多晶硅生產中能耗的分析及節能的途徑

李宏盼

【摘 要】在現代工業不斷發展與進步的同時，多晶硅產業面臨著巨大的機遇與挑戰，但是在如今世界的大環境之下，多晶硅的價格不斷降低。在如今，只有逐步改善多晶硅生產中的能耗問題，達到節能的要求才能夠解決多晶硅生產中能耗過大的問題。正是因為多晶硅的能耗過大才導致近年來我國多晶硅產業出現虧損的問題，因此積極研究多晶硅生產中的節能方法是現階段面臨的主要問題。

【關鍵詞】化工工藝;多晶硅;節能途徑

多晶硅是制造集成電路襯底和各種半導體器件的單晶硅、太陽能電池等產品的主要原料。多晶硅可以用于制備單晶硅，廣泛用于半導體工業中，作為人工智能、自動控制、信息處理、光電轉換等器件的基礎材料。同時，由于能源危機和環境保護的要求，全球正積極開發利用可再生能源，多晶硅市場前景被業內人士看好，未來多晶硅行業的競爭將成為多晶硅先進技術及生產成本的競爭。

一、多晶硅產業的現狀

我國的多晶硅生產工藝相對還處于比較落后的階段，盡管近些年來不斷有新的政策對這一行業進行鼓勵，但是在重點生產工藝上還依賴于西方發達國家。在現如今世界經濟的大環境下，我國的各個多晶硅生產企業面臨著巨大的挑戰，很多的企業都處于破產的邊緣，只有那些擁有創新性技術以及強大資金為后臺的企業仍在支撐著。到目前為止，我國的眾多多晶硅企業只有提高其核心競爭力才能在如今的大環境下站穩腳步。而對于這些企業來講，多晶硅企業核心競爭力的重要體現就是在生產工藝的節能上。只有通過研發高效的節能技術，才能維持多晶硅的生產與企業的運營，所以綜合來講多晶硅的生產過程中最重要的技術就是節能技術，只有有效的降低多晶硅生產過程中的能耗才能提高企業的實力，提升企業的核心競爭力。

二、多晶硅生產中能耗的分析

1、精餾系統產生的能耗

在精餾提純工藝中，通常會采用多級精餾提純來實現對三氯氫硅的提純。但是，在使用多級精餾提純工藝的過程中，其將需要消耗大量的能量，而國內企業在實際生產的過程中，也會使用到差熱偶精餾法，而此種方法的主要原理是利用制造不同的壓力差，從而達到精溜的目的;所以，差熱偶精餾法在使用的過程中，通常會設置加壓精餾以及低壓精餾兩個部分。

2、制備氫氣時的能耗

在多晶硅生產過程中，高純氫氣是一種極為重要的生產原料，其在生產過程中充當著還原劑。通常情況下，多采用裂解制氫、水電解制氫以及化工生產副產物氫氣利用等方法來獲得高純度氫氣。最早使用的制氫方法為電解制氫技術，其原理在于將電極插入電解質溶液當中，并通以直流電以電解鹽水，從而在電極陽極產生氧氣，陰極產生氫氣，最后經過脫除技術將氧氣去除后得到氧氣。一般要產生1m3（標）的氫氣需耗費3.99～5.12kW·h，這徐往往需要消耗大量的電解制氫成本以及電耗。目前我國仍有不少企業采用該方法制氫。

3、還原所產生的能耗。

一般情況下，還原電耗與綜合電耗是衡量多晶硅生產過程中電耗的指標。還原電耗可以有效將還原爐的耗用量反映出來。在整體多晶硅生產過程中，降低還原電耗可以在很大程度上有效控制多晶硅生產的能耗。

三、多晶硅節能降耗措施

1、冷氫化節能技術

在多晶硅的生產過程中會產生大量的副產物四氯化硅，大量的副產物需要進行妥善的處理，如若處理不當則會對環境造成嚴重的危害，因此在這過程中就要求我國的多晶硅生產企業嚴格按照要求對副產物進行處理，避免其對生態環境造成破壞，甚至是造成不可挽回的后果。同時在這過程中應用冷氫化節能技術能夠將四氯化硅轉化成三氯氫硅供多晶硅還原使用，做到最大限度的循環利用，在很大程度上進行節能工作，減少能源的損耗。

2、精餾系統的節能途徑

（1）通過大量的模擬計算、資料研究以及實驗驗證，可將大型加壓、高效、高溫的三氯氫硅提純工藝運用到多晶硅原料提純系統中，把二塔的高溫氣體應用到加熱配套塔進料，從而降低了塔頂循環水以及蒸汽的消耗，減少了45%的能耗。

（2）應用反應精餾技術。TCS精餾提純的原理主要在于將P、B、C、金屬雜質以及其他非金屬雜質除去，雜質含量越低，其能耗就越低。當前主要有濕氮除硼技術以及硅膠除硼法，均是將一定量的物質加入到精餾反應當中。其中，濕氮除硼技術主要是往其中加入含有水分的氮氣與氫氣，硅膠除硼法主要是添加硅膠。

（3）可以采用熱偶精餾、多效精餾、熱泵精餾等高效精餾方法來有效利用精餾塔系統塔頂蒸汽，以達到節能降耗的效果。

3、還原過程

就多晶硅的整個生產過程來說，電能的消耗主要包括綜合電耗以及還原電耗這兩部分，而其中的還原電能消耗指的是反應還原爐的耗用量，并且在整個改良西門子法的制備工藝的具體操作流程中，還原電耗約是整體能耗的一半，在整個能源損失中占有最大的比例，所以這樣看來還原過程的工藝非常需要改進和調控，如果能進其控制好、改善還，那么這對整個生產過程的節能降耗將起到巨大且良好的作用，目前主要通過改善還原過程工藝、開發挖掘節能型還原爐等來實現對還原過程電耗的調控。

4、提純系統中的節能

在多晶硅的提純階段中，通過將BX雙層網技術的應用，能夠在很大程度上解決多晶硅在提純環節中容易出現的產品質量低、穩定性差、生產耗能過高等問題，在提純的技術引入BX雙層網中能夠提升生產工藝的可操作性，同時能夠在很大程度上提高提純的效果、降低能源的損耗。

四、結束語

我國的多晶硅行業市場競爭一直很激烈，且其在我國的發展時間較短、目前的制備成本相對于國外而言仍然過高，所以長期深受國外市場的牽制，發展的不是很理想，因此多晶硅制備過程中的相關節能措施非常重要，目前實行的針對各生產環節的能耗現象來采取節能措施的策略也已經有了一定的成果，逐步提高相關行業的競爭力。

【參考文獻】

[1]李英.多晶硅生產中能耗的分析及節能途徑探究[J].化工設計通訊，2016，42（10）：105-106.

[2]柯曾鵬，楊志國，劉繼三.多晶硅行業生產節能有效途徑探討[J].化學工程，2013（3）：75-78.