外，管道設(shè)計(jì)過(guò)程中采用大彎頭（R=5D）連接，設(shè)置為大坡度走向，并且無(wú)高低袋形直接坡向廢氣殘液處理工序的洗滌塔。

圖1 坡度管Fig.1 Pipe with slope

為避免管道內(nèi)殘留的氯硅烷氣體刺激人體影響健康，特在坡度管線上增設(shè)氮?dú)獯祾呖?，拆卸管道時(shí)先用氮?dú)獯祾吒蓛簟?/p>

4.2 提純工序循環(huán)水增壓泵管線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

循環(huán)水增壓管線是DN600 以上大口徑管道，垂直高度達(dá)到40 m 以上，在泵開(kāi)停車(chē)過(guò)程中，形成的水錘作用引起管道很大震動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)幾次停車(chē)時(shí)，因水錘作用力把蝶閥撞裂（見(jiàn)圖2）。在這種情況下，首先應(yīng)解決管道支撐問(wèn)題。

圖2 循環(huán)水增壓管線Fig.2 Circulating water super-charging piping

現(xiàn)場(chǎng)修改時(shí)，在靠近泵集中載荷處設(shè)置固定支架，且依托框架在垂直管道頂端設(shè)置承重管架，中間部位依托框架每層設(shè)置導(dǎo)向架。為解決水錘對(duì)閥門(mén)的影響，閥門(mén)不宜安裝在立管上，修改安裝在沿地面敷設(shè)的水平管道上。

4.3 儲(chǔ)存工序（中間罐區(qū)）安全閥出口管線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

中間罐區(qū)單組10 臺(tái)儲(chǔ)罐，單罐每臺(tái)100 m3，罐內(nèi)氯硅烷介質(zhì)易燃。每臺(tái)單罐上的安全閥排放口，排放的氯硅烷氣體容易冷凝，與大氣接觸后形成鹽酸，腐蝕性較強(qiáng)。

管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)：易冷凝的安全閥排放氣須進(jìn)行回收，在設(shè)計(jì)過(guò)程中安全閥總管要低于安全閥出口，而且總管不能有高低袋形，總管內(nèi)介質(zhì)依靠自流進(jìn)入回收罐?？偣芸趶捷^大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到人行通道和操作需要，如圖3 所示。

圖3 安全閥排放管線Fig.3 Safety valve vent pipe

4.4 精餾塔頂冷凝器（立式）循環(huán)水配管要求

立式冷凝器的循環(huán)水走殼層，循環(huán)水的出水管口在冷凝器上封頭的切線處，按一般配管冷凝器的循環(huán)水出口管線可以水平接，也可以向下彎。但從現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)車(chē)后運(yùn)行的情況看，冷凝器容易燒壞，拆卸冷凝器檢查，發(fā)現(xiàn)上封頭未被循環(huán)水冷卻的設(shè)備內(nèi)壁燒焦而損壞。

因此，針對(duì)高溫?fù)Q熱的冷凝器循環(huán)水配管，要考慮到冷凝器的頂部有難以充滿水的死區(qū)，也要注意循環(huán)水受水壓的影響，超高層水壓不足的情況。在配管上要求循環(huán)水出水管高于冷凝器的頂部，冷凝器的循環(huán)水出口管線可以設(shè)計(jì)成向上彎的倒“U”型管，要高于冷凝器不易沖水的頂部的死區(qū)，也可以采用把循環(huán)水的回總管布置高于冷凝器的方法。

4.5 還原爐尾氣管線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

MSA 還原爐尾氣管道（李比希管）是采用特殊的夾套管線，夾套內(nèi)管走SiHCl3尾氣，管道內(nèi)壁走SiHCl3物料，夾套中間走的循環(huán)冷卻水，夾套管是氣液兩相流管道，且溫度在300 ℃左右，開(kāi)車(chē)時(shí)管道有一定的震動(dòng)并產(chǎn)生較大的應(yīng)力，如圖4 所示。

圖4 MSA 還原爐尾氣管道Fig.4 MSA reduction furnace tail gas pipeline

在配管過(guò)程中先要解決的是管道震動(dòng)和應(yīng)力問(wèn)題，在彎頭處設(shè)置滑動(dòng)管架。

圖4 中，還原爐子尾氣管線在樓面與支架之間增加兩塊滑板，既能吸收管道軸向位移，同時(shí)也可以利用管道自身垂直荷載削弱震動(dòng)。其次，配管過(guò)程中既要滿足夾套管有15 m 長(zhǎng)冷卻、管道到還原爐短平直的要求，又要盡可能節(jié)省有限的空間。

4.6 入廢氣殘液工序內(nèi)洗滌塔的尾氣管線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

進(jìn)入洗滌塔內(nèi)的尾氣管線在塔內(nèi)壁管口處與堿液反應(yīng)后容易結(jié)晶堵塞管道口，同時(shí)在停車(chē)階段要進(jìn)行清洗和檢修噴頭，現(xiàn)場(chǎng)修改的尾氣管線管口，設(shè)計(jì)有如下要求：

（1）在配置洗滌塔尾氣管線前要對(duì)洗滌塔工作原理以及塔內(nèi)噴頭的檢修和拆卸了解清楚。

（2）在設(shè)計(jì)上，尾氣管線要斜插入塔內(nèi)或高于該管口，避免堿液沿塔內(nèi)壁流入尾氣管，與氯硅烷尾氣反應(yīng)后結(jié)晶，造成管道堵塞。

（3）考慮到停車(chē)階段清洗管道和拆卸洗滌塔噴頭的需要，要在環(huán)管上加可拆卸法蘭，并且塔手孔要設(shè)置在能拆卸噴頭的位置。

（4）在停車(chē)后尾氣管線形成負(fù)壓，在塔內(nèi)正壓的作用下堿液容易壓入尾氣管線內(nèi)，因此在管口最近點(diǎn)設(shè)置切斷閥，準(zhǔn)備停車(chē)前先關(guān)閉切斷閥。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)1 500 t/a 系列多晶硅裝置布置和管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)的探討，突出核心裝置的合理規(guī)范化布置，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道的修改進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于提升裝置布置設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化特殊管道的設(shè)計(jì)有著重要意義。裝置設(shè)備布置和管道設(shè)計(jì)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，綜合性強(qiáng)，在滿足安全規(guī)范和工藝要求的原則下，設(shè)備和管道布置簡(jiǎn)潔美觀，合理緊湊，操作流暢，能為安全操作與控制方面打下合理可靠的基礎(chǔ)， 同時(shí)也具備了達(dá)到節(jié)省投資，降低能耗的目的。