多晶硅化工生产中的节能综合利用

多晶硅化工生产中的节能综合利用

仇敬诚,满慈皊

江苏中能硅业科技发展有限公司 江苏 徐州 221000

摘　要：目前，太阳能技术和电子技术不断发展，多晶硅作为重要的应用原料，其生产和制作水平也不断提升。在多晶硅制作的过程中，精馏、还原和尾气回收装置会消耗较多的能量，约占整体蒸汽耗量的95%。主要就多晶硅化工生产中的节能综合利用进行了阐述和分析。

关键词：多晶硅；化工生产；节能

1. 多晶硅化工生产技术现状

1.1精馏节能技术降低能耗，减少污染

人员可以通过一些计算和分析资料、实例验证，通过加大压力，将高温三氯氢硅的提纯工艺运用到原料提纯系统中，在加热配套塔中，将二塔的高温气体用于进料，从而降低塔顶的水循环以及蒸汽的能耗，可以减少将近一半的消耗。

还可以利用反应精馏技术，精馏方法的使用主要在于将一些金属物质排除出去，还包括一些非金属物质，只有将杂质清除干净，才能降低能耗，因为杂质含量越低，能耗就越低，目前清除杂质的方法有湿氮除硼技术和硅胶除硼法，都是将一些物质加入到精馏反应中，其中，采用湿氮除硼技术是将含有水分的氮气和氢气加入其中，而硅胶除硼法是在其中添加硅胶，除此之外，还能够采用多效精馏和热精馏的方法有效利用塔顶蒸馏系统，已达到节约能耗的效果。

1.2提高光电转换效率，降低生产成本

在多晶硅的生产当中，需要提高光伏材料的转换效率，另外还需要降低太阳能电池的制造成本，这是我国光伏企业一直以来追求的两个目标，在太阳能装置中，多晶硅硅片是其中的核心部分，硅片也能够将太阳能转化为电能，硅片的质量也对太阳能转化的质量起着至关重要的作用。通常情况下，太阳能的光电转化率能达到10%，但如果是高纯度的硅片，就能将太阳能电池转化21%以上，所以对于太阳能电池的生产，多晶硅起着十分重要的作用。

1.3多晶硅材料是整个光伏发电成本中最高的部分

在一些光伏企业中，多晶硅的材料成本费用达到了太阳能生产总成本的一半以上，占据了网光伏发电系统成本的30%。所以，进一步减少多晶硅材料的生产成本，可以加大硅企业的市场竞争力，也能够推动整个光伏产业链的发展，针对该问题，合理的应对措施有引入先进的生产硅材料的设备，比如分离传质设备，一些设备能够实现筛选与精馏过程一体化，并能够促进有效清洁，然后需要引进先进的蒸馏设备，需要是精馏装置，这样可以提高多晶硅的生产产量，实现多晶硅的大型化。引进和使用大型的合成炉和还原炉，帮助更好地进行还原反应，现阶段，一些太阳能电池的原材料多数为多晶硅片制成的，而且在未来也会使用很长一段时间，都不会被代替，多晶硅产品的生产工艺要求较严格，行业技术进步较快，投入的科研经费较多。在生产中，涉及到的副产物与三废处理技术投入较大，可以很好地起到保护环境的作用，并形成了产业链，初具规模。在将来，也会有多家企业意识到人才、生产成本以及产品质量的重要性。

2.多晶硅化工生产中耗能分析

2.1尾气回收耗能

在传统的尾气回收装置中，先利用循环水冷却贫液，再将贫液送入吸收塔，与富液进行热交换，以达到降温的目的。热交换处理后，吸收塔进料温度会降到15~25℃，尾气回收解析塔再沸器的容量为5000t/a，热量为10500kW，即每小时会有15t蒸汽产生，该工艺对贫液中的热能并没有充分利用，造成能源的浪费。利用解析塔进料富液，使其与贫液再一次进行热交换，提升解析塔进料温度，可以达到75~80℃，再降低塔底贫液温度，以及吸收塔冷冻能够符合，进而控制解析塔对热量的需求，可以降低4900kW，同时节约蒸汽用量，可以减少7t/h。

2.2精馏耗能

精馏单元具体可以分为三个部分，分别是合成、还原回收和冷氢化。在多晶硅生产的过程中，精馏是耗能最多的环节之一。该生产工艺对氯硅烷精馏有很高的要求，其主要体现在分离、全塔组分组成、回流比等方面，其中各组分相互接近，回流比要大于再沸量，所以需要应用许多冷媒和热介质。在实际生产过程中，为了降低制冷能耗，可以将深冷水换为常温冷却水，利用常温冷却水使冷凝器冷却。目前比较常用的精馏法为加压精馏，这种方法能够提升冷凝温度。传统的精馏系统热源会直接用蒸汽加热，精馏量为5000t/a时，需要47698kW的热量，所需蒸汽量为每小时68t。采用多效精馏的方式，可以降低能耗，利用高能位塔排放的能量驱动低能位塔，进而满足节能的需求，采用差压耦合的工艺技术，转变原有的除轻、除重塔，从分离塔输入物料或在塔釜采出STC换热，以节约热量消耗，具体节约18905kW，节约蒸汽27t/h。

3.多晶硅化工生产中的节能综合利用措施

3.1副产物循环利用

在多晶硅生产制作时，原料成本费在总成本中所占比例较大，约为30%~40%。利用改良西门子工艺进行生产，氯硅烷是主要应用材料，以该材料为主的硅烷流化床在生产多晶硅的过程中会伴随许多副产物。为了减少生产成本，提升副产物的应用效率十分重要。其中，副产物循环利用技术是关键技术，如将SiCl4氢化变为SiHCl3。SiHCl3可以用于多晶硅生产，且市场价位较高，其价格浮动变化也比较频繁。如果能够利用氢化技术分解SiCl4，能够实现副产物综合利用的研究目的，进而节省材料费用，降低多晶硅生产的总体成本费用。在目前的氢化技术中，等离子氢化技术还有待完善，但热氢化和氯氢化技术相对成熟，甚至可以形成完整的产业链，与传统的氢化技术相比，热氢化技术的成功率更高，可以处理更多的副产物，且无需尾气回收装置，可以进一步减少成本的投入。

3.2沉积工艺完善

通常，应向单位沉积电耗的因素有很多。如H2与SiCl3的摩尔比、还原压力、硅棒表面温度等。为了提升沉积效率，可以提升炉内压力或增加SiH2Cl2的用量，进而加大含硅气体进料量，促进沉积速度、收率的提升，以达到节约电耗的目的。在实际生产的过程中，初期还原阶段会消耗较高的电量，在开始沉积之后，多晶硅电耗会随之下降，且下降速度较快。如果硅棒生长时间为20~40h，还原反应过程的电耗会逐渐下降。在最后的沉积阶段，电耗会降到最低，基本没有再降低的空间，在这个阶段，可以对多晶硅棒的致密度进行优化，不仅节约耗能，还能提升产品质量。

3.3沉积装置创新

在沉积装置完善和创新方面，可以采取以下两种方法：第一种，加大多晶硅还原炉规模，对其进行大型化处理。大型的还原率可以更加充分的利用热量，从而控制热能的损耗。目前，我国大部分相关企业都采用18对棒的大型还原炉，一些资金条件比较优越的企业会采用24或36对棒，也有一些企业开始对48对棒进行研究和投入。第二种，应用高反射涂层技术。还原炉炉筒内壁的辐射指数会影响耗电量，由于某些金属的辐射指数并不高，如金、银等金属，可以利用该特点，将辐射在这些金属上的热量进行反射。所以，可以在还原炉内壁涂抹一层金或银，以减少电耗。实验表明，相同状态下，筒壁辐射指数可以从原来的0.7下降到0.2，如果还原炉型号为12对棒，则每千克多晶硅电耗可以下降到45kWh，节约了25kWh的电耗。但该方式也存在一定的弊端，即金银涂层成本较高且易脱落。针对此类问题，可以在红外范围内开发新型涂料，利用新型涂料来代替金银层，并满足节能效果，从而解决节能和成本无法共存的问题。

参考文献

[1]涂志文.多晶硅生产的节能减排措施[J].江西化工，2018，139（5）.

作者简介：

仇敬诚，汉，男，1987年3月出生，江苏徐州人，本科，化工中级工程师，主要研究方向为化学工程与工艺。

满慈皊，汉，女，1983年7月出生，江苏徐州人，本科，化工中级工程师，主要研究方向为化学工程与工艺。