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【摘 要】工业硅生产行业是能耗大户，存在着巨大的节能潜力，对其进行节能降耗的技术改造和有效的制度管理具有积极的经济和环境效益。本文就工业硅生产过程中，能耗的产生进行分析，并对相应的节能降耗途径进行讨论，旨在为工业硅生产行业的节能减排工作提供参考依据。
【关键词】工业硅；节能；技术改造
0.前言
随着国家十二五发展规划的出台，对节能减排的重视提升到一个前所未有的高度。作为能耗大户的工业硅生产行业，开始受到越来越多的关注。仅计算一次能源消耗，工业硅生产的平均能耗就高达每吨13000kWh，其能耗成本就占总生产成本的60%以上[1]。有报道指出，全国工业硅企业现有600余家，共拥有每年200万吨的生产能力，而电炉总容量也超过了1000MVA。如果每吨工业硅节能1000kWh,全国每年可以节约60.2万吨标煤,减排368.4万吨CO2、1.4万吨SO2[2]。如此巨大的节能潜力，对进行其节能降耗的技术改造和有效的制度管理具有积极的经济和环境效益。本文就工业硅生产过程所造成的能耗进行分析，并在此基础上探讨相应的节能降耗途径，旨在为行业的节能减排工作提供理论依据和资料参考。
1.工业硅生产能耗分析
1.1工业硅生产的冶炼原理
工业硅生产是以硅矿石为原料，碳材料为还原剂在电炉容器中进行冶炼的。其反应实质是利用还原性碳与二氧化硅发生氧化还原反应对硅进行冶炼提纯，总反应式如下：
SiO2+2C=Si+2CO
此公式是用来计算和控制正常熔炼过程的理论基础。但是，实际反应过程却要复杂许多：
（1）SiO2+C=SiO+CO（2）SiO2+2SiC=3SiO+2CO（3）SiO2+Si=2SiO（4）SiO+2C=SiC+CO（5）SiC+SiO=2Si+CO
根据多年来各方面的经验和研究成果发现，由于反应过程中SiO和SiC等不同性质的杂质大量生成，使得冶炼工艺的要求高，冶炼过程耗能大。高温状态下，SiO呈气态存在，如果处理不当极易从炉内挥发逸出，造成物料损失，降低硅的回收率，还会带走热能，导致能效降低。而SiC的熔点高，导电性强，如不及时清理，在炉内持续积存，会导致炉况恶化，能耗增加。
1.2工业硅生产的能耗过程
冶炼过程是采用闷烧和定期集中加料的操作方法进行的。其中将电能转变为热能的过程主要有电阻热和电弧热两种形式。无论哪种产热形式，能耗都经过了产热过程和传热过程。其中，不同的产热机理会导致能耗的不同。由电极-炉料产生的电阻热，其产生过程会消耗电极，并且炉料的性质对电阻热的消耗起到很大的影响，当电导率较低的炉料投入反应器时，产生的电阻热较高，炉料会过早熔化而导致炉内环境的变化，主要表现为料面温度升高，对歧化反应产生影响。同时，电弧热降低，坩埚内反应温度不能满足Si的有效生成。对于传热过程中的能耗主要是通过炉气来承载和耗损的。炉气主要在坩埚区获得热量，由于坩埚区电流密度大，使得气体电离，炉气获得高热，大量物质蒸发，炉内压力增大。一方面使用密闭性不佳的矮烟罩类反应装置，在正常生产中就容易由于气体泄漏而损失热能；另一方面，即使使用密闭化的新型电炉，在其强制沉料过程中仍会导致高热气体逸出，从而使得能源损失，能耗增加。
2.工业硅生产节能途径
影响工业硅生产能耗的因素有很多，其中原料品质、电炉炉型和管理制度是相对比较重要的三个方面。
2.1原料精化
工业硅生产工艺对原料的要求较为严格，具体有三点基本要求：（1）炉料的化学成分符合工艺要求。（2）炉料具有适合的粒度和良好的热稳定性。（3）为保证电极的深入，炉料须具有较高的比电阻。实践证明,原料精化是工业硅生产的基础,原料的适合与否与产品的单位能耗息息相关。所以，为了实现能耗的降低，精化原料是实用且高效的措施之一。
工业硅生产工艺对硅石含量的要求较高。其中冶金用硅矿石的含量要求为：SiO2不少于99%，Fe2O3不高于0.2%，Al2O3不高于0.3%，CaO不高于0.2%。而电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]。除了对含量的要求外，对硅矿石洁净情况还需要特别关注，掺入过多的杂质会导致产品纯度差，产生的炉渣多，产量低，从而导致能耗增加。在投料之前对硅矿石进行筛选并清洁，可以有效提高能源的利用率。
除硅矿石之外，还原剂也是投料的重要组成部分。工业硅使用的碳质还原剂往往含有一定量的灰分，与硅矿石中的杂质一样，也会导致炉渣量增大耗能提高。而且更重要的是，所选还原剂的还原能力会直接影响硅石中Si元素的有效提纯，所以还原剂必须符合相应的技术指标：高比阻，高导热率，还原性能优良等。还原劑作为电炉炉料的主要导体，可以通过提高插入深度,来实现工艺对电流的基本要求。当所选还原剂的比电阻较大时，可以实现较高的二次电压，从而提高炉中热能，保证较高的电热转化率，实现节能的目标。
科学的炉料配比是保证炉况稳定的先决条件，也是实现节能降耗的重要措施之一。炉料配比应根据原料化学成分、粒度、含水量及炉况的基本参数来决定。配料必须准确称量，误差保证在±1kg之内，炉料投加之前必须充分混匀，做到比例适当，投放均匀。这样不但可以通过减少强制沉料的操作次数，而降低捣炉沉料操作中的能源损失，还能够使投料在炉中反应彻底，有效避免了由于分配不均导致的加热不充分或加热过量的情况。
2.2电炉升级
虽然我国工业硅总体生产规模巨大，但是由于各企业规模相对较小，技术水平相对落后。往往使用的电炉容量小，数量多，机械自动化程度低，无法实现规模化生产。相关统计表明，我国工业硅用电炉容量多为是6300kVA级至10000kVA之间，与国外的48000kVA的规模相比差距很大。大容量自动化电炉，一方面提高了生产率和劳动效率，另一方面可以通过提高电炉功率降低热量损失，从而促进能源的高效利用。除了电炉容量之外，我国普遍使用的半封闭矮烟罩式电炉，也是导致能源浪费的原因之一。使用封闭式炉型可以有效减少传热过程中的热量逸散，增加烟气的回收及余热再利用能力，并且改善炉况提高炉内压力，促进生产效率的提升。并且使用新型节能材料筑炉，也可以收到良好的节能效果。
此外，对电炉的炉膛深度、炉膛内径、电极直径和极心圆直径等主要参数的合理设计，同样也是实现节能的内在要求。
2.3管理健全
健全的管理是节能降耗，提升生产效率的重中之重。它又可以分为：炉况及时控制、合理供电和科学操作。
2.3.1及时的炉况控制
由于生产工业硅工艺复杂，其中炉况十分容易产生波动，所以必须做到对炉况的准确判断和及时调整。炉况正常的标志是：电极深而稳的插入炉料，电流电压稳定，炉内电弧声响低而稳，冒火区域广而均匀，炉料透气性好，料面松软而有一定的烧结性，各处炉料烧空程度相关不大，焖烧时间稳定，基本上无刺火塌料现象，出铁时，炉眼好开，流头开始较大，然后均匀变小，产品产量质量稳定。为了实现在最佳反应环境下进行生产，需要根据当时炉况的具体状况做出调整。
2.3.2合理的供电制度
为实现合理的输入功率，必须制定合相应的供电制度，通过合适的工作电压和电流来控制功率的输入。如果输入功率过高，会导致投料的过度反应，虚耗能量，更有甚者可能对电炉造成不可逆转的损害。而输入功率较低，又会影响电极插入深度，使得炉况恶化，进而导致产品品质差、生产效率低下。
2.3.3科学的生产操作
实践证明，在工业硅生产活动中，有力的执行科学操作要求，可以取得满意的节能效果。其中，对原料的控制至关重要,包括称量准确,及时加料不空烧,捣炉快速并且深透,深插稳插电极等。科学合理的操作需要不断总结，坚决执行，才能将能耗削减到较好的水平，达到节能降耗的目的。
【关键词】工业硅；节能；技术改造
0.前言
随着国家十二五发展规划的出台，对节能减排的重视提升到一个前所未有的高度。作为能耗大户的工业硅生产行业，开始受到越来越多的关注。仅计算一次能源消耗，工业硅生产的平均能耗就高达每吨13000kWh，其能耗成本就占总生产成本的60%以上[1]。有报道指出，全国工业硅企业现有600余家，共拥有每年200万吨的生产能力，而电炉总容量也超过了1000MVA。如果每吨工业硅节能1000kWh,全国每年可以节约60.2万吨标煤,减排368.4万吨CO2、1.4万吨SO2[2]。如此巨大的节能潜力，对进行其节能降耗的技术改造和有效的制度管理具有积极的经济和环境效益。本文就工业硅生产过程所造成的能耗进行分析，并在此基础上探讨相应的节能降耗途径，旨在为行业的节能减排工作提供理论依据和资料参考。
1.工业硅生产能耗分析
1.1工业硅生产的冶炼原理
工业硅生产是以硅矿石为原料，碳材料为还原剂在电炉容器中进行冶炼的。其反应实质是利用还原性碳与二氧化硅发生氧化还原反应对硅进行冶炼提纯，总反应式如下：
SiO2+2C=Si+2CO
此公式是用来计算和控制正常熔炼过程的理论基础。但是，实际反应过程却要复杂许多：
（1）SiO2+C=SiO+CO（2）SiO2+2SiC=3SiO+2CO（3）SiO2+Si=2SiO（4）SiO+2C=SiC+CO（5）SiC+SiO=2Si+CO
根据多年来各方面的经验和研究成果发现，由于反应过程中SiO和SiC等不同性质的杂质大量生成，使得冶炼工艺的要求高，冶炼过程耗能大。高温状态下，SiO呈气态存在，如果处理不当极易从炉内挥发逸出，造成物料损失，降低硅的回收率，还会带走热能，导致能效降低。而SiC的熔点高，导电性强，如不及时清理，在炉内持续积存，会导致炉况恶化，能耗增加。
1.2工业硅生产的能耗过程
冶炼过程是采用闷烧和定期集中加料的操作方法进行的。其中将电能转变为热能的过程主要有电阻热和电弧热两种形式。无论哪种产热形式，能耗都经过了产热过程和传热过程。其中，不同的产热机理会导致能耗的不同。由电极-炉料产生的电阻热，其产生过程会消耗电极，并且炉料的性质对电阻热的消耗起到很大的影响，当电导率较低的炉料投入反应器时，产生的电阻热较高，炉料会过早熔化而导致炉内环境的变化，主要表现为料面温度升高，对歧化反应产生影响。同时，电弧热降低，坩埚内反应温度不能满足Si的有效生成。对于传热过程中的能耗主要是通过炉气来承载和耗损的。炉气主要在坩埚区获得热量，由于坩埚区电流密度大，使得气体电离，炉气获得高热，大量物质蒸发，炉内压力增大。一方面使用密闭性不佳的矮烟罩类反应装置，在正常生产中就容易由于气体泄漏而损失热能；另一方面，即使使用密闭化的新型电炉，在其强制沉料过程中仍会导致高热气体逸出，从而使得能源损失，能耗增加。
2.工业硅生产节能途径
影响工业硅生产能耗的因素有很多，其中原料品质、电炉炉型和管理制度是相对比较重要的三个方面。
2.1原料精化
工业硅生产工艺对原料的要求较为严格，具体有三点基本要求：（1）炉料的化学成分符合工艺要求。（2）炉料具有适合的粒度和良好的热稳定性。（3）为保证电极的深入，炉料须具有较高的比电阻。实践证明,原料精化是工业硅生产的基础,原料的适合与否与产品的单位能耗息息相关。所以，为了实现能耗的降低，精化原料是实用且高效的措施之一。
工业硅生产工艺对硅石含量的要求较高。其中冶金用硅矿石的含量要求为：SiO2不少于99%，Fe2O3不高于0.2%，Al2O3不高于0.3%，CaO不高于0.2%。而电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]。除了对含量的要求外，对硅矿石洁净情况还需要特别关注，掺入过多的杂质会导致产品纯度差，产生的炉渣多，产量低，从而导致能耗增加。在投料之前对硅矿石进行筛选并清洁，可以有效提高能源的利用率。
除硅矿石之外，还原剂也是投料的重要组成部分。工业硅使用的碳质还原剂往往含有一定量的灰分，与硅矿石中的杂质一样，也会导致炉渣量增大耗能提高。而且更重要的是，所选还原剂的还原能力会直接影响硅石中Si元素的有效提纯，所以还原剂必须符合相应的技术指标：高比阻，高导热率，还原性能优良等。还原劑作为电炉炉料的主要导体，可以通过提高插入深度,来实现工艺对电流的基本要求。当所选还原剂的比电阻较大时，可以实现较高的二次电压，从而提高炉中热能，保证较高的电热转化率，实现节能的目标。
科学的炉料配比是保证炉况稳定的先决条件，也是实现节能降耗的重要措施之一。炉料配比应根据原料化学成分、粒度、含水量及炉况的基本参数来决定。配料必须准确称量，误差保证在±1kg之内，炉料投加之前必须充分混匀，做到比例适当，投放均匀。这样不但可以通过减少强制沉料的操作次数，而降低捣炉沉料操作中的能源损失，还能够使投料在炉中反应彻底，有效避免了由于分配不均导致的加热不充分或加热过量的情况。
2.2电炉升级
虽然我国工业硅总体生产规模巨大，但是由于各企业规模相对较小，技术水平相对落后。往往使用的电炉容量小，数量多，机械自动化程度低，无法实现规模化生产。相关统计表明，我国工业硅用电炉容量多为是6300kVA级至10000kVA之间，与国外的48000kVA的规模相比差距很大。大容量自动化电炉，一方面提高了生产率和劳动效率，另一方面可以通过提高电炉功率降低热量损失，从而促进能源的高效利用。除了电炉容量之外，我国普遍使用的半封闭矮烟罩式电炉，也是导致能源浪费的原因之一。使用封闭式炉型可以有效减少传热过程中的热量逸散，增加烟气的回收及余热再利用能力，并且改善炉况提高炉内压力，促进生产效率的提升。并且使用新型节能材料筑炉，也可以收到良好的节能效果。
此外，对电炉的炉膛深度、炉膛内径、电极直径和极心圆直径等主要参数的合理设计，同样也是实现节能的内在要求。
2.3管理健全
健全的管理是节能降耗，提升生产效率的重中之重。它又可以分为：炉况及时控制、合理供电和科学操作。
2.3.1及时的炉况控制
由于生产工业硅工艺复杂，其中炉况十分容易产生波动，所以必须做到对炉况的准确判断和及时调整。炉况正常的标志是：电极深而稳的插入炉料，电流电压稳定，炉内电弧声响低而稳，冒火区域广而均匀，炉料透气性好，料面松软而有一定的烧结性，各处炉料烧空程度相关不大，焖烧时间稳定，基本上无刺火塌料现象，出铁时，炉眼好开，流头开始较大，然后均匀变小，产品产量质量稳定。为了实现在最佳反应环境下进行生产，需要根据当时炉况的具体状况做出调整。
2.3.2合理的供电制度
为实现合理的输入功率，必须制定合相应的供电制度，通过合适的工作电压和电流来控制功率的输入。如果输入功率过高，会导致投料的过度反应，虚耗能量，更有甚者可能对电炉造成不可逆转的损害。而输入功率较低，又会影响电极插入深度，使得炉况恶化，进而导致产品品质差、生产效率低下。
2.3.3科学的生产操作
实践证明，在工业硅生产活动中，有力的执行科学操作要求，可以取得满意的节能效果。其中，对原料的控制至关重要,包括称量准确,及时加料不空烧,捣炉快速并且深透,深插稳插电极等。科学合理的操作需要不断总结，坚决执行，才能将能耗削减到较好的水平，达到节能降耗的目的。