多晶硅工艺管道设计探讨

摘要：多晶硅装置中工艺管道的压力管道类别判定；工艺管道的设计要点；工艺过程危险、有害因素分析。关键词：多晶硅;压力管道;设计。0 前言

多晶硅生产工艺流程的主要工艺包括，三氯氢硅合成、四氯化硅的热氢化（有的采用冷氢化），精馏，还原，尾气回收，还有一些小的主项，制氢、氯化氢合成、废气废液的处理、硅棒的整理等等。主要的工艺介质是硅粉、氯气、三氯氢硅、四氯化硅、氢气、二氯硅烷。

1. 多晶硅工艺介质的特性

多晶硅生产过程中主要危险、有害介质为氯气、氢气、三氯氢硅、氯化氢、四氯化硅。危险特性总结如表1.

表1 主要危险、有害介质特性

序号 介质 危险类别 危险特性

1 氯气 乙类 黄绿色，有刺激性气味。有剧毒，1L空气中最多可允许含氯气0.001mg，超过这个量就会引起人体中毒。相对密度2.49，比空气重。爆炸极限11%~94.5%（在H2中）。

2 氢气 甲类 氢气是无色并且密度比空气小的气体；与空气混合能形成爆炸性混合物爆炸极限为4.0%-74.2%。

3 氯化氢 乙类 氯化氢是无色而有刺激性气味的气体。纯盐酸为无色液体，强腐蚀性。对眼和呼吸道粘膜有强烈的刺激作用

4 三氯氢硅 甲B类 三氯硅烷在常温常压下为具有刺激性恶臭易流动易挥发的无色透明液体。熔点(101.325kPa)：-134℃；沸点(101.325kPa)：31.8℃；液体密度(0℃)：1350kg/m3；相对密度(气体，空气=1)： 4.7；蒸气压(-16.4℃)：13.3kPa；(14.5℃)：53.3kPa；燃点：-27.8℃；自燃点：104.4℃；闪点：-14℃；爆炸极限：6.9～70%；毒性级别：3；易燃性级别：4。

5 四氯化硅 甲B类 无色透明发烟液体，易流动，易挥发，具有难闻的窒息性气体。熔点-70℃，沸点57.6℃，相对密度1.483(20℃),折射率1.412(20℃).遇水时水解成硅酸和氯化氢。蒸汽对呼吸道有刺激，严重者可引起化学性肺炎或肺水肿，对皮肤有腐蚀性；中度毒性III。

2. 多晶硅工艺管道的压力管道类别判定

在《压力管道安全技术监察规程一工业管道》适用范围内管道按照设计压力、设计温度、

介质毒性程度、腐蚀性和火灾危险性划分为GC1、GC2、GC3三个等级。划分标准为：

（1）GC1级

符合下列条件之一的工业管道为GC1级：

a 输送GB 5044-85《职业接触毒物危害程度分类》中规定的毒性为极度危害介质的管道；

b 甲乙类可燃气体或甲类液体，且设计压力P≥4.0MPa的管道；

c 可燃流体、有毒流体且设计压力P≥4.0MPa，设计温度T≥400℃的管道；

d 流体且设计压力P≥10MPa。

（2）GC2级

除GC3级管道外，介质毒性危害程度、火灾危险性、设计压力和设计温度小于GC1的管道。

（3）GC3级

输送无毒、非可燃流体介质，设计压力小于或等于1.0MPa，且设计温度大于-20℃但小于185℃的管道。

按GB5044―85《职业性接触毒物危害程度分级》的规定，确定一种介质是否为极度危害毒物的

指标有：

(1)急性毒性：吸入 ， LC50,mg/m3

(2)急性中毒发病状况 生产中易发生中毒，后果严重。

(3)慢性中毒患病状况：患病率高(≥5％)。

(4)慢性中毒后果：脱离接触后，继续进展或不能治愈。

(5)致癌性 人体致癌物。

(6)最高容许浓度：

本文针对改良西门子法的多晶硅工艺进行探讨，该工艺的提纯、还原等各工艺设计压力均小于4.0MPa，再结合介质特性和《职业性接触毒物危害程度分级》的规定，可以判定氯气和氯化氢管道为GC1级，其他管道为GC2级。

3 多晶硅工艺管道的设计要点

3.1管道设计压力和设计温度的确定

正确地确定管道设计压力和温度，是做好压力管道设计工作的基础。管道的设计压力，应不低于正常操作时由内压(或外压)与温度构成的最苛刻条件下的压力。管道的设计温度，应不低于正常操作时由压力和温度构成的最苛刻条件下的材料温度。

3.2管道材料的选用

管道材料的选用必须依据管道的使用条件(设计压力、设计温度、流体类别)、经济性、耐蚀性、材料的焊接及加工等性能，同时应符合规范所提出的材料韧性要求及其它管规。例如：输送液氯管道的设计中。依据《压力容器压力管道设计许可规则)，输送GB 5044―85《职业接触毒物危害程度分级》中规定的毒性程度为极度危害介质、高度危害气体介质和工作温度高于标准沸点的高度危害液体介质的管道类别为GC1级。氯属于高度危害介质。此时，常用的碳素结构钢不得用于液氯管道。污水管道设计中，由于污水中含有氯化氢水溶液呈酸性，污水管道应选择耐酸性好的钢衬四氟管道。尾气管道设计中，由于反应后的尾气温度很高，管道应选择耐温性好的材料，如玻璃钢管。

3.3阀门的选用

阀门在压力管道系统中非常常用，选用合理的阀门既安全方便，又经济耐用。在多晶硅工艺系统中由于要精确控制各阶段各组分的含量及杂质量，在阀门的选用上要注意清洁度的要求。

4 多晶硅工艺过程危险、有害因素分析

4.1 氯化氢合成工序

氯化氢合成工序涉及的主要物料为氢气、氯气和氯化氢，主要设备有氢气、氯气缓冲罐、氯化氢合成炉(操作压力0．5MPa)、氯化氢冷却器和氯化氢吸收液罐等。氢气和空气混合物爆炸极限为4．1％ -74．2％(V／V)；氢气和氧气混合气体爆炸极限为4．55％ -95％(V／V)；氢气和氯气混合物爆炸极限为3．5％ 一97％(V／V)。由物质和工艺过程可以看出，该工序主要危险、有害因素为、爆炸和中毒。

4.2 三氯氢硅合成工序

三氯氢硅的合成是在280℃ 一33O℃的温度下进行的，已经超过了三氯氢硅的自燃点175℃，在合成中如果发生了三氯氢硅泄漏，或者空气进入反应器，极易引起燃烧或爆炸事故。由于三氯氢硅遇水会发生剧烈反应，生成有强腐蚀性的氯化氢，并放出大量的热。三氯氢硅系统避免水和潮湿。

4.3 氯硅烷分离提纯工序

三氯氢硅精馏过程中的主要危险在于三氯氢硅泄漏后引起的火灾爆炸和中毒事故。在精馏过程中空气进入塔器、容器与三氯氢硅形成爆炸性混合物，遇火源可能导致火灾、爆炸事故。加热热水漏人设备，遇三氯氢硅剧烈反应发生火灾爆炸事故。四氯化硅及氯化氢遇水生成盐酸都属于酸性腐蚀品，对机泵、设备有腐蚀性，如果设备选型不当，材质不过关，可能由于腐蚀造成易燃液体泄漏。

4.4三氯氢硅氢还原工序

本工序主要危险性在于氢气泄漏，并且积聚以及三氯氢硅泄漏引发火灾爆炸事故。同时还有氯化氢气体泄漏引起的人员中毒事故。循环冷却系统一旦出现故障，冷却水进人还原炉内与三氯氢硅剧烈反应，发生火灾爆炸事故。

4.5 施工验收过程

由于三氯氢硅和四氯化硅遇水后都会发生反应放出有毒气体，所以在管道施工验收过程中不能采用水压试验。应用对工艺管道进行N2气密性试验和对每道焊缝100%的射线探伤来代替水压试验。

5 结语

光伏产业的高速增长，催生了对多晶硅的大量需求。多晶硅项目设计上应以自力更生为主，形成自主的知识产权，适当地引进部分国外先进的技术和设备，吸收他们的经验教训，在不断的摸索中前进、完善，为我国的多晶硅行业发展提供良好的服务。

参考文献: [1]王怀义. 石油化工管道安装设计便查手册. 中国石化出版社.2007. [2]石油化工企业设计防火规范．中国计划出版社.2009.[3] ]TSGR1001-2008，压力容器压力管道设计许可规则[S].]

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。