多晶硅生产节能降耗技术研究与分析

多晶硅生产节能降耗技术研究与分析

蒋振杰   ,郝鑫

新疆协鑫新能源材料科技有限公司  新疆昌吉  831100

摘要：随着社会经济水平的不断提升，人们在发展的过程中逐渐意识到环保的重要性，工业生产逐渐朝着低碳化方向发展，多晶硅的生产亦是如此，多晶硅节能生产技术在提升经济效益的同时有效降低了环境污染。基于此，研究多晶硅生产过程中的节能降耗技术具有强烈的现实意义，能够进一步预防污染、减少浪费、降低成本。

关键词：多晶硅；生产；节能；降耗

引言

作为电子信息化产业和太阳能光伏发电产业的重要原料，多晶硅的生产受到行业内外的关注。伴随着技术水平的提升和工艺水平的成熟，多晶硅生产成本逐渐平价化，多晶硅生产企业的利润空间也在不断压缩，高成本落后的生产技术被逐渐淘汰。原料和能耗是多晶硅生产的主要成本，原料成本短期内难以降低，而能耗成本则可以通过技术革新降低，因此不少企业在降低能耗方面下了功夫，以此节省成本投入，本文以此为出发点分析了当前我国多晶硅生产的现状，研究了节能降耗策略，希望能够丰富该领域的理论成果，从而为多晶硅企业的生产与发展提供借鉴。

1.多晶硅发展的现状

我国许多能源都是不可再生资源，尽管国家不断倡行节约环保，但是能源消耗量仍在不断增加，国家出台的相关措施也未能有效遏制能源枯竭问题，因此可再生能源的研究得以被重视和发展起来，加之受到气候变化的不良影响，新能源研发迫在眉睫。太阳能作为新能源是近年来是炙手可热的产业，多晶硅则是太阳能产业的重要基础原料，多晶硅的生产得到了快速发展。“十三五”期间我国出台一系列鼓励光伏发展政策，我国多晶硅产量已居全球第一。“十四五”期间我国光伏装机将持续扩大，需求增长，多晶硅企业竞争力增强。在成本和质量的要求下，目前市场上万吨以下的落后小产能以及海外高成本旧产能基本被淘汰，龙头企业持续加码低成本产能扩产，市场份额不断向头部企业集中，2020年国内多晶硅行业CR5从2018年的59%提升至88.54%。但从从国内整体产能来看，我国光伏产业仍存在“低端市场结构性过剩，高端市场产能严重不足”的问题，按现有市场形势发展，我国光伏行业急需向高端制造转型。

2.多晶硅生产的能耗构成

多晶硅生产流程大致可以分为三氯氢硅合成、三氯氢硅提纯、三氯氢硅还原、尾气干法回收、硅棒处理和包装几个主要环节[2]。多晶硅的能耗由电耗、蒸汽消耗、水耗三部分组成，其中电消耗占多晶硅总能耗的95% 左右，是多晶硅生产能耗的最主要构成部分。多晶硅的电耗构成中三氯氢硅还原工序所消耗的电能达到了总电耗的75%~80%，尾气干法回收工序占比5%~7%，三氯氢硅合成工序占比5%~6%。另外，蒸汽消耗占多晶硅总能耗的3%~5%，其中三氯氢硅提纯工序占蒸汽总消耗的35%~40%，尾气干法回收工序占蒸汽总消耗的25%~30%，四氯化硅氢化、还原工序分别占蒸汽总消耗的15%~20%。

3.多晶硅生产中的节能降耗策略

3.1优化还原工艺降低还原电耗

还原作为改良西门子法生产多晶硅的核心工艺，其能耗、物耗均占据成本份额的1/3以上，还原装置包含：三氯氢硅汽化器、三氯氢硅过热器、静态混合器、进气加热器、尾气换热器、还原炉、尾气冷却器、炉筒冷却系统、停炉冷却系统、电极冷却系统、调功冷却系统、配电系统等。

（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。我国的还原炉已从24对棒发展至45对棒，在此基础上的多晶硅生产的节能降耗效果已经有了较大的提升，但是仍与发达国家节能标准存在较大差距。因此，相关企业和技术人员要加大投入，不断优化和升级大型还原炉节能技术，在提升多晶硅的单炉生产产量的同时减少能源消耗和资源浪费，使得多晶硅生产效益得到进一步提升。 

（2）硅芯热启动技术。作为最常见的节能技术，硅芯热启动技术在节能方面独具优势因此得以广泛应用。其优势体现在以下方面：第一，降低硅芯炉的温度。该技术应用时会首先预热等离子，再对其中的等离子体进行加热，使得硅芯炉的温度和击穿电压得以降低，实现节能目标[3]。第二，降低导电率。对导电率的降低是通过添加杂质的方法降低的，该方式使得硅芯在生产使用途中的电流、温度有效降低，实现节能降耗。

（3）热场控制优化。通过进一步优化还原炉温场的方式，在匹配反应温度的基础上增加物料气的停留时间，进而提高多晶硅的沉积速度，减少能耗、物耗的摊销，以达到节能的目标。

（4）提升沉积速度。结合动力学模拟综合考察各因素对硅棒表面的硅沉积速率、反应温度、炉内流场等影响多晶硅生长规律，通过调整喷嘴形式、反应温度、物料与氢气比例等手段，提升多晶硅沉积速率，降低还原电耗。

3.2优化副产物利用工艺

二氯二氢硅和四氯化硅和是多晶硅生产中的主要副产物[4、5]。冷氢化法是多晶硅工业生产的副产物四氯化硅回收利用的主要工艺，这种技术被少数发达国家垄断，国内从2011年开始经过多家硅基新材料公司的不断探索，四氯化硅等副产物回收循环利用技术已经相对成熟。将副产物二氯二氢硅经由歧化装置生成三氯氢硅；将四氯化硅回收以后，作为氢化装置的原料加氢可生成三氯氢硅，解决副产物的综合利用问题，同时生成的三氯氢硅还可以作为多晶硅生产原料重新使用，有效实现各副产物的循环利用，显著降低了综合能、物耗及三废排放量，降低了生产成本。

3.3尾气干法回收工艺优化

作为精馏系统中的关键部分，尾气干法回收工艺的节能之处体现在它利用冷凝、压缩、吸附等方式[6]，分离还原氢化尾气中大量的氢气、三氯氢硅、二氯二氢硅以及氯化氢，使得尾气返回各装置二次循环使用。将还原装置送来的混合气体进行分离回收，分离得到的氢气经氢气压缩机加压后在吸收塔中与氯硅烷接触分离其中氯硅烷。吸收塔顶出来的氢气经吸附塔分离其中的氯化氢，吸附塔顶出来的洁净氢气返回还原装置循环利用。吸收塔釜出来的氯硅烷经蒸馏塔分离其中的氯化氢，塔顶出来的氯化氢送往氢化循环利用。精馏塔塔釜采出的氯硅烷分离得到四氯化硅、三氯氢硅、二氯二氢硅，分别送往氢化、还原、歧化进行循环利用。尾气干法回收工艺对于环境保护大有裨益，它可以有效降低有害气体且实现尾气的循环利用，废气的利用率在此基础上得到了提高，节能降耗的目的也进一步实现了。

3.4废物及废热的利用

如何利用废物和废热是当前多晶硅生产需要重点关注的问题，其生产过程会消耗大量原料和电能，产生的废物和废热如果处理不好将会对环境造成巨大污染，这是因为多晶硅生产过程会遗留大量的高艳芬废水，废水处理较为棘手，一旦处理不当就会加剧污染和浪费。因此，企业和技术人员要致力于研发新技术，做好废水回收利用，节约成本，保护环境。现阶段部分企业采用的废气焚烧方式，达到了有效利用废水的目的。此外，还要注重多晶硅生产遗留的大量废热，循环水会带走废热，为了避免浪费要好好利用这些热能，可以改造相关生产工艺，回收利用热水，以便二次利用。

3.5建立多晶硅产业循环经济园区

产业循环经济园区的建立使得产业得以集聚，人力、物力成本可以大幅度降低，多晶硅产业的能耗也会随之降低。产业实现集聚和循环，当地资源可以被充分利用，例如煤矿资源丰富地区，其地域优势能够充分发挥出来。多晶硅相关产业链以工业硅、高纯度多晶硅、太阳能电池为主，伴随着辅助产业，发展起来以后能够提升资源的利用效率，体现集聚效应，还能使得原料废物和生产废物得以集中处理，生产和管理实现一体化，这样一来，节能降耗得以从根本上实现。

4.结语

综上所述，多晶硅市场前景广阔，作为电子信息产业和太阳能行业必不可少的原料，多晶硅占据重要地位，激烈的市场竞争使得多晶硅生产技术面临进一步挑战，因此想要在市场竞争中占据有利地位就要降低生产成本，基于此，相关企业要从生产阶段把控技术和质量，不断优化和创新节能技术，不断提升多晶硅产业的竞争力和市场地位，促进我国多晶硅产业的不断发展，推动我国多晶硅产业迈向新的台阶。

参考文献：

[1] 梁志武，陶升东，符开云，等.西门子法生产多晶硅还原过程节能降耗的模拟优化[J].化学工程，2014（7）：1- 5.

[2] 王琼. 多晶硅生产中还原尾气回收过程的节能降耗 Aspen Plus模拟研究[D].长沙：湖南大学，2014.

[3] 王倩.多晶硅生产中节能降耗分析[J].中国战略新兴产业，2017（12）：143.

[4] 潘红星, 曾亚龙, 朱明, 等. SiCl4氢化技术的应用现状及研究进展[J]. 材料导报, 2013, 27(5): 154-156.

[5] 龙雨谦, 刘颖颖, 叶龙泼, 等. 四氯化硅催化氢化制备三氯氢硅[J]. 工业催化, 2012, 20(8): 26-30.

[6] 张志刚，蒋国瑜，杨永亮，等.多晶硅生产中氢气消耗分析及优化[J].世界有色金属，2017（2）：32- 33.