E+H自動化儀表在多晶硅行業中的應用

陜西天宏硅材料有限責任公司 吳偉，張玉泉，劉建中，張哲民

1 多晶硅的性質及發展多晶硅產業的意義

多晶硅是單質硅的一種形態。熔融的單質硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，這些晶粒結合起來，便結晶形成多晶硅。其性質為：灰色金屬光澤，密度2.32～2.34，熔點1410℃，沸點2355℃，可溶于氫氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和鹽酸。熱至800℃以上即有延性，1300℃時便出現明顯變形。在常溫下不活潑，高溫下可與氧、氮、硫等反應。在高溫熔融狀態下，具有較大的化學活潑性，幾乎能與任何材料作用。具有半導體性質，是極為重要的優良半導體材料，但微量的雜質即可大大影響其導電性。

多晶硅是硅產品產業鏈中的一個非常重要的中間產品，是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅制品的主要原料，是信息產業和新能源產業最基礎的原材料。隨著全球信息技術的不斷進步，對于半導體硅的需求量日益增加，全世界半導體市場以每年20%以上的速度遞增。而且今后5～10年我國將成為世界上電子信息產品的主要生產國和主要市場，多晶硅的需求量將會變得更大。

圖1 多晶硅的用途

另一方面，能源和環境問題日益成為世界關注的焦點，為了實現能源和環境的可持續發展，“開發綠色能源，保護美好家園”顯得更為緊迫，世界各國都將太陽能發電行業作為發展的重點。在積極政策的引導下，國際太陽能電池市場得到迅速擴大，而作為太陽能光伏產業的基礎原材料 —— 多晶硅產業也隨之駛入快車道。

然而我國的多晶硅生產企業工藝技術落后，環境污染嚴重，消耗大，成本高。為了提高我國多晶硅企業的競爭力，必須尋求節能減排、擴能增效的有效途徑，必須對本工藝流程中物料的能耗情況及工藝路線進行分析，并據此分析采取相應措施。自動化儀表作為多晶硅生產過程中的眼睛，關系到工藝流程的穩定性、物料配比的精確性和經濟性以及生產過程中人員、設備的安全性。在多晶硅行業不斷擴張，并且對工藝要求不斷提高的大背景下，自動化儀表迎來了在多晶硅行業的春天。

2 多晶硅生產的現狀

當前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場占有率在90%以上，而且在今后相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。整個行業一方面進行著擴張化發展，一方面又面臨著節能減排、擴能增效的挑戰。

作為多晶硅行業的供應鏈下游中國光伏產業在世界光伏市場的拉動下近幾年發展迅速。中國光伏市場經歷了從停產、復產、再到擴產的過程，忙得不亦樂乎。國家的好多積極政策推動了多晶硅行業近年來在中國的發展，使眾多投資者、國企、民企（公司）加入了多晶硅產業大軍，建設多晶硅廠（公司），生產多晶硅產品。然而在2009年經歷短暫的春天之后，多晶硅行業大“變臉”，伴隨著準入等政策的出臺，意味著未來多晶硅行業的競爭將是成本和質量的競爭。

3 E+H自動化儀表在多晶硅行業的應用

儀表能實時反應管道中的介質的流量、溫度、壓力、物位、PH及電導率等，操作人員或者自動控制系統根據工藝要求及儀表提供的數據實時的調節配比，監測溫度、壓力等，為多晶硅生產創造最佳環境，同時保證人員及設備的安全。多晶硅行業所用到介質大多是強腐、有毒且夾雜固體顆粒，而儀表又直接與介質接觸，因而其能否長時間正常穩定工作直接影響著整個多晶硅生產的成本、質量及安全，因此自動化儀表被戲稱為多晶硅生產中的“成本會計”。

3.1 三氯氫硅合成單元的應用

3.1.1 音叉液位計的應用

應用工況：硅粉錐形料倉，每個罐子高限位一個，低限位一個，最初的設計為電容式液位計，避免安裝在進料口下方，為防止物料在開關上堆積，建議設備法蘭口向下傾斜度為15°～60°。

出現問題：由于工藝管道水平安裝，且管道長200mm，電容的L1段根部在工藝管道內，硅粉可能會產生堆積，引起誤報警。

解決方法：由于工藝人員不具備更改短管的條件，于是決定更換電容為音叉物位開關。

音叉液位計和電容液位計的對比：

硅粉不具有粘附性，且為細小粉末不會卡在音叉的叉體中間，由于硅粉對塑料的研磨性能很快損壞電容的PFA/PTFE層，同時電容相對于音叉來說需要現場標定與維護，且音叉相對于電容來說，總長較短，在安裝空間有限的場合更適合應用，實際使用中可以從經濟效益實用方面來選擇更適合工況的產品。

3.1.2 射頻導納液位計的應用

應用工況：無水氯化氫，四氯化硅，三氯氫硅儲罐液位，最初設計為音叉液位計。

現場分析：無水氯化氫，四氯化硅，三氯氫硅在無水的環境下沒有腐蝕性，但是遇水后具有強腐蝕性，為了保證儀表的安全可靠必須選用涂層音叉FTL51C，價位比較高。

應用分析：FTI51標配涂層PFA本身具有強抗腐蝕性，成本較之FTL51C更低，且安全可靠，經濟效益更高的滿足現場要求。

3.2 精餾單元的應用

3.2.1 83F質量流量計的應用

應用工況：精餾工藝中三氯氫硅，四氯化硅，二氯二氫硅流量測量。

現場應用：三氯氫硅、四氯化硅在無水狀態沒有腐蝕性，但是遇水會生成具有腐蝕性的HCL和硬度很高的不定形硅，為了保證絕對安全，測量管選用Alloy-C合金。

3.2.2 PH的應用

應用工況：由于三氯氫硅受熱分會分解，所以在三氯氫硅儲存中使用低溫乙二醇為其降溫，在現場使用PH來檢測乙二醇是否泄漏。設計溫度為-12℃。

現場問題：當測量點的溫度低于-5℃的時候，儀表就會報警。

圖2 PH在現場的應用示意圖

應用分析：實際管道中乙二醇的溫度為-20℃左右，超過了PH電極的極端工作溫度，可能會導致氯化鉀溶液凝固，損壞玻璃電極。

解決辦法：如圖2所示，在設計測量點的位置將PH電極的玻璃電極測量位置向上移動，使其在球閥的上方，介質溫度從-20℃上升為0℃左右，測量不引起報警。但是在這種應用下，乙二醇中混的氣泡等會再探頭處憋壓，造成測量不準確。建議在類似這種測量方式中，使用旁通，將低溫測量介質升溫后進行測量。

3.3 三氯氫硅還原單元的應用

3.3.1 83F系列質量流量計的應用

應用工況：還原爐進料三氯氫硅流量的測量。

現場問題: 零點不穩定，小流量測不到，大流量時波動大。

問題分析：如圖3所示，由于原來使用的質量流量計的傳感器是比較大的Ω形，雖然已進行了保溫及伴熱，但是由于流量大時流量計傳感器表面積大，伴熱的功率不足以保持進來的三氯氫硅氣體的溫度，有極少的冷凝液產生，故流量波動比較大。在還原爐一個周期的沉積過程中三氯氫硅的流量大，原來選用的流量計量程比較窄，為了在全量程內達到精度要求，進行了小信號剔除，因此，小流量時測量不到。

解決辦法：原來使用的是某知名品牌的分體式質量流量計，后換成了E+H公司的PROMASS 83系列后（參考圖4），能穩定測量沒有再出現上述問題。

3.3.2 53P系列電磁流量計的應用（參考圖5）

應用工況：還原爐底盤及還原爐夾套進出水流量測量，每種水的進出流量，與ESD聯鎖。

現場問題：經常出現一段時間內流量測量不到過段時間自己恢復的現象。為了防止小流量時管道內的水迅速氣化發生爆炸，ESD系統內設定的一個最小流量值，而一但流量計測量不到，故障輸出，系統便會急停，損失巨大，同時流量計會經常報故障（流量計故障輸出，上位機報故障）。

圖3 最初選用的某品牌大Ω形流量計

圖4 技改后的E+H 83F流量計

圖5 現場安裝的53P電磁流量計

問題分析：現場的流量計安裝在管道的最高處，易于產生氣泡，氣泡掛在的電磁流量計的傳感器探頭上，引起了瞬時流量測量不到，而當氣泡破裂時，流量計又恢復正常。此處用到的水，進水溫度超過100℃，出水更高，而此廠所在地的水質又硬度高，拆下來檢查結果表明，流量計內部水垢嚴重，在流量計內部的PTFE襯里上覆蓋了測量電極。

解決問題： 流量計技改安裝位置，同時在管道的最高處增加了排氣閥。定期清洗流量計內壁的水垢，目前運行穩定正常。

3.3.3 溫度變送器的應用

應用工況：還原爐進出氣及進出水。

應用情況：應用情況較好，運行三年無測量不準或者誤報。

3.3.4 壓力變送器的應用（PMC71系列的應用）

應用工況：還原爐尾氣壓力測量，此處溫度較高。

現場問題：經常輸出故障電流。

問題分析：經過返廠檢測，壓力變送器測量膜片損壞。壓力變送器直接安裝在管道上，正常生產時此處溫度為100℃左右，而系統急停時此處溫度能達到300℃，此儀表最高的耐溫只有125℃。

解決辦法：引壓降溫測量，后正常工作。

3.3.5 雷達液位計的應用。

應用工況：三氯氫硅汽化器液位測量。

現場問題：某次大掃清洗完出現液位上水大范圍波動。

問題分析：探頭掛料。

解決辦法：重新設定距離，后正常工作。

3.3.6 PH及電導率的應用（參考圖6）

應用工況：還原爐底盤及夾套出水PH測量，變壓器冷卻水進水電導率測量。如果一但冷卻水和三氯氫硅串料而PH沒有檢測出來，管道里的氯硅烷水解決，形成的不定形硅將會磨損設備，卡死后面閥門，甚至堵塞管道。測量變壓器冷卻水電導率的儀表如果在冷卻水電導率高時沒有測量出來，將會造成變壓器相間斷路，同時，如果電導率正常而其誤測量也會造成整個系統急停。此兩種儀表雖與工藝的關系不大，但是它們是整個安全系統的心臟。

現場問題：PH傳感器及易損壞，電導率使用情況良好。

問題分析：出水溫度在100多度，由于受PH測量原理的制約，其所用傳感器的玻璃膜是在如此高的溫度下極易老化，造成損壞。

解決辦法：增加降溫旁路，降溫后再測量PH，使用情況良好。

3.4 多晶硅后處理單元的應用

3.4.1 53H系列電磁流量計的應用（參考圖7）

圖6 現場安裝的電導率測量儀表

應用工況：用于硅塊表面處理用到的HNO3、HF流量的測量，管道為PFA材質。

圖7 53應用現場圖片

圖8 53H加裝的接地環

現場問題：HNO3和HF流量計小流量時測量不到。HF流量計有時管道有滿管的流量，但是測量不到，過段時間又自己恢復。

問題分析：用于HNO3和HF流量測量的流量計方向從上往下流，雖說下面有截止閥，但是在小流量時沒有滿管，流量計空管檢測功能沒關閉。用于HF流量測量的流量計由于管道本身不導電，HF又是弱酸，因此傳感器與電極沒有等電勢，故測量不到。

解決辦法：關閉空管檢測功能，同時變更管道在流量計出口形成一個另一端高于流量計的U形彎。為測量HF的流量計加裝接地環，后正常工作，如圖8所示。

3.5 三廢處理單元的應用

3.5.1 雷達液位計的應用

應用工況：酸性廢氣中和時的Ca(OH)2及NaOH溶液液位測量選用儀表：兩臺雷達FMR240。

存在問題：同一時刻兩臺液位計的數值相差很大，有時還會出現大的波動。

問題分析：NaOH容易潮解，測量探頭被NaOH覆蓋，故從包羅區線上可以看出沒有回波，兩臺安裝的位置不是絕對對稱，同時儲罐下是球形的，在區面以下零點不統一，量程與零點之間有誤差造成現場兩臺雷達之間顯示的數值差為一個恒定值。但是當到一定的液位時兩臺的顯示一致。

解決辦法：E+H服務人員重新設置零點和量程后，工作正常， 同時建議定期清洗探頭。

3.5.2 80I系列質量流量計用于測量密度的應用

應用工況：尾氣酸性氣體中和用氫氧化鈣溶液密度測量，通過密度差表得到氫氧化鈣溶液的百分比，再加料或者加水，為廢液處理提供一定配比的氫氧化鈣。

現場說明：從攪拌罐用泵抽出氫氧化鈣，并保證3～5m3/h的流量來供80I測量使用，漿液從80I流到排液池，再由泵抽回到攪拌罐，無用能耗比較大。

應用效果：改良西門子法生產多晶硅主要是通過三氯氫硅合成，精餾，還原轉化，還原尾氣回收，廢液、廢氣處理，多晶硅棒后處理及輔助壓縮空氣、氮氣、循環水等組成。達到硅提純和三廢零排放的目的，在每個階段都需要一定的儀表來進行測量。在改良西門子法生產多晶硅工藝中，需根據工藝要求，配置對應的檢測儀表，構成可靠的控制系統。E+H在某多晶硅企業使用后，運行良好，操作人員反映其穩定性好，維護方便且改造時通用性強，為工藝控制提供了及時準確的信息，創造了一定的經濟效益和社會效益。

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