冷氢化工艺技术方案(成品版-修改)

1.冷氢化及热氢化工艺技术比较目前，国内外多晶硅生产企业已投入工业化运行的四氯化硅氢化系统主要有以下两种工艺：（1）热氢化工艺（2）冷氢化工艺上述两种氢化工艺技术特点比较见下表。表1-1两种氢化工艺比较表热氢化冷氢化技术成熟性成熟比较成熟操作压力0.6MPaG3.0MpaG操作温度1250℃550℃反应原理SiCL4+H2＝SiHCL3+HCLSi+3SiCL4+2H2＝4SiHCL3综合电耗2.5~3kWh/kg-TCS1-1.2kWh/kg-TCS占地面积100%80%(减少氢化尾气回收)建设投资100%90%(减少氢化尾气回收)生产成本(产品多晶硅)100%90%生产维护较易较难操作技术要求一般较高优点汽相连续反应，不需催化剂；易操作和控制；维修量小；反应无硼磷杂质带入，后续的精镏更简单；蒸汽耗量低；工艺成熟，有可靠的技术来源。业主已有操作经验硅粉加入，是普通的流化床反应；电耗低；STC转化率高(22～23%)；国外运行时间长，国内已有运行，是未来多晶硅的发展方向。缺点反应是电氢化还原反应，电耗高；STC转化率低（15～20%）多晶硅产品含C较高。是气固反应，间断操作；操作压力高；对硬件的要求高。要求高，国内有3家投产，运行时间不超过5年，有待提高工艺成熟性综上比较，这二者各有其特点。考虑到低能耗、投资省的优势，建议2．冷氢化工艺技术说明2.1冷氢化工序原料及装置配置说明冷氢化工序原料来源有以下两种：（1）以外购四氯化硅（STC）为原料，以下简称Case1。（2）以外购硅粉、液氯为原料、只转化多晶硅装置内部四氯化硅（STC），以下简称Case2。上述两种原料来源所需多晶硅装置配置的生产工序见下表。表2-1两种冷氢化来源生产工序配置对照表各工序名称生产工序配置情况Case1Case2液氯汽化无有HCl合成及脱水无有TCS合成无有TCS合成尾气回收无有TCS合成精馏无有冷氢化有有三氯氢硅还原有有还原尾气回收有有冷氢化粗馏（注1）有有氯硅烷精馏（注1）有有罐区有有废气及残液处理有有工艺废料处理有有备注1：粗馏是与精馏相对设立的工序，主要用于处理自冷氢化工序出来的杂质含量比较高的氯硅烷，将其提纯到送入精馏工序作进一步处理的纯度要求。将粗馏和精馏分开设置的原因是基于冷氢化工序出来的氯硅烷和还原单元返回的氯硅烷是否混合，可根据客户的要求采取灵活的不同精馏工艺路线而设置。考虑本项目与国内中、东部地区从多的多晶硅生产企业不同，其周边仅有的几家多晶硅生产企业都建设有热氢化单元（如鄂尔多斯多晶硅业有限公司）和冷氢化单元（如内蒙峰威多晶硅业有限公司），没有多余的STC外卖，而长距离外运STC作原料既不可靠，经济上也不合理。因此，本报告建议二期工程采用以外购硅粉、液氯为原料，只转化多晶硅装置内部四氯化硅（STC）的工艺路线。本项目二期工程2500吨/年太阳能级多晶硅装置以外购四氯化硅（STC）为原料的总物料平衡图见附图1。本项目二期工程2500吨/年太阳能级多晶硅装置以以外购硅粉、液氯为原料、只转化多晶硅装置内部四氯化硅（STC）的总物料平衡图见附图2。2.2冷氢化单元主要组成冷氢化单元由以下主要工序组成：（1）冷氢化工序（2）粗馏工序（3）配套的中间罐区2.3冷氢化单元工艺流程简述（1）冷氢化工序工业级硅粉送至硅粉干燥器，干燥后排入硅粉中间仓。硅粉在硅粉中间仓中由氢气带入氢化反应器中。提纯后的四氯化硅经过加压、预热后送至四氯化硅汽化器，汽化后的四氯化硅气体经过加热器进一步加热后送至氢化反应器中。循环氢气和补充的新鲜氢气经各自的压缩机加压后混合，按与硅粉规定比例经过预热器、加热器加热后送至氢化反应器中。将来自还原尾气干法分离的氯化氢气体经压缩机加压和加热器加热后送至氢化反应器中（case1）。在氢化反应器中，硅粉与四氯化硅、氢气、氯化氢气体在550℃左右、约3.0MPa压力下进行气固流化反应，生成含一定比例三氯氢硅的氯硅烷混合气。其主要反应方程式如下：Si+2SiCl4+H2+HCl＝3SiHCl3或在没有氯化氢气体的情况下（case2），在氢化反应器内硅粉与四氯化硅与氢气发生气固流化反应，主要化学反应方程式如下：Si+3SiCl4+2H2＝4SiHCl3反应后的氯硅烷混合气体经过急冷除尘系统，以除去反应气体中夹带的细微硅粉颗粒，同时使反应气体得到了降温。除尘后的反应气体经过冷凝器冷凝回收，冷凝液主要为氯硅烷的混合液，送入粗馏提纯工序分离，而主要组份为氢气的不凝气体则经循环氢气压缩机循环使用。（2）粗馏工序来自冷氢化工序的氯硅烷混合液送入1级粗馏塔进行预分离。1级粗馏塔顶排出含二氯二氢硅的不凝气体被送往全厂的V9100-废气处理单元进行处理；塔顶馏出液为含有部分SiCl4的三氯氢硅冷凝液，送入全厂的V1200-精馏工序继续精馏提纯。1级粗馏塔釜得到含高沸点杂质的粗四氯化硅，送入2级粗馏塔进行处理。2级粗馏塔的作用是将粗四氯化硅和高沸点杂质进行分离，塔顶排出的不凝气体同样送往V9100-废气处理单元进行处理；塔顶馏出液为粗四氯化硅冷凝液，送入冷氢化工序的冷氢化反应器继续参与反应；2级粗馏塔釜排出高沸点釜液，送入全厂V9100-残液处理系统进行处理。冷氢化单元工艺流程图PFD详见附图3。2.3冷氢化单元建设规模及消耗定额（1）建设规模根据全厂总物料平衡，确定本项目二期工程冷氢化单元建设规模按两种工况计：Case1：年处理四氯化硅39498吨，年产粗三氯氢硅按43621吨。Case2：年处理四氯化硅35177吨，年产粗三氯氢硅按36257吨。冷氢化单元年操作时间7440小时计。（2）消耗定额冷氢化单元原辅材料和公用工程消耗定额见下表。表2-2原辅材料和公用工程消耗定额名称主要规格单位消耗量/小时(正常)每吨粗TCS产品消耗定额备注Case1Case2原料、燃料、辅助材料工业硅粉二级品,Si≥98%,粒度0.3-0.6mmkg72.565.5氢气H2≥99.995%(vol),0.7MPa(G)Kg6.258.07四氯化硅≥99%,wtKg735970氯化氢≥99%,wtKg56.3/公用工程循环水△t=10℃m3205200工艺装置用量氮气Nm36872工艺装置用量压缩空气Nm36872工艺装置用量仪表空气Nm34042工艺装置用量蒸汽中压蒸汽kg2.42.89工艺装置用量冷量Kcal/h3.13.78工艺装置用量电kwh841855工艺装置用量2.4冷氢化单元主要设备选型冷氢化单元主要设备配置及选型如下：（1）冷氢化反应器规格：φ1200*9000；V=～11m3，主要材质为INCOLOY800。国内加工制造。（2）粗馏塔规格：浮阀塔φ1600/36900，塔板数:60块。国内加工制造。（3）主要设备表冷氢化单元主要设备见下表。表2-3冷氢化单元主要设备表设备名称规格材质数量一、冷氢化工序Case1Case2氢气电加热器1＃22氢气电加热器2＃22STC电加热器22STC汽化器22氯化氢电加热器20急冷塔顶水冷器22急冷塔顶深冷器11STC热交换器32氯硅烷蒸汽冷凝器11吊车11硅粉过滤器11旋风分离器1#32旋风分离器2#32四氯化硅进料泵42氯硅烷冷凝液输送泵22急冷塔顶回流泵22洗涤液循环泵22补充H2压缩机22循环H2压缩机22HCl压缩机20冷氢化反应器32急冷塔32加料料斗32硅粉干燥罐32硅粉加料罐32硅粉缓冲罐64四氯化硅缓冲罐11急冷塔釜液蒸发槽32氯硅烷冷凝液缓冲罐11氯硅烷冷凝液中间槽32急冷塔氯硅烷贮槽11补充氢气缓冲罐22循环氢气缓冲罐22HCl缓冲罐20二、粗馏工序冷氢化精馏1级塔再沸器11冷氢化精馏1级塔冷凝器11冷氢化精馏2级塔再沸器11冷氢化精馏2级塔冷凝器11尾气冷凝器11冷氢化精馏1级塔回流泵22冷氢化精馏2级塔回流泵22尾气冷凝液泵22冷氢化精馏1级塔11冷氢化精馏2级塔11冷氢化精馏1级塔回流罐11冷氢化精馏2级塔回流罐11尾气冷凝液槽11