1 500 t/a系列多晶硅項目布置及管道設計特點探討

胡愛新，胡光初

（1. 中國成達工程有限公司，成都 610041；2. 中國化學工程第三建設有限公司，合肥 230000）

多晶硅產品是生產單晶硅及硅片的唯一原材料，硅片大部分用來制作集成電路及太陽能電池，其市場需求與半導體集成電路市場及太陽能光伏發電產業的發展密切相關，進入1990 年代以來，在半導體市場及太陽能電池產量持續增長的推動下，多晶硅生產能力不斷擴大，產量逐年增加，市場前景可觀。

本文以筆者參與的多個1 500 t/a 系列多晶項目的設計為依據，結合多晶硅項目現場施工和開車使用情況，簡要闡述1 500 t/a 系列多晶硅項目布置特點，管道配管的特殊要求。以便在同類項目設計中借鑒和參考，達到優化設計，降低成本，節省投資的目的。

1 1 500 t/a系列多晶硅工藝簡介

1 500 t/a 產電路級多晶硅，其主要的生產工藝，是通過氫氣和氯氣合成氯化氫，再用氯化氫與硅粉反應生成粗三氯氫硅，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。在置于還原爐內的棒狀硅芯兩端加以電壓，產生高溫。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，逐漸生成所需規格的多晶硅棒。

2 裝置布置特點和原則

2.1 工藝主裝置布置特點

1 500 t/a 系列多晶硅裝置布置最大特點是緊密結合工藝和操作要求，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圍進行布置。

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，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，內管廊。

2.2 工藝主裝置布置執行原則

（1）滿足安全要求，執行GB 50160—2018《石油化工企業設計防火規范》[1]，GB 50016—2008《建筑設計防火規范》[2]的規范要求。

（2）滿足工藝要求。按工藝流程化的特點合理安排各工序的相對關系，以實現管線（電纜/儀表橋架）最短原則。

（3）滿足安裝、操作、維修要求。

（4）實現裝置一體化、露天化，減少管道長度，減少占地面積，達到節省投資目標。

（5）實現裝置美觀。

3 主要工藝廠房布置特點

3.1 HCl合成工序設備布置特點

從區域角度，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。合成爐是爐體內產生明火的高溫高壓核心設備，布置于框架外側，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施。合成爐和框架之間設置有觀察室，觀察室與合成爐之間用防爆墻分隔開，以保證觀察室人員在觀察爐子內火焰顏色時的操作安全。氯化氫合成框架采用鋼結構，因鹽酸的腐蝕嚴重，樓面采用混凝土樓面。框架長20 m，寬12 m，高30 m，分四層布置，頂部設有1 t 電動葫蘆用于檢修尾氣吸收設備。

3.2 三氯氫硅合成工序設備布置特點

本工序的特點是管道有固體粉料輸送，容易堵塞和結焦，因此，按工藝要求在布置時對設備的高差有嚴格的要求。本工序的布置情況是：采用鋼結構框架，樓面為鋼格柵板，21 m 高的三氯氫硅合成爐置于框架內。框架長25 m，寬30 m，高48 m，分六層布置，框架頂部設置有3 t 吊車用于運輸硅粉和檢修設備。4 臺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備，框架一樓設置有堿液地槽用于間斷處理合成爐排出的廢料硅粉，根據規范要求，在框架旁設有一部消防電梯[1]。

3.3 提純工序設備布置特點

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

3.4 氯硅烷存儲工序設備布置特點

按工藝原則氯硅烷存儲工序不同介質的儲罐組采用分開布置，在滿足安全間距的前提下，各罐組用防火堤隔開，聯合布置為一個整體。該工序分別由第一部分精三氯氫硅9 個儲罐，第二部分2 個二級三氯氫硅儲罐與4 個合成氯硅烷儲罐，以及事故排放槽等組成。罐區中間布置有6 m 寬兩層管廊，管廊底下布置有機泵，用于輸送和連接進出各儲罐的管道。鑒于氯硅烷介質容易受溫度影響，儲罐外壁加設保溫層，罐區頂部設置有遮陽蓬。

3.5 三氯氫硅還原/四氯化硅氫化工序設備布置特點

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合布置在一起。廠房采用鋼結構框架的混凝土樓面，長102 m，寬43 m，分兩層布置，上層中部布置20 臺還原爐，單邊每側各10 臺，上層兩側分別布置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。廠房頂部設置有通風系統，二層是潔凈廠房。二樓設置有16 t 吊車用于檢修和起吊還原爐，端頭設置有通向后處理廠房硅棒運輸通道。

四氯化硅氫化分兩層布置，中間兩側布置10 臺氫化爐，單邊每側5 臺，外兩側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，二樓設置有16 t 吊車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組合銜接在一起的廠房，兩廠房共用兩臺吊車。兩廠房中間預留有1 m 寬伸縮縫，兩個廠房組合在一起很大程度上節省了占地面積，節省了管道長度，既能滿足工藝和規范要求，也使操作流暢，同時達到了整齊美觀的效果。

由于起吊爐筒頻繁，每個爐筒4 t 重，荷載過大，在二樓劃定固定區域分別擺放原爐筒、氫化爐筒，以利于減輕樓面操作荷載，可以節省結構材料，同時也避免操作過程中亂停亂放，在很大程度上也規范了操作程序。

3.6 廢氣殘液處理工序設備布置特點

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 因為考慮腐蝕性強，都采用混凝土結構，分兩層布置，每4 m 一跨內放置一組塔，每組洗滌塔單獨隔離開來，每組塔分別插入單獨的堿液槽內，堿液槽下設置廢液接受槽，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構，沿地面四周設置有1 m 高圍墻，用于清洗爐筒，中間四周設置有清洗排放溝，廢液經過排放溝排放至廢液接受槽，槽內設置有排污泵，框架頂部設置有10 t 吊車，用于起吊還原爐筒進行清洗。

4 管道設計的特點和一般要求

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計特點

廢氣物料介質黏稠性較大，在溫度較高時廢棄固體物料在管道內壁容易結焦和堵塞管道，因此，針對這種特殊要求在配管時要特別注意（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范的前提下布置間距最小，用于縮短管道長度，減少堵塞。其次，在每隔3～6 m直管和彎頭處增設可拆卸法蘭，便于管道拆卸和清洗。另外，管道設計過程中采用大彎頭（R=5D）連接，設置為大坡度走向，并且無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氮氣吹掃口，拆卸管道時先用氮氣吹掃干凈。

4.2 提純工序循環水增壓泵管線設計特點

循環水增壓管線是DN600 以上大口徑管道，垂直高度達到40 m 以上，在泵開停車過程中，形成的水錘作用引起管道很大震動，現場幾次停車時，因水錘作用力把蝶閥撞裂（見圖2）。在這種情況下，首先應解決管道支撐問題。

圖2 循環水增壓管線Fig.2 Circulating water super-charging piping

現場修改時，在靠近泵集中載荷處設置固定支架，且依托框架在垂直管道頂端設置承重管架，中間部位依托框架每層設置導向架。為解決水錘對閥門的影響，閥門不宜安裝在立管上，修改安裝在沿地面敷設的水平管道上。

4.3 儲存工序（中間罐區）安全閥出口管線設計特點

中間罐區單組10 臺儲罐，單罐每臺100 m3，罐內氯硅烷介質易燃。每臺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。

管道設計特點：易冷凝的安全閥排放氣須進行回收，在設計過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，總管內介質依靠自流進入回收罐。總管口徑較大，在設計過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）循環水配管要求

立式冷凝器的循環水走殼層，循環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水出口管線可以水平接，也可以向下彎。但從現場開車后運行的情況看，冷凝器容易燒壞，拆卸冷凝器檢查，發現上封頭未被循環水冷卻的設備內壁燒焦而損壞。

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

4.5 還原爐尾氣管線設計特點

MSA 還原爐尾氣管道（李比希管）是采用特殊的夾套管線，夾套內管走SiHCl3尾氣，管道內壁走SiHCl3物料，夾套中間走的循環冷卻水，夾套管是氣液兩相流管道，且溫度在300 ℃左右，開車時管道有一定的震動并產生較大的應力，如圖4 所示。

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

在配管過程中先要解決的是管道震動和應力問題，在彎頭處設置滑動管架。

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，同時也可以利用管道自身垂直荷載削弱震動。其次，配管過程中既要滿足夾套管有15 m 長冷卻、管道到還原爐短平直的要求，又要盡可能節省有限的空間。

4.6 入廢氣殘液工序內洗滌塔的尾氣管線設計特點

進入洗滌塔內的尾氣管線在塔內壁管口處與堿液反應后容易結晶堵塞管道口，同時在停車階段要進行清洗和檢修噴頭，現場修改的尾氣管線管口，設計有如下要求：

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

（2）在設計上，尾氣管線要斜插入塔內或高于該管口，避免堿液沿塔內壁流入尾氣管，與氯硅烷尾氣反應后結晶，造成管道堵塞。

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

（4）在停車后尾氣管線形成負壓，在塔內正壓的作用下堿液容易壓入尾氣管線內，因此在管口最近點設置切斷閥，準備停車前先關閉切斷閥。

5 結束語

通過對1 500 t/a 系列多晶硅裝置布置和管道設計特點的探討，突出核心裝置的合理規范化布置，以及對現場管道的修改進行總結，對于提升裝置布置設計水平，優化特殊管道的設計有著重要意義。裝置設備布置和管道設計是一個統一的整體，綜合性強，在滿足安全規范和工藝要求的原則下，設備和管道布置簡潔美觀，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， 同時也具備了達到節省投資，降低能耗的目的。