多晶硅生產(chǎn)的節(jié)能降耗研究

鄭盛濤

（石河子大學(xué)，新疆石河子 832000)

多晶硅生產(chǎn)的節(jié)能降耗研究

鄭盛濤

（石河子大學(xué)，新疆石河子 832000)

隨著當(dāng)前環(huán)境污染與能源浪費(fèi)問題的日漸突出，促使人們也開始將目光更多的轉(zhuǎn)向?qū)π履茉吹拈_發(fā)與利用，太陽能是目前人類在新能源應(yīng)用領(lǐng)域開展最廣泛的一項(xiàng)內(nèi)容。在光伏與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)過程中，多晶硅是其中必不可少的一項(xiàng)生產(chǎn)原材料，因此針對多晶硅生產(chǎn)的節(jié)能降耗展開相關(guān)的研究工作意義重大。分析了當(dāng)前多晶硅生產(chǎn)的主要工藝流程，并提出了優(yōu)化電控系統(tǒng)、優(yōu)化提純工藝、廢物廢熱利用等具體的節(jié)能降耗措施，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)研究人員提供一些有價(jià)值的參考。

多晶硅；生產(chǎn)工藝；節(jié)能；太陽能

隨著目前新能源市場的快速化發(fā)展，太陽能電池產(chǎn)業(yè)也取得了巨大的發(fā)展成就，而在整個(gè)太陽能電池市場中多晶硅太陽能電池約占到總額的90%以上，并且這一材料在未來的很長一段時(shí)間內(nèi)將仍是太陽能電池行業(yè)的主要材料。因此，企業(yè)在面臨激烈的市場競爭時(shí)，只有不斷探索相關(guān)節(jié)能降耗新技術(shù)，生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更低能耗與成本的多晶硅光伏產(chǎn)品，才能夠?qū)崿F(xiàn)對企業(yè)競爭力的全面提升，并最終促成企業(yè)經(jīng)濟(jì)利潤與社會效益的共贏。

1 多晶硅生產(chǎn)工藝分析

目前在多晶硅產(chǎn)生過程中所采取的工藝流程主要就包括了以下5個(gè)方面的內(nèi)容，現(xiàn)具體分析如下：

1）合成三氯氫硅。將氯化氫和粗硅粉置于環(huán)境溫度約為300℃，大氣壓約為0.3MPa的條件下，便可合成出三氯氫硅。

2）精餾。將合成之后的三氯氫硅通過多級精餾，使其能夠達(dá)到99.999 9%級別的純度水平，將其中所包含的各類雜物徹底清除。

3）還原。將經(jīng)過提純之后的三氯氫硅和氫氣置于環(huán)境溫度約為115 0℃，大氣壓約為0.6MPa的條件下，便可在導(dǎo)電硅芯之上沉積產(chǎn)生出高純度多晶硅材料，硅芯電壓最大能夠達(dá)到55kV，最大電流能夠達(dá)到5 500A。

4）氫化。三氯氫硅在合成以后，四氯化硅可在環(huán)境溫度約為1 300℃，大氣壓約為0.65MPa的條件下通過高純度氫氣還原生成三氯氫硅，在化學(xué)反應(yīng)過程當(dāng)中其溫度熱力主要是來源于氫化爐內(nèi)的導(dǎo)電石墨電極。

5）尾氣回收。將氫化尾氣內(nèi)的氯硅烷、氯化氫、氫氣等利用尾氣回收裝置經(jīng)過分離處理之后便可再次進(jìn)行重復(fù)利用。

這一工藝流程即為通過閉環(huán)生產(chǎn)方式來進(jìn)行多晶硅產(chǎn)品的生產(chǎn)，是多晶硅生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)主流技術(shù)手段，其所產(chǎn)生出的能源耗損大都來自于精餾工藝蒸汽和還原氫化工藝電耗兩部分。不同供料和功率比值之時(shí)的還原爐一次還原率情況如下圖1所示。

2 節(jié)能降耗措施

基于現(xiàn)代理念下的化工產(chǎn)品生產(chǎn)，越來越注重生產(chǎn)過程的節(jié)能性，目前行業(yè)內(nèi)在節(jié)能降耗方面的研究也投入了大規(guī)模的人力、物力來開展新型節(jié)能技術(shù)的研發(fā)工作，也有許多新的工藝技術(shù)不斷問世，現(xiàn)介紹集中目前較為主流的多晶硅生產(chǎn)節(jié)能降耗措施。

圖1 不同供料和功率比值之時(shí)的還原爐一次還原率情況

2.1 優(yōu)化電控系統(tǒng)

多晶硅的生產(chǎn)過程當(dāng)中對于電力能源的耗損十分龐大，對此可借助于對供電能源控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)來達(dá)到降低電能耗損的目的，具體可由以下兩方面來著手實(shí)施：①依據(jù)工藝條件對電壓與電流進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，也就是結(jié)合反應(yīng)爐的實(shí)時(shí)性溫度條件以及壓力情況來調(diào)控電流及電壓，最終確保電流與電壓能夠達(dá)到最優(yōu)化配置；②降低電磁與其他有害輻射對產(chǎn)品本身所造成的損傷，例如采用特殊形式所設(shè)計(jì)出的電控系統(tǒng)，可大幅度降低還原爐當(dāng)中的電磁輻射，此舉不但能夠大大縮減倒?fàn)t次數(shù)，同時(shí)還有助于減小還原電壓力值。

2.2 優(yōu)化提純工藝

在進(jìn)行三氯氫硅提純處理之時(shí)，主要是要將其中的金屬與非金屬雜質(zhì)徹底清除，當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)提純技術(shù)即精餾技術(shù)，選用先進(jìn)的提純技術(shù)與精餾技術(shù)可大幅度降低能源耗損。可將精餾塔分成多個(gè)不同能位的結(jié)構(gòu)形式，能位級別相對較高的塔頂蒸汽能為再沸器供熱，并且其自身也將會被冷凝。由此，在多效精餾塔內(nèi)，僅需在首個(gè)塔釜中添加能量，末尾塔頂蒸汽可采用冷卻介質(zhì)做到冷凝，其余各塔無需額外再進(jìn)行供熱及冷卻，因此節(jié)能效果極為明顯。通過理論計(jì)算來看，和單塔結(jié)構(gòu)相對比而言，雙塔所構(gòu)成的雙效精餾節(jié)能效果能夠達(dá)到52%以上，三效精餾塔節(jié)能效果則可達(dá)到69%以上，四效精餾節(jié)能效果可達(dá)到77%以上。

2.3 廢物廢熱利用

2.3.1 廢物利用

在多晶硅生產(chǎn)階段會有大規(guī)模的廢氣、廢液產(chǎn)生，傳統(tǒng)處

理方式是利用堿液淋洗，這將會導(dǎo)致大規(guī)模的高鹽分廢水生成，這些廢水不但會對環(huán)境造成嚴(yán)重影響，也是一種資源浪費(fèi)行為。對此，有部分廠家就通過采用焚燒處理的方式來回收廢物中的二氧化硫與濃鹽酸等物質(zhì)，同時(shí)在焚燒過程中所產(chǎn)生出的熱能還能夠用于結(jié)晶蒸發(fā)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對廢水的回收利用。

2.3.2 廢熱利用

在還原與氫化工藝環(huán)節(jié)會產(chǎn)生出大規(guī)模的熱量，這些熱量大多會被循環(huán)水帶走，循環(huán)水的溫度與壓力均相對較高，傳統(tǒng)工藝主要是利用空冷與冷卻水循環(huán)方式帶走。而目前部分企業(yè)通過工藝改造，把這一部分熱水應(yīng)用在了溴化鋰鍋爐制冷環(huán)節(jié)，取得十分顯著的應(yīng)用效果。

3 結(jié)束語

總而言之，伴隨著當(dāng)前國家對于新能源發(fā)展與利用在政策層面上的大力支持，必定會促進(jìn)多晶硅產(chǎn)業(yè)的高速化發(fā)展。面對當(dāng)前競爭激勵(lì)程度日漸加劇的國際市場，只有掌握技術(shù)與成本優(yōu)勢，才能夠始終屹立于巨大的市場沖擊影響，促使企業(yè)在激烈的市場競爭中處于不敗地位，因此節(jié)能降耗工作的有序開展也將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要途徑。

[1] 柯曾鵬，楊志國，劉繼三，等.多晶硅行業(yè)生產(chǎn)節(jié)能有效途徑探討[J].化學(xué)工程，2013，41（3）.

[2] 嚴(yán)大洲，楊永亮，張升學(xué)，等.多晶硅能耗分析與節(jié)能實(shí)踐[J].電子科學(xué)技術(shù)，2014，（2）.

[3] 劉建海，李萬存，郭蔡民，等.多晶硅行業(yè)生產(chǎn)節(jié)能有效途徑解析[J].中國化工貿(mào)易，2015，7（24）.

[4] 鄭盛濤.多晶硅生產(chǎn)中能耗的分析及節(jié)能對策分析[J].環(huán)球人文地理，2016，（4）.

Study on Energy Saving and Consumption Reduction of Polycrystalline Silicon Production

Zheng Sheng-tao

With the development of the environmental pollution and waste of energy issues have become increasingly prominent，the people also began to look more to the development and utilization of new energy，solar energy is the human to carry out a content most widely used in new energy applications.In the production process of photovoltaic and semiconductor industry，polysilicon is one of the essential raw materials for production.Therefore，it is of great significance to carry out relevant research on the energy saving and consumption reduction of polysilicon production.This paper analyzes the main process of polysilicon production at present，further put forward the optimization of electronic control system and optimization of the purification process of waste，waste heat utilization of energy saving measures，hoping to provide some valuable reference for the related researchers.

polycrystalline silicon；production process；energy saving；solar energy

TQ127.2

A

1003–6490（2017）11–0212–02

2017–09–26

鄭盛濤（1983—），男，山東濰坊人，助理工程師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程與工藝。