多晶硅生產的節能減排措施

曹 軍

（江蘇中能硅業科技發展有限公司，江蘇徐州 221000）

如今，隨著科學技術的不斷發展，催生了一大批新興的行業，為可再生能源領域提供技術支撐。同時多晶硅的生產和應用也不斷擴大規模。目前，多晶硅一般應用在電力領域以及能源領域。比如電力領域的集成電路以及半導體太陽能裝置等。總之，多晶硅能夠制作單晶硅，構成半導體材料成為多種現代化科技的核心組成部分。從現階段全球能源使用以及儲備情況來看，能源逐漸陷入枯竭的狀態。對此，積極開發可再生能源以及降低資源的損耗，依舊成為現代化世界性的研究課題。太陽能作為一種可再生能源，具有安全性、環保性、存儲量大等特點，受到研究人員的廣泛關注。由于對于太陽能源的充分利用，便需要借助光電效應將太陽能轉換成電能，進而輸出或存儲，以滿足人們的正常需求。在整個過程中便需要多晶硅的作用，同時也對多晶硅的產量提出了較高的要求。總之，需要對多晶硅生產的節能減排措施作出分析，降低生產企業的經濟成本，以實現經濟的可持續性發展，并建設環境友好型社會。

1 針對于目前多晶硅領域的生產狀況分析

由于我國在多晶硅產業的發展階段起步較晚，與西方國家相比還存在著顯著的差距，對此需要積極引進先進的研究策略，努力掌握自主研發技術，以實現國內多晶硅產業的跨越式發展。隨著國內多晶硅生產工藝的不斷完善，使我國多晶硅產量在2018年年底達到400kt，占據全球產能資源的65%。隨著多晶硅生產產量的持續擴張，對生產階段的節能損耗提出了較高的要求。同時也加劇了多晶硅生產企業之間的競爭，使多晶硅生產的經濟效益明顯降低。目前，多晶硅生產企業需要選擇合理的節能生產工藝，降低經濟成本的投入。這是大部分光伏生產企業在多晶硅領域賴以生存的基礎[1]。

除此之外，國內外生產多晶硅一般使用西門子改良工藝，該技術允許電子級和太陽能級同時生產，具備完善的生產工藝和生產流程，能夠滿足基本的產量需求。所以，多晶硅生產企業需要依據西門子改良工藝技術，以實現生產工藝的自主研發。采用改良的西門子工藝技術，對于能源的損耗主要集中在三個方面：一是精餾環節、二是還原環節、三是氫化環節。這三個環節則占據了大部分的能源損耗。

2 針對多晶硅生產的節能方案設計以及生產步驟分析

2.1 分析多晶硅的具體生產工藝流程

改良西門子法是用氯和氫合成氯化氫（或外購氯化氫），氯化氫和工業硅粉在一定的溫度下合成三氯氫硅，然后對三氯氫硅進行分離精餾提純，提純后的三氯氫硅在氫還原爐內進行CVD反應生產高純多晶硅。主要技術是：大直徑對棒節能型還原爐技術，導熱油循環冷卻還原爐技術，還原爐尾氣封閉式干法回收技術以及副產品SiCl4氫化生成SiHCl3技術。這種方法的特點是能量消耗較高、綜合成本低、質量好，采用綜合利用技術，實現物料的閉路循環，對環境污染小，具有明顯的競爭優勢。

2.2 多晶硅生產精餾環節的節能設計

精餾環節是占據多晶硅生產環節能源損耗最嚴重的部分。因為在多晶硅的生產步驟中涉及氯硅烷的精餾操作，該過程需要涉及高水平、高標準的工藝技術。在開展的操作流程中需要遵循較高的技術指標，保證氯硅烷的回流比以及沸點。所以在精餾操作過程中，對于降溫媒介和加溫介質的質量有著與其他環節不同的要求，造成了該環節成為整個生產環節中最耗費能源的一大流程[2]。

現階段，隨著科學技術的高速發展，我國多晶硅生產領域已經逐漸使用高科技含量較高的精餾裝置，如多塔串聯式精餾技術。該技術可以有效利用外界的高溫熱媒介，比如，飽和水蒸氣等，實現對整個塔釜裝置的氣相完成加熱。除此之外，還會在塔釜頂層設置低溫媒介來實現對塔內的氣相完成冷凝操作。采用高新技術的精餾裝置及技術，可以降低能源的損耗，完成能源的循環使用。與此同時，采用高科技的精餾裝置和工藝，在多晶硅生產領域上具有較好的節能效果，而且在整個設備的操作中流程簡單易學，同時也擴大了該項技術在整個領域的推廣。這便有效地降低了多晶硅生產過程的經濟成本投入，進一步實現了節能減排的研究策略。

2.3 多晶硅生產流程在還原熱能的設計方案

目前，國內外在多晶硅生產過程中均是使用改良的西門子技術，使用該技術生產多晶硅，使多晶硅的還原操作占據整個生產過程的重要流程。還原熱能操作可以對多晶硅的產量以及生產成本提供理論依據，以實現節能減排。在還原熱能操作中，主要涉及的操作儀器是還原爐。還原爐內部涉及的生產原理是將三氯氫硅還原成棒狀硅。與此同時，采用創新型的西門子技術結合冷氫化技術進行多晶硅的生產操作，根據生產數據顯示，可以將能源控制在每千克多晶硅綜合電耗降低至60度，大大降低了多晶硅生產對于能源的損耗。

3 針對于多晶硅生產的節能減排研究策略

3.1 采用大型還原爐節能技術的開發研究

由于上述分析了多晶硅生產的工藝流程，對于其中涉及的還原裝置的使用占據了重要地位。由于還原裝置的副產物可以經過裝置內部的循環系統完成重復利用，以滿足節能減排的基本要求。對此，可以在還原爐節能技術上展開一系列的開發與研究。比如，采用多對棒的大型還原爐設備，充分利用熱量資源。不同的還原爐設備對于電能的損耗各有不同，具體種類的還原爐類型耗能量如表1所示[3]。

表1 還原爐類型耗能量

除此之外，根據多晶硅產業的發展初期，自2005年我國多晶硅技術便開始運行。雖然當時較多的核心技術都掌握在國外，但是隨著經濟的發展和科學技術的不斷完善，我國的多晶硅生產技術已經逐漸成熟，比如還原爐設備從最初的18對棒還原爐，已經逐漸增加到72對棒還原爐，逐漸實現了質的飛躍，取得了較高的工作成果。我國在還原爐大型設備的研究過程中，已經能夠明顯的感知到國內技術的突飛猛進，有效降低了多晶硅生產企業在設備生產的經濟投入，符合我國節能減排的基本國策。下一階段我國在大型還原爐節能技術的研究上，需要朝著新材料、新工藝、新技術的領域上，加大科研力度的發展，實現全部技術均處于世界先進水平行列，進一步提高多晶硅生產效率和質量。

3.2 對硅芯熱啟動技術進行優化和處理

如今，在多晶硅生產領域中采用的硅芯熱啟動技術主要涵蓋兩種：一是等離子預熱啟動技術；二是采用硅芯摻雜工藝技術。兩種技術具有的特點不同。對于硅芯熱啟動技術來說，該技術主要側重于節能減排領域的研究，所以該技術可以被廣泛應用在節能設計方面。在等離子預熱啟動技術上分析，該技術是以降低擊穿電壓和溫度來實現作用。同時該技術是目前多晶硅生產最為普及的一種技術。在硅芯摻雜工藝制作硅芯時，可以通過加入一些微量元素，比如硼、磷等，從而降低硅芯的導電率，以便維持硅芯爐的溫度和電壓，降低電流的損耗。

3.3 設計和優化電控系統裝置

由于在TCS還原生產階段對于電能的需求量較大，通過數據顯示，在TCS還原生產階段，電能的消耗占據多晶硅生產整體電能損耗的70%以上。對此，可以通過優化和設計電子控制裝置，以有效降低電力資源的損耗。在改進和設計方面可以通過兩個方面入手：一是改進工藝條件；二是減少有害輻射的危害，依據反應設備的壓力變化情況和溫度的變化情況進行實時調整，使電流和電壓的設定值均處于預先規定的最佳位置，保證電量的正常化使用，以避免浪費的情況。總之，通過設計和優化電控系統裝置可以有效地減少輻射物質對多晶硅生產的危害，進而大幅度地降低電能的損耗，提高產品的質量，起到明顯的節能作用。

3.4 優化和減少生產階段的廢氣

由于多晶硅的生產工藝涉及還原操作，該過程在還原爐內會產生三氯氫硅、四氯化硅以及二氯二氫硅等一些雜質氣體。雖然在還原反應之后還會經過淋洗塔對廢氣進行清洗操作，能夠清洗掉一部分的廢氣，但是還會在尾氣中含有部分的氯化氫液體。對此，可以采用干洗回收操作處理尾氣中的氯化氫，并運用三級水噴淋吸收塔，將干法收集的氯化氫制作成鹽酸。得到的氯化氫氣體可以采用多次的水吸收方式，完成氯化氫尾氣的處理，同時該處理方式是目前最簡便、快捷的操作方案之一。

3.5 優化和減少生產階段的廢水

多晶硅生產環節中會涉及到酸性廢水和含氟廢水的處理。對于酸性廢水的處理，可以使用石灰乳以及沉淀的方式。在沉淀處理階段，可以按照酸性廢水的含量以及酸度來調節化學藥劑的量，從而保證處理之后水的水質。對于含氟廢水的處理，首先使用生石灰將廢水的酸度進行中和。這個操作會使含氟廢水的氟化物形成氟化鈣，以沉淀的方式被處理。之后在廢水中加入硫化亞鐵，以進一步去除氟化物。然后，將處理過的廢水和中和的酸性廢水攪拌在一起，并加入大量的絮凝劑，將含有的廢物進行沉淀操作。最后，將靜止后的液體上層倒出，完成廢水的處理。

4 結語

綜上所述，多晶硅是光伏和半導體產業的重要組成部分，同時利用太陽能資源可以有效地解決資源枯竭型問題。雖然多晶硅的生產和規模持續擴大，進一步地滿足人們的生產和生活需求，但是在生產階段也需要對成本以及環境等方面作出研究分析。這意味著需要在保護環境的同時提高光伏企業的經濟效益。除此之外，還需要建立光伏多晶硅循環經濟園以及建設完備的信息管理系統，實現多晶硅生產企業的一體化流程。希望通過本文對多晶硅生產的節能減排研究策略，對相關領域研究人員起到借鑒價值，促進我國多晶硅企業的高速發展。