浅谈影响工业硅生产能耗的因素

黄仁举

（云南韬略科技有限公司  云南昆明 650000）

摘要：本文结合工业硅生产工艺设备，对影响能耗的各因素进行分析，为降低工业硅生产能耗提出相应的措施。

关键词：工业硅；生产能耗；影响因素

Factors affecting Energy consumption of Industrial Silicon production

Huang Renju

(Yunnan Tao Lue Science and Technology Co., Ltd., Kunming, Yunnan 650000)

Abstract: in this paper, the factors affecting the energy consumption of industrial silicon production are analyzed, and the corresponding measures are put forward to reduce the energy consumption of industrial silicon production.

Key words： industrial silicon; production energy consumption; influencing factors

0 引言

截至2017年12月，云南省共有工业硅建成企业71户，矿热炉161台，产能103.6万吨。其中，6300kVA矿热炉10台，8000kVA矿热炉2台，其余均为12500kVA及以上。现有企业装备产能中，6300kVA矿热炉10台(产能3万吨)必须于2018年底前淘汰，且不得用于产能置换，其余装备产能(包括2017年底前淘汰的6300kVA及以上矿热炉)均可用于新建项目产能置换。

我省硅产业发展目标：大力发展水电硅建设。到2020年，全省工业硅总产能控制在130万吨以内，前5户企业产能产量提高到50%以上，产业布局更加优化，工艺技术装备和节能减排水平进一步提高，木质碳还原剂替代技术取得重大突破。力争建成7万吨多晶硅、8.8万吨单晶硅及“切片加工—15GW电池组装—太阳能发电”硅光伏产业链，初步形成“晶圆片—集成电路元件”等硅半导体材料及硅电子元器件的硅电子产业链，硅化工及碳化硅产业链发展取得初步成效。全产业力争消纳水电300亿千瓦时。

工业硅生产是能耗大户，工业硅固定资产投资项目建成投产后年综合能耗都在数万吨标准煤以上。目前我国工业硅生产电耗平均在13000~14000kWh/t以上，而国外世界先进水平为11000～12000 kWh/t，我国工业硅生产电耗比国外先进水平高10%～20%，节能潜力巨大。工业硅生产要达到大煤大焦工业硅冶炼高产、低耗、高质的冶炼效果，是受多方面因素影响的，如设备自身参数及生产工艺操作均有着决定性的作用。结合自身相关工作经历，就影响工业硅生产能耗的因素进行简要分析。

1 设备参数

工业硅电炉的参数主要指电极直径、极心圆直径、炉膛内径和炉膛深度。合适的炉型尺寸是冶炼过程正常进行取得良好技术经济指标的必要条件。炉台设备自身参数会影响炉台生产消耗，搭配合理的设备参数有利于生产发挥到极致。工业硅冶炼是高能耗冶炼作业，主要的能量来源是电能。通过变压器输出电能，经过短网，导电夹，三相电极对炉底炉料引弧放电，再利用高温电弧提供热量还原SiO2，完成工业硅冶炼。

1.1 变压器

变压器自身的额定功率，直接制约着炉台生产负荷的配送，如变压器额定功率9000KVA工业硅炉，正常操作的每小时可配送9000kW.h，但是在实际生产中，炉台炉膛和电极参数设定是按超额定负荷设定的，为此要从生产体现出变压器的性能，必须摸索一个合理的配电制度，保证变压器工作达到最佳状态，从而提高产量，降低消耗。

1.2 短网物理尺寸

短网是传输电能主要的设备，短网铜管的质量优劣直接影响电能传输质量，短网横截面直径在60mm，那么按9000KVA负荷，则通过的电流密度是非常大的，若短网质量差，短网上电能线损将会更多，所以如何保证短网的物理直径和质量对增产降耗有着很实际的现实意义，只有合理的短网参数才能够有效的降低炉台生产消耗，提高生产产量。

1.3 炉膛参数及极心圆

炉膛参数包括炉膛直径和炉膛深度，由于炉台生产时间长，设备均出现移位现象，导致原来设定参数变化等，若年度一周期极心圆过大，导致中心三角区不化料，特别生产时间的延续，坩埚逐渐缩小，直致三角区形成死料，阻碍三相电极坩埚连通。所以新开炉应复核炉膛参数，主要是极心圆大小，确保开炉后炉台正常运行，提高产量，降低消耗。

2  冶炼工艺控制

正确精准的操作控制工艺可以提高电极工作端的工作效率，并能深而稳的埋入炉料中，保持炉况稳定等。只有稳住电极才能提高产量降低消耗。电极能否深而稳的插入炉料中，规范正确冶炼操作是必不可少的。

2.1 合理料比

料比即硅石与其辅助原材料的配比情况。首先要调整石油焦和洗煤的配入量，只有合适的料比，电极才能深而稳的插入炉料中并稳定的做功，炉内温度才得以提高，为SiO2还原提供一个良好的温度环境。但有时会因原材料的性质差异，碳在冶炼过程中会有很大的烧损，长时间生产后，会引起炉底缺碳，这时候可定期处理炉况并向炉底补碳，确保炉内碳量，确保电极做功稳定。

2.2 配料、捣炉加料

配料工在配料时，严格施行平铺配料方式，即批次硅石平铺在炉面上，再平铺上石油焦，洗煤，木材等。这样可避免加料过程中出现过分偏加料，而引起冶炼过程中乱塌料的情况，导致炉料烧不透，炉内温度提不起来，结果产量低，消耗高。

2.3 配电工艺

配电是炉台冶炼消耗控制的核心部分，配电操作直接影响炉台生产消耗，所以配电操作是增产降耗的主要操作环节，因此对配电操作要求注重细节操作。

2.3.1配电操作

正常生产下，配送电量应达到电炉的设计容量，或允许一定的超负荷，但不宜超过太多。但是操作过程中有几点应该注意：首先，配电应根据三电极周围料面的透气情况，适当的对三相电极进行相应的提升或压放，切忌出现三相中一相或两相失相的现象；再次，应该分清三相电极的强弱相，保证炉内三相电极能够做功平衡，功率因素达0.85以上；最后，新炉前期可以适当的提高负荷，视一次电压情况可适当提高档送电，保证电弧能够有效打开，扩大反应坩埚，减少二次电流，降低能耗。后期由于炉底上涨，电极埋深浅，坩埚缩小，应低档位低负荷配电，减少刺火，保护设备，进而稳定产量降低消耗。

2.3.2出炉时电极操作

出炉前可适当提升电极，利于电极工作端弧光拉长，提高炉底温度，保证出炉顺畅，出炉后再压放电极，下放过程中切记电极工作端触死，保证电极工作端与工作端底部料距离30cm左右，使得电极做功良好，有利于控制炉台消耗。

2.4 出炉操作

出炉是工业硅冶炼的一个重要的环节，现部分炉台冶炼工认为出炉时间等同与产量，往往习惯性的认为长时间出炉有利于提高产量，降低消耗。从炉台生产情况来看，炉嘴的使用寿命已是引起炉台生产周期缩短的一个重要因素。出炉时间应根据炉况和炉龄而定，特别是炉龄在前三个月的，因为炉内坩埚大小及化料速度差不多，可以根实际情况延后或缩短出炉时间，打开炉眼后，待流量减少到需加温时可以堵炉。这样可以缩短对炉嘴持续加温的时间，进而减少出炉用电，同时可以延长炉嘴使用寿命和降低吨硅消耗。若出炉时间过长，加温时间也会增加，持续加温对炉嘴的损伤也是非常大的，严重时会制约炉台生产周期。比如一生产班正常出炉4小时，按烧穿器功率500kW计算，一生产班出炉4小时，用电约2000kW.h，若出炉时间缩短为3小时，可节约500kW.h，假如班产7吨，那么吨硅可节约70kW.h。

工业硅电炉的参数主要指电极直径、极心圆直径、炉膛内径和炉膛深度。合适的炉型尺寸是冶炼过程正常进行取得良好技术经济指标的必要条件。

3  原辅材料

工业硅生产是无渣冶炼，因此不能通过改变炉渣物理化学性质的方法来调整产品成分。所以工业硅的冶炼对原料的要求比有渣冶炼要严格。生产的主要原料是硅石、碳质还原剂。 实践表明精料入炉是工业硅生产的基础，原料的好坏直接关系到产品单位电耗的高低，选用高质量的原料是降低电耗的重要措施，冶炼的工业硅成品含有的铁是属于操作带入，其他杂质(铝、钙等)是原料自身带入，所以从源头控制原材料品位及夹杂，对提升产品质量等级达到高质生产是非常重要的。

3.1 原材料入炉前精选

矿石入炉前必须把杂石及夹杂物清洗干净，可通过其他方式把含铁量高的油焦进行出铁，减少原料带入的杂质，提高产品品位，实现高质生产。

3.2 主要原材料的选择

原料品位的高低直接影响电的单耗，品位高时，冶炼过程可以节约电量。所以选择品位高矿用于生产，可以一定程度降低冶炼电耗，保证产品质量。

3.3 辅助原材料

工业硅生产用碳质还原剂必须符合如下要求：纯度要高、反应性要好、比电阻要大。常用的还原剂都含有一定数量的灰分，灰分中氧化物进入熔渣增加了渣量，影响冶炼过程，增加电耗。还原剂的反应性是碳还原二氧化硅的能力，由于碳的还原能力大小直接影响硅石中二氧化硅的还原比率和还原速度，故碳的还原能力与工业硅冶炼的生产效率和电耗等技术经济指标密切相关。

碳质还原剂要保证有足够的烧结性能，油焦挥发分要高，只有炉料有好的烧结性，才能有效提升炉温，增加反应速度，增加产量，降低消耗。碳质还原剂的烧结性好，炉台周期月产量才能得到保证，但是同时还要控制碳质还原剂中铝含量，铝含量高会导致产品含铝量超标，产品质量差。故可以通过原材料来控制产品杂质含量，或通氧二次精炼。

4  结语

工业硅是一种高能耗产品，生产原料、操作工艺及设备构造等方面对电能消耗都有重要影响。在实际生产中应全面考虑各种因素，广泛采用新技术，才能将能耗降低到较低水平，达到节能降耗的目的。

通过以上述分析工业硅要达到高产、低耗、高质，首先必须调整设备各参数达到理想状态，为生产提供保障。其次，生产中严格规范生产操作工艺，特别配电和出炉的操作。最后，严格控制原材料质量(包括洗煤烧结性，化学成分、油焦的挥发性、矿石的品位及夹杂等)，尽量减少杂质的带入，提高产品质量，最终实现高质生产。只有在保证原材料的前提下，炉子各设备参数合理，生产运行正常，工艺操作规范才能实现在高产、高质、稳产的同时降低生产能耗。

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