多晶硅生產(chǎn)中能耗的節(jié)能范文

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因歐債危機及國內(nèi)產(chǎn)能過剩導致整個多晶硅產(chǎn)業(yè)進入寒冬期。在國內(nèi)外市場的雙重壓力下，多晶硅價格一路降低，加上國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)成本遠高于國外生產(chǎn)成本，使得國內(nèi)多數(shù)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)嚴重虧損，這也促使國內(nèi)多晶硅企業(yè)尋找新的方法，新的技術(shù)去降低多晶硅的生產(chǎn)成本。

1國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)的工藝及特點

多晶硅的生產(chǎn)工藝有改良西門子法、冶金法、硅烷熱分解法及流化床法。因改良西門子工藝產(chǎn)業(yè)化較早。安全性和環(huán)保性好，具有技術(shù)成熟，適合產(chǎn)業(yè)化等特點，現(xiàn)在已作為當今多晶硅生產(chǎn)的主流技術(shù)被大多數(shù)廠商采用。改良西門子法又稱為閉環(huán)式三氯氫硅還原法，是將氯化氫及工業(yè)硅粉（氯化氫由氯氣和氫氣合成、或外購氯化氫）進行合成生產(chǎn)三氯氫硅，四氯化硅及二氯二氫硅組成的硅烷混合物，通過多級分離精餾提純得到高純度三氯氫硅（純度達9N），提純后的高純度精制三氯氫硅在還原爐內(nèi)進行化學氣象沉淀法反應(yīng)生成高純多晶硅。從還原爐排除的尾氣中，含有大量的氯硅烷的混合物，將這些混合物送回精餾塔再精餾循環(huán)利用，回收的四氯化硅送回氫化爐再次與氫氣和工業(yè)硅粉參與反應(yīng)。此法生產(chǎn)多晶硅的工藝過程實現(xiàn)了物料的充分利用及系統(tǒng)的完全閉環(huán)。是目前國內(nèi)外生產(chǎn)多晶硅的主流方法[1]。具體流程如圖1。根據(jù)國內(nèi)某家多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，多晶硅生產(chǎn)成本主要包括能耗成本（包括精餾的蒸汽及還原工藝、電解制氫、氫化工藝的電耗。），精TCS生產(chǎn)成本及耗量，設(shè)備折舊等。而能耗成本約占多晶硅生產(chǎn)成本的40%左右，是整個改良西門子法多晶硅生產(chǎn)成本中最重要的部分，其控制的好壞將嚴重影響多晶硅產(chǎn)品的市場競爭力。

2各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對多晶硅生產(chǎn)能耗的影響

2.1氫氣制備對電耗的影響

2.1.1氫氣制備方式對電耗的影響高純氫氣是多晶硅生產(chǎn)中非常重要的的生產(chǎn)原料，作為還原劑參與多晶硅生產(chǎn)，因為其的純度要求高，用量大，與多晶硅的生產(chǎn)成本和質(zhì)量有著密切聯(lián)系，對于一般多晶硅生產(chǎn)企業(yè)而言，高純度氫氣的獲得可通過水電解制氫，裂解制氫，化工生產(chǎn)副產(chǎn)物氫氣利用等方法。電解制氫技術(shù)是應(yīng)用最早，具有工藝成熟的特點，是早期制氫的主要手段，其原理是在電解質(zhì)溶液中，插入電極，通以直流電，將鹽水電解，這樣在電極的陰極會產(chǎn)生氫氣，電極的陽極會產(chǎn)生氧氣，生產(chǎn)的混合氣經(jīng)過脫除去氧氣后就得到了高純的氫氣。大約3.99~5.12kW·h就可以生產(chǎn)1標準立方米氫氣,電解制氫成本較高。但國內(nèi)仍有部分企業(yè)因為各種方面的原因而采用此種制氫方法；另一種被大多數(shù)企業(yè)采用的方法是輕質(zhì)石油、天然氣裂解制氫，此工藝主要是將輕質(zhì)石油，天然氣和水在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳，二氧化碳，氫氣及甲烷的混合氣，經(jīng)分離后得到高純氫氣。與電解制氫相比，此工藝較為復雜，需要較大的設(shè)備投資和苛刻的反應(yīng)條件，但在節(jié)能方面后者要遠遠高于前者，經(jīng)濟效益明顯，對多晶硅成本的影響顯著，也是大多數(shù)企業(yè)選擇此種制氫方法的原因。除此以外，化工生產(chǎn)過程中副產(chǎn)氫氣可以回收利用的也是節(jié)能的一種好的途徑[2]。

2.1.2氫氣消耗量對電耗的影響氫氣消耗量越多，就要制備越多的氫氣，所需的電耗也就越大，而氫氣消耗量的多少又與還原爐的運行數(shù)量有直接關(guān)系。在多晶硅還原生產(chǎn)過程中，隨著硅棒直徑的變大，進料量的增加，從還原爐出來的氫氣量大于進入的氫氣量，所以還原系統(tǒng)氫氣總體是產(chǎn)出的，因此還原爐運行的越多越好，系統(tǒng)氫氣供應(yīng)量也越多，電解制氫的生產(chǎn)負荷就越小，相應(yīng)的耗電量也就越少。除此以外，將富余的氫氣收集也是一種節(jié)約的好辦法，可以間接的節(jié)約能耗。

2.2氫化對電耗的影響

2.2.1氫化方式對耗電量的影響目前，改良西門子法多晶硅生產(chǎn)中TCS的生產(chǎn)工藝有兩種，熱氫化和冷氫化。冷氫化的耗電量非常低，大致范圍在0.8kWh/kg·TCS，而熱氫化耗電約為3kWh/kg·TCS,同時冷氫化的轉(zhuǎn)化率（25%）也遠遠高于熱氫化的轉(zhuǎn)化率（10%~15%），這也是大多數(shù)企業(yè)目前普遍選擇冷氫化制備TCS的主要原因之一。

2.2.2氫化過程對電耗的影響冷氫化反應(yīng)的耗電量相對較低，但是TCS的生產(chǎn)運行周期和轉(zhuǎn)化率對冷氫化電耗也有很大的影響。同等條件下，氫化反應(yīng)的生產(chǎn)越平穩(wěn)，生產(chǎn)運行周期越長，STC轉(zhuǎn)化率越高，則生成的TCS量就越大，STC循環(huán)量就越小，單位TCS的電耗就越低，因此對于氫化而言，生產(chǎn)能越平穩(wěn)運行，生產(chǎn)周期越長，STC轉(zhuǎn)化率越高，氯化生產(chǎn)系統(tǒng)所消耗的單位電耗就越低。

2.3精餾系統(tǒng)的影響

2.3.1TCS精餾提純工藝優(yōu)化目前，精餾提純工藝多采用多級精餾提純?nèi)葰涔瑁蛛x能耗較大，而1964年由蘇聯(lián)學者提出的熱偶精餾，因為其理想的熱力學結(jié)構(gòu)，能使能耗降低30%左右。差壓熱偶精餾是將常規(guī)的精餾分割成兩部分，一部分是高壓精餾，一部分為低壓精餾，使其產(chǎn)生壓力差的一種精餾方法。在精餾過程中，低壓精餾塔依舊采用與常規(guī)單塔操作時同樣的操作方法及條件，而對于加壓精餾塔需要加壓操作以提高塔頂氣相的溫位，提高了塔頂氣相溫度的加壓塔又可以作為低壓精餾塔塔釜的熱源。這樣的組合能使得低壓塔再沸器和高壓塔冷凝器之間實現(xiàn)較好的熱匹配，實現(xiàn)了能量集成，能耗得以降低[3]。

2.3.2反應(yīng)精餾技術(shù)的應(yīng)用TCS精餾提純過程是去除B、P、C、金屬雜質(zhì)和其他非金屬雜質(zhì)，雜質(zhì)含量越低，所需的精餾塔數(shù)及理論塔板數(shù)就越小，能耗就越小。目前在國外有了長足發(fā)展的一些反應(yīng)精餾技術(shù)值得我們借鑒。該技術(shù)通過在精餾過程中添加某種物質(zhì)，與物料中的各種雜質(zhì)反應(yīng)，以達到降低雜質(zhì)含量的目的。目前有硅膠除硼法及濕氮除硼技術(shù)，他們的共同特點是在精餾反應(yīng)中加入一定量的物質(zhì)，前者是硅膠，后者是含有水分的氫氣和氮氣，硅膠表面的硅醇基因（Si-OH）及硅氧烷鍵（Si-O-Si），硅醇基因是強吸附的極性基因，物料中硼化合物化學鍵極性與硅膠極性的不同，從而可以進行吸附分離，而通入精餾系統(tǒng)的水與氯硅烷反應(yīng)生成二氧化硅和復雜的聚合物（Si-OH）,該聚合物對硼、磷也有吸附作用，也可以降低硼的含量。還有一種除硼工藝是采用物理與化學結(jié)合的方法，首先在精餾塔中采用低壓沸點精餾技術(shù)，不沸騰的三氯氫硅不會帶有雜質(zhì)，而使沸點較低的雜質(zhì)硼分離。然后，將三氯氫硅通過裝填有金屬氧化物的填料層，吸附剩余高沸點的硼化合物，并且補充適量的水分，經(jīng)過處理后的三氯氫硅再進精餾塔去精餾，這些技術(shù)可以大大降低精餾所需的蒸汽量，從而降低能耗[4]。

2.3.3節(jié)能降耗與普通精餾相比較，熱泵精餾，多效精餾，熱偶精餾等高效精餾方法也能更好的把精餾塔系統(tǒng)塔頂蒸汽的冷凝熱利用，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

2.4還原對電耗的影響對于多晶硅的生產(chǎn)而言，衡量電耗指標主要是綜合電耗和還原電耗，其中綜合電耗是整個多晶硅生產(chǎn)過程中耗電量的指標，還原電耗是反應(yīng)還原爐耗用量的指標，還原電耗是改良西門子法生產(chǎn)工藝流程中占比最大的能耗，大約占總能耗的50%，所以控制好還原工序的能耗，對整個多晶硅生產(chǎn)的能耗控制有巨大作用

2.4.1優(yōu)化還原工藝鐘罩式還原爐被目前國內(nèi)大部分多晶硅生產(chǎn)企業(yè)所使用，其電耗大約在80~100kWh/kg，而國際先進企業(yè)的能耗大都控制在50kmh/kg左右，遠遠低于國內(nèi)企業(yè)。基于傳統(tǒng)反應(yīng)爐高耗能，目前研發(fā)的新工藝主要集中體現(xiàn)在多晶硅的生產(chǎn)反應(yīng)器裝置上。多晶硅的生成反應(yīng)器是整個多晶硅生產(chǎn)工藝設(shè)備中提高產(chǎn)能，降低能耗的關(guān)鍵裝置。硫化床反應(yīng)器是較鐘罩式還原爐更節(jié)能的多晶硅反應(yīng)器，將是今后多晶硅反應(yīng)爐的一個重要方向，該技術(shù)可將還原電耗降低至15~25kwh/kg,且沉積表面積大，能實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。但該技術(shù)還存在還原爐內(nèi)加熱不均勻，爐壁易產(chǎn)生沉積和產(chǎn)品污染的問題[5]。

2.4.2開發(fā)大型節(jié)能還原爐目前開發(fā)大型節(jié)能還原爐是多晶硅生產(chǎn)的趨勢所在，因為大型還原爐的使用不僅能提高單爐產(chǎn)量，增加生產(chǎn)效率，而且有效降低了還原電耗。以國內(nèi)某家多晶硅生產(chǎn)企業(yè)為例：一期工程采用9對棒還原爐，單爐產(chǎn)量僅1t,二期采用24對棒還原爐,產(chǎn)量3t。一期還原電耗約160kWh/kg，二線還原電耗約為100kWh/kg,電耗成本下降33%。值得注意的是，還原爐單爐產(chǎn)量與硅棒數(shù)量并非成正比關(guān)系，主要是各種還原爐的硅棒高度一般都在2.2~2.6m左右不等。還原的產(chǎn)能大小與設(shè)備，電氣系統(tǒng)及人員的控制水平有很大關(guān)系。這也是最近一段時間以來許多企業(yè)認識到還原爐越大而電耗降低程度越來越有限的主要原因。

2.4.3改進硅心熱啟動技術(shù)改進硅心熱啟動的方式主要是為了能夠降低硅心爐啟動時的電壓及溫度，來一定程度上降低能耗。目前有兩種節(jié)能方法被國內(nèi)某些企業(yè)采用并取得了滿意的效果，一是等離子預熱啟動硅心技術(shù)，應(yīng)用等離子體來加熱，實現(xiàn)突擊電壓和溫度的降低，二是在硅心中參雜PB等元素，降低電導率來使硅心的啟動電壓和溫度降低。

2.4.4控制合理的生產(chǎn)周期對于多晶硅生產(chǎn)來講，并非每爐的周期越短越好，生產(chǎn)周期需要始終控制在一個合理的范圍內(nèi)，單爐生產(chǎn)周期過長，雖然單爐產(chǎn)量比較高。但是從總體來看，單位時間內(nèi)的生產(chǎn)爐次會減少，整體產(chǎn)量會下降。因此將每爐生產(chǎn)周期控制在一個合理的范圍內(nèi)才能保證爐內(nèi)的沉積速度，電耗才會有一個比較理想的數(shù)值。

2.4.5減少電氣系統(tǒng)和工藝控制水平對還原電耗的影響這里所說的工藝控制水平主要是多晶硅生產(chǎn)的平穩(wěn)性，即生產(chǎn)過程控制的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)定的物料供應(yīng)，穩(wěn)定的電流控制，硅棒的均勻生長等方面，工藝控制水平越平穩(wěn)，還原電耗就越低。人們對電氣系統(tǒng)的耗電量沒有太多的重視，其實電氣系統(tǒng)對電的消耗還是比較大的，往往會占到還原總量的10%左右，甚至更高。一套好的電氣系統(tǒng)和差的電氣系統(tǒng)的耗電量甚至會相差50%左右，因此電氣系統(tǒng)的日常維護也特別重要。

2.4.6還原爐自身因素對電耗的影響還原爐對電耗的影響主要表現(xiàn)在設(shè)備的運轉(zhuǎn)正常，爐壁的潔凈度等方面。設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)對于生產(chǎn)而言是一個不可或缺的條件，所以平時對還原爐的維修保養(yǎng)非常關(guān)鍵，尤其對一些關(guān)鍵設(shè)備及部件，必須做到預防性維護。爐壁的潔凈度對還原電耗的影響非常大，爐壁越潔凈對爐內(nèi)的熱量產(chǎn)生的效果越好。則爐壁吸收的熱量就越少，這樣爐內(nèi)熱場的損失就越少，所以電耗就會相應(yīng)降低。這一點在日常生產(chǎn)中需要特別注意，每次清洗鐘罩時必須要徹底。例如，通過對國內(nèi)某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)進行鐘罩拋光過的還原爐的生產(chǎn)情況分析發(fā)現(xiàn)每爐次的生產(chǎn)時間縮短8分鐘，TCS耗量減少近6.5%，還原電耗降低12%，效果非常明顯。同時，由于高溫水均來自還原鐘罩的夾套冷卻水，因此高溫水的熱量就相當于還原爐內(nèi)電能產(chǎn)生的，所以對高溫水的綜合利用就相當于對還原電損的利用。

3結(jié)論

多晶硅生產(chǎn)工藝中改良西門子法占據(jù)整個行業(yè)的80%左右，改良西門子法在未來一段時期仍然是多晶硅的生產(chǎn)的主流技術(shù)，但是同國際水平相比較，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)在工藝和設(shè)備技術(shù)的可靠性、先進性、成熟性以及各子系統(tǒng)的相互匹配性都有待提高，同時，國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)的能耗物耗大，成本高，產(chǎn)品缺乏競爭力，為了使國內(nèi)多晶硅市場能健康發(fā)展，那么就需要進一步優(yōu)化工藝，降低能耗和物耗。

作者：楊紫琪 單位：青海黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司