工業硅生產能耗分析及節能方向與途徑

【摘 要】工業硅生產行業是能耗大戶，存在著巨大的節能潛力，對其進行節能降耗的技術改造和有效的制度管理具有積極的經濟和環境效益。本文就工業硅生產過程中，能耗的產生進行分析，并對相應的節能降耗途徑進行討論，旨在為工業硅生產行業的節能減排工作提供參考依據。

【關鍵詞】工業硅；節能；技術改造

0.前言

隨著國家十二五發展規劃的出臺，對節能減排的重視提升到一個前所未有的高度。作為能耗大戶的工業硅生產行業，開始受到越來越多的關注。僅計算一次能源消耗，工業硅生產的平均能耗就高達每噸13000kWh，其能耗成本就占總生產成本的60%以上[1]。有報道指出，全國工業硅企業現有600余家，共擁有每年200萬噸的生產能力，而電爐總容量也超過了1000MVA。如果每噸工業硅節能1000kWh，全國每年可以節約60.2萬噸標煤，減排368.4萬噸CO2、1.4萬噸SO2[2]。如此巨大的節能潛力，對進行其節能降耗的技術改造和有效的制度管理具有積極的經濟和環境效益。本文就工業硅生產過程所造成的能耗進行分析，并在此基礎上探討相應的節能降耗途徑，旨在為行業的節能減排工作提供理論依據和資料參考。

1.工業硅生產能耗分析

1.1工業硅生產的冶煉原理

工業硅生產是以硅礦石為原料，碳材料為還原劑在電爐容器中進行冶煉的。其反應實質是利用還原性碳與二氧化硅發生氧化還原反應對硅進行冶煉提純，總反應式如下：

SiO2+2C=Si+2CO

此公式是用來計算和控制正常熔煉過程的理論基礎。但是，實際反應過程卻要復雜許多：

（1）SiO2+C=SiO+CO（2）SiO2+2SiC=3SiO+2CO（3）SiO2+Si=2SiO（4）SiO+2C=SiC+CO（5）SiC+SiO=2Si+CO

根據多年來各方面的經驗和研究成果發現，由于反應過程中SiO和SiC等不同性質的雜質大量生成，使得冶煉工藝的要求高，冶煉過程耗能大。高溫狀態下，SiO呈氣態存在，如果處理不當極易從爐內揮發逸出，造成物料損失，降低硅的回收率，還會帶走熱能，導致能效降低。而SiC的熔點高，導電性強，如不及時清理，在爐內持續積存，會導致爐況惡化，能耗增加。

1.2工業硅生產的能耗過程

冶煉過程是采用悶燒和定期集中加料的操作方法進行的。其中將電能轉變為熱能的過程主要有電阻熱和電弧熱兩種形式。無論哪種產熱形式，能耗都經過了產熱過程和傳熱過程。其中，不同的產熱機理會導致能耗的不同。由電極-爐料產生的電阻熱，其產生過程會消耗電極，并且爐料的性質對電阻熱的消耗起到很大的影響，當電導率較低的爐料投入反應器時，產生的電阻熱較高，爐料會過早熔化而導致爐內環境的變化，主要表現為料面溫度升高，對歧化反應產生影響。同時，電弧熱降低，坩堝內反應溫度不能滿足Si的有效生成。對于傳熱過程中的能耗主要是通過爐氣來承載和耗損的。爐氣主要在坩堝區獲得熱量，由于坩堝區電流密度大，使得氣體電離，爐氣獲得高熱，大量物質蒸發，爐內壓力增大。一方面使用密閉性不佳的矮煙罩類反應裝置，在正常生產中就容易由于氣體泄漏而損失熱能；另一方面，即使使用密閉化的新型電爐，在其強制沉料過程中仍會導致高熱氣體逸出，從而使得能源損失，能耗增加。

2.工業硅生產節能途徑

影響工業硅生產能耗的因素有很多，其中原料品質、電爐爐型和管理制度是相對比較重要的三個方面。

2.1原料精化

工業硅生產工藝對原料的要求較為嚴格，具體有三點基本要求：（1）爐料的化學成分符合工藝要求。（2）爐料具有適合的粒度和良好的熱穩定性。（3）為保證電極的深入，爐料須具有較高的比電阻。實踐證明，原料精化是工業硅生產的基礎，原料的適合與否與產品的單位能耗息息相關。所以，為了實現能耗的降低，精化原料是實用且高效的措施之一。

工業硅生產工藝對硅石含量的要求較高。其中冶金用硅礦石的含量要求為：SiO2不少于99%，Fe2O3不高于0.2%，Al2O3不高于0.3%，CaO不高于0.2%。而電子化工用料的要求更高，其中Fe2O3不高于0.15%，Al2O3不高于0.2%，CaO不高于0.15%[3]。除了對含量的要求外，對硅礦石潔凈情況還需要特別關注，摻入過多的雜質會導致產品純度差，產生的爐渣多，產量低，從而導致能耗增加。在投料之前對硅礦石進行篩選并清潔，可以有效提高能源的利用率。

除硅礦石之外，還原劑也是投料的重要組成部分。工業硅使用的碳質還原劑往往含有一定量的灰分，與硅礦石中的雜質一樣，也會導致爐渣量增大耗能提高。而且更重要的是，所選還原劑的還原能力會直接影響硅石中Si元素的有效提純，所以還原劑必須符合相應的技術指標：高比阻，高導熱率，還原性能優良等。還原劑作為電爐爐料的主要導體，可以通過提高插入深度，來實現工藝對電流的基本要求。當所選還原劑的比電阻較大時，可以實現較高的二次電壓，從而提高爐中熱能，保證較高的電熱轉化率，實現節能的目標。

科學的爐料配比是保證爐況穩定的先決條件，也是實現節能降耗的重要措施之一。爐料配比應根據原料化學成分、粒度、含水量及爐況的基本參數來決定。配料必須準確稱量，誤差保證在±1kg之內，爐料投加之前必須充分混勻，做到比例適當，投放均勻。這樣不但可以通過減少強制沉料的操作次數，而降低搗爐沉料操作中的能源損失，還能夠使投料在爐中反應徹底，有效避免了由于分配不均導致的加熱不充分或加熱過量的情況。

2.2電爐升級

雖然我國工業硅總體生產規模巨大，但是由于各企業規模相對較小，技術水平相對落后。往往使用的電爐容量小，數量多，機械自動化程度低，無法實現規模化生產。相關統計表明，我國工業硅用電爐容量多為是6300kVA級至10000kVA之間，與國外的48000kVA的規模相比差距很大。大容量自動化電爐，一方面提高了生產率和勞動效率，另一方面可以通過提高電爐功率降低熱量損失，從而促進能源的高效利用。除了電爐容量之外，我國普遍使用的半封閉矮煙罩式電爐，也是導致能源浪費的原因之一。使用封閉式爐型可以有效減少傳熱過程中的熱量逸散，增加煙氣的回收及余熱再利用能力，并且改善爐況提高爐內壓力，促進生產效率的提升。并且使用新型節能材料筑爐，也可以收到良好的節能效果。

此外，對電爐的爐膛深度、爐膛內徑、電極直徑和極心圓直徑等主要參數的合理設計，同樣也是實現節能的內在要求。

2.3管理健全

健全的管理是節能降耗，提升生產效率的重中之重。它又可以分為：爐況及時控制、合理供電和科學操作。

2.3.1及時的爐況控制

由于生產工業硅工藝復雜，其中爐況十分容易產生波動，所以必須做到對爐況的準確判斷和及時調整。爐況正常的標志是：電極深而穩的插入爐料，電流電壓穩定，爐內電弧聲響低而穩，冒火區域廣而均勻，爐料透氣性好，料面松軟而有一定的燒結性，各處爐料燒空程度相關不大，燜燒時間穩定，基本上無刺火塌料現象，出鐵時，爐眼好開，流頭開始較大，然后均勻變小，產品產量質量穩定。為了實現在最佳反應環境下進行生產，需要根據當時爐況的具體狀況做出調整。

2.3.2合理的供電制度

為實現合理的輸入功率，必須制定合相應的供電制度，通過合適的工作電壓和電流來控制功率的輸入。如果輸入功率過高，會導致投料的過度反應，虛耗能量，更有甚者可能對電爐造成不可逆轉的損害。而輸入功率較低，又會影響電極插入深度，使得爐況惡化，進而導致產品品質差、生產效率低下。

2.3.3科學的生產操作

實踐證明，在工業硅生產活動中，有力的執行科學操作要求，可以取得滿意的節能效果。其中，對原料的控制至關重要，包括稱量準確，及時加料不空燒，搗爐快速并且深透，深插穩插電極等。科學合理的操作需要不斷總結，堅決執行，才能將能耗削減到較好的水平，達到節能降耗的目的。