单晶硅棒生产能耗分析及综合节能对策分析

单晶硅棒生产能耗分析及综合节能对策分析

王巍峰

内蒙古中环光伏材料有限公司内蒙古呼和浩特010070

摘要：随着社会的不断发展和节能理念的倡导，在现代化生产过程中，人们越来越重视对节能措施的应用。在现代工业中，单晶硅棒的生产是能源消耗极大的一个产业。本文对在单晶硅棒生产过程中节能的重要性和必要性，以及相关的综合节能措施进行了简单的分析和介绍。

关键词：单晶硅棒；能耗；综合节能措施

一、国内单晶硅生产的工艺及特点

多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种：CZ（Czochralski）法，FZ

（Float-ZoneTechnique）法，目前超过98％的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85％，其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用，主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。主要工艺过程：预装料→装料→抽空→化料→粘渣→稳温→引晶→放肩→转肩→等径→收尾→停炉。

二、节能降耗措施分析

单晶硅棒生产过程中最为关键的设备是单晶炉，无论是各种型号的单晶炉，无疑都是整个硅棒生产的主要设备，供配电中通常一台干式变压器可以带几台或十几台单晶炉，从整个工厂的用电网络平台分析，单晶的电耗站了最大的份额；其次在单晶硅棒的生产能耗中，降低氩气的使用量也是降低运行成本的重要措施。

2.1安装滤波/静态无功补偿柜降低电力运行成本

安装动态滤波及无功补偿装置

（1）吸收整流设备产生的大部分高次谐波电流，使之符合国家标准，大大减少对电网污染。

（2）投入滤波补偿装置后，可以提高功率因数，提高供电设备利用率，增容降损。2000kVA变压器的功率因数由0.69提高至0.95。

（3）在未投运滤波装置情况下，要获得1000kW有功功率，则需要1450kVA视在功率，投入滤波装置后，要获得1000kW有功功率，则需要1050kVA视在功率，可节省平均容量△S=400kVA。

计算表明补偿后平均功率因数从0.69提高到0.95，补偿后的供配电损耗是补偿前供配电损耗的53%，供配电损耗节能47%。

δ：供配电损耗节能率（47%）

ΣP：平均供电有功功率（按1000kW计算）

η1：补偿前线损率及变压器损耗率（按0.03计算）

T：用电时间（单位：小时）

每小时减少的谐波损耗2000kVA变压器0.4kV侧投入滤波补偿装置后变压器谐波率除率约60%~70%。加装滤波装置后，生产线的设备故障率减少，间接的产生的经济效益

2.2工艺水泵节能技改措施

采用流体输送设备优化三元流动设计理论，是水泵节能技术上一个突破。泵高效区是一个很小的区间，经验系数较多，而且和实际水力模型存在一定差距，对叶轮内及叶轮出口漩涡等考虑较少，三元流动理论是建立在一元流及二元流基础上，应用“叶轮机械三元流动理论”，由于流体流动的三元曲线形状，又是在等速旋转之中，流速（或压力）不但沿流线变化，沿横截面任一点都是不相同的——即流速是三元空间圆柱坐标（R、X、Z）的函数，把叶轮内部的三元立体空间无限分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流体流动的数学模型。依据三元流动理论设计出来的叶片形状为不规则曲面形状，叶轮叶片的结构可适应流体的真实流态，能够控制叶轮内部全部流体质点的速度分布。应用三元流动理论设计的水泵，水泵运行效率得以显著提高。

按流体输送设备优化三元流动设计理论计算、设计制造出新的三元流叶轮，目的是改造后的20sh-9A型水泵达到：流量、工作压力不变，电动机平均工作电流≤38A（以主控室仪表为准）。

三元流叶轮比原叶轮除安装尺寸（轴孔、键、密封环）相同外，直径减小了，叶轮的出口宽度增加了，整个叶轮从外型上看比原来显得“矮胖”；而且叶片的形状也有很大的变化。

可知：

（1）三元流叶片子午流道加宽了许多。

（2）三元流叶轮子午流道直径减少，而出口宽度增大。

（3）三元流叶片的叶片扭曲度较一元流大很多。

（4）三元流叶片进口边向来流进口伸展。

三元流叶片加宽了子午流道增大了流通能力，而且进口采用了轴向延伸故减少了进口供角损失，因此提高了叶轮的效率从而整体提高了水泵效率。在水泵水力模型设计完成之后，通过采用和利三元流场校核软件STAR-LaunchVersion2.10.0002进行校核。

2．3电气设备节能技改措施

采用KRN节电器实时跟踪电机负载的功能，根据负载的变化调节电机输出功率。KRN电机节电器内部储存有大量的负载曲线，利用控制系统实现在不同负载工况下触发不同的负载曲线，电机可根据最适合该工况下的负载曲线中功率的最低点运行，大大节省了电能。KRN节电器在IPM与IGBT技术有源滤波技术的基础上，实现了电机输入端电压电流的平滑无瞬变，谐波分量大大降低。

1、电机电能浪费的原因

（1）在电动机拖动系统中，往往以最高负载量加上裕量来设计参数及选型，而在实际的运行中，相当部分的电动机并非满载运行，而是工作于满电压、满速度但是负载却较小的状态。

（2）对于变负载运行的电动机，在正常工作的同时，也会有很大的节电空间。因为，负载的变化会随着实际需求变化，而电动机的输入功率却不能随之做出调整，即通常所说的“大马拉小车”。

（3）由电动机设计和运行特性可以知道，电动机在满载运行时效率最高，功率因数COSφ最高；轻载运行效率降低、功率因数COSφ也降低，空载时COSφ甚至降到0.3以下，所以在轻载、变载、轮空负载运行时电动机的电能浪费较大。

（4）由于电网的供电质量不良，造成电机的热损耗极具增高产生大量无用功，也同时降低了电机的使用寿命增加了维护成本和维护工人的工作量。

2、KRN节电器节电原理

提高供电质量，净化供电环境，日本核心技术的智能化负载自适应。

电动机的负载特性：

负载不变，输入电压的过大或过小都会导致：

→电流增加→电能浪费增加；

输入电压不变，负载的增加或减少都会导致：

→电流增加→电能浪费增加；

只有在X、Y、Z点上电流和电能消耗最小。

采用世界首创的“负载自适应”原理，在线实时检测电动机的负载率，当电动机的负载从100%降到50%，再降到30%，KRN根据设备电动机的负载变化率，实时负载自适应检测数据处理，并在线调整电动机的输入电压（V）和负载电流（I），使其工作点始终保持在X、Y、Z点（节能点）上运行，从而最大限度的降低电动机在运行时的电流消耗，达到即能够满足设备使用要求又能够节电的目的！

2.4氩气再回收节能措施

氩气作为单晶生产行业为能源消耗主要元素，占据生产成本的半壁江山，是行业管理者一直潜心研究降低成本的关键课题。目前采用世界最先进的高压惰性气体控制回收工艺装置，先脱卤素，然后进行脱氢，最后干燥过程分为两塔纯化流程，无损耗再生气，是产品达到技术要求。

工艺流程：收气压缩—过滤—干燥—催化氧化—催化还原—过滤—干燥—回供压缩—低温精馏—工艺气体提取—回用单晶炉，实现单晶炉氩气回收70%左右，降低生产成本。

参考文献：

[1]朱俊生.中国新能源和可再生能源发展状况[J].可再生能源.2003（02）

[2]孙云，王圣来，顾庆天，许心光，孙洵，丁建旭，刘光霞，刘文洁，朱胜军.硫酸盐掺杂导致KDP晶体开裂的研究[J].功能材料.2012（02）