多晶硅行业生产节能有效途径探讨

多晶硅行业生产节能有效途径探讨

毛延林

青海亚洲硅业硅材料有限公司 青海 西宁 816000

摘要：近年来，受到环境污染以及能源严重浪费的影响，各国对于新能源的研究和开发也加大了力度。太阳能因其具有可再生、清洁等优点引起了各国的高度重视。而目前，太阳能已经被运用到发电中，并取得了比较理想的成绩，多晶硅作为太阳能发电的主要原材料，也有可能是未来制作太阳能电池的主要材料，也引起了各国的高度重视。在我国，针对多晶硅生产的技术研究和开发还比较落后，导致我国多晶硅的生产成本远远高于发达国家，加之近几年多晶硅的价格一路下降，给我国的多晶硅生产企业带来了严重影响。为此，我国迫切寻找出一条有效的途径来降低多晶硅的生产成本，从而确保多晶硅生产企业的可持续发展。

关键词：多晶硅；生产；节能降耗  

如今，随着科学技术的不断发展，催生了一大批新兴的行业，为可再生能源领域提供技术支撑。同时多晶硅的生产和应用也不断扩大规模。目前，多晶硅一般应用在电力领域以及能源领域。比如电力领域的集成电路以及半导体太阳能装置等。总之，多晶硅能够制作单晶硅，构成半导体材料成为多种现代化科技的核心组成部分。从现阶段全球能源使用以及储备情况来看，能源逐渐陷入枯竭的状态。对此，积极开发可再生能源以及降低资源的损耗，依旧成为现代化世界性的研究课题。太阳能作为一种可再生能源，具有安全性、环保性、存储量大等特点，受到研究人员的广泛关注。由于对于太阳能源的充分利用，便需要借助光电效应将太阳能转换成电能，进而输出或存储，以满足人们的正常需求。在整个过程中便需要多晶硅的作用，同时也对多晶硅的产量提出了较高的要求。

一、多晶硅生产的节能生产方案分析

1、多晶硅的生产工艺。改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢（或外购氯化氢），氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行 CVD 反应生产高纯多晶硅。主要技术是 ：大直径对棒节能型还原炉技术，导热油循环冷却还原炉技术，还原炉尾气封闭式干法回收技术以及副产品 SiCl4氢化生成 SiHCl3技术。这种方法的特点是能量消耗较高、综合成本低、质量好，采用综合利用技术，实现物料的闭路循环，对环境污染小，具有明显的竞争优势。

2、多晶硅生产精馏环节的节能设计。精馏环节是占据多晶硅生产环节能源损耗最严重的部分。因为在多晶硅的生产步骤中涉及氯硅烷的精馏操作，该过程需要涉及高水平、高标准的工艺技术。在开展的操作流程中需要遵循较高的技术指标，保证氯硅烷的回流比以及沸点。所以在精馏操作过程中，对于降温媒介和加温介质的质量有着与其他环节不同的要求，造成了该环节成为整个生产环节中最耗费能源的一大流程。现阶段，随着科学技术的高速发展，我国多晶硅生产领域已经逐渐使用高科技含量较高的精馏装置，如多塔串联式精馏技术。该技术可以有效利用外界的高温热媒介，比如，饱和水蒸气等，实现对整个塔釜装置的气相完成加热。除此之外，还会在塔釜顶层设置低温媒介来实现对塔内的气相完成冷凝操作。采用高新技术的精馏装置及技术，可以降低能源的损耗，完成能源的循环使用。与此同时，采用高科技的精馏装置和工艺，在多晶硅生产领域上具有较好的节能效果，而且在整个设备的操作中流程简单易学，同时也扩大了该项技术在整个领域的推广。这便有效地降低了多晶硅生产过程的经济成本投入，进一步实现了节能减排的研究策略。

3、多晶硅生产流程在还原热能的设计。目前，国内外在多晶硅生产过程中均是使用改良的西门子技术，使用该技术生产多晶硅，使多晶硅的还原操作占据整个生产过程的重要流程。还原热能操作可以对多晶硅的产量以及生产成本提供理论依据，以实现节能减排。在还原热能操作中，主要涉及的操作仪器是还原炉。还原炉内部涉及的生产原理是将三氯氢硅还原成棒状硅。与此同时，采用创新型的西门子技术结合冷氢化技术进行多晶硅的生产操作，根据生产数据显示，可以将能源控制在每千克多晶硅综合电耗降低至60度，大大降低了多晶硅生产对于能源的损耗。

二、多晶硅生产中的节能降耗措施

1、优化还原工艺降低还原电耗

（1）大型还原炉节能技术。还原炉是多晶硅生产中的重要设备，实践证明，还原炉越大多晶硅在生产的过程中消耗的能量就会越少。虽然我国从起初的9 对棒的还原炉发展到今天的 24 对棒，这已经在很大程度上提高了多晶硅生产的节能降耗效果，但是距离发达国家的节能降耗标准还有一定的差距，还需要在大型还原炉节能技术上加大研究的力度，研究出更大型的多晶硅生产还原炉，不仅可以提高多晶硅的单炉生产产量，还能进一步提高多晶硅生产中的节能降耗效果。

（2）硅芯热启动技术。硅芯热启动技术是生产过程中最为常见的节能技术之一，此项技术之所以被业内广泛应用，在节能方面必有其独到之处。第一，降低硅芯炉的温度。使用过程中需先对等离子进行预热，然后再通过加热等离子体的形式来降低硅芯炉的温度和击穿电压，达到节能的目的。第二，降低导电率。通过添加杂质（如 P、B）的方法大幅度降低硅芯的导电率，进而降低了硅芯在生产使用途中的电流、温度，达到节能的目的。

（3）电控系统优化。在多晶硅的生产过程中，其消耗的电能是非常巨大的，而对电控系统进行优化可以在很大程度上减少电能的消耗。首先，根据实际的工艺条件来对电压进行优化和对电流进行调节，主要是根据反应炉的反应温度和压力变化来进行调整和优化，让电流和电压达到最佳的匹配。其次，可以设计特殊的电控系统减少电磁和其他有害辐射对产品的危害，还可以降低倒炉的次数，从而降低电能的消耗。

2、优化 TCS 提纯过程

TCS 提纯在多晶硅生产中也会消耗大量的能量，其主要包括对多晶硅中的 B、P、C、金属杂质和其他非金属杂质进行去除，从而起到提纯的作用。目前在我国使用最多的 TCS 提纯技术主要是反应精馏技术，可将绝大多数的 B、P 等杂质排除，进而大幅度地降低精馏塔以及理论板数，还可以通过合理的能量、最佳的温差匹配进行多次精馏，以有效减少能耗。此外，在生产过程，对各种物质所需的能耗进行考察、平衡，然后通过热集成技术重新优化生产流程，最终实现节能降耗。

3、尾气干法回收工艺优化。尾气干法回收工艺是精馏系统中的重要组成部分，其主要是通过冷凝、压缩、吸附等技术，把还原氢化尾气中大量的氢气、TCS、STC 以及 HCL 分离开来，让这些尾气返回各工艺段进行循环使用。尾气干法回收工艺的使用既能够减少有害气体的排放，起到保护环境的作用，还能够将这些尾气进行回收循环利用，提高了废气的利用率，最终实现节能降耗的目的。

4、废物及废热的利用。在多晶硅的生产过程中会产生大量的废物和废热，从传统的生产工艺中可以看到，多晶硅生产会产生大量的高盐分废水，这些废水不仅会污染环境，还造成了大量的资源浪费。如果通过新的工艺来将这些废水进行回收利用，不仅可以节约生产的成本还能够降低能耗。目前，在国内已经有一些多晶硅生产企业使用废气焚烧的方式来实现对废水的使用，并取得了理想的成绩。另外，在多晶硅的生产过程中还会产生大量的热，这些热主要被循环水带走，如果不加以利用，就非常浪费，可以对工艺进行改造，将这些热水利用起来，实现节能降耗的目的。

综上所述，多晶硅是光伏和半导体产业的重要组成部分，同时利用太阳能资源可以有效地解决资源枯竭型问题。虽然多晶硅的生产和规模持续扩大，进一步地满足人们的生产和生活需求，但是在生产阶段也需要对成本以及环境等方面作出研究分析。这意味着需要在保护环境的同时提高光伏企业的经济效益。除此之外，还需要建立光伏多晶硅循环经济园以及建设完备的信息管理系统，实现多晶硅生产企业的一体化流程。通过对多晶硅生产的节能研究措施，对相关领域研究人员起到借鉴价值，促进我国多晶硅企业的高速发展。

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