多晶硅生產節能技術研究

謝 巖，張 然，王永亮

（新疆協鑫新能源材料科技有限公司，新疆昌吉 831800）

多晶硅是電子信息化產業和太陽能光伏發電產業的基礎原材料，是上述行業的最上游產品。光伏太陽能行業自1955年西門子法多晶硅生產制備技術面世以來，共歷經三代技術革新形成了現行的改良西門子法，其所生產的高純多晶硅成本下降到45～55元/kg，已具備平價上網的前提條件。隨著各個企業的自主研發和技術引進，國內企業逐步擺脫了國外的技術封鎖，隨著多晶硅工藝技術的日漸成熟，以及大型化、規模化裝置的迅速投產，截至2019年底國內多晶硅產量達到342kt，中商產業研究院預測2020 年我國多晶硅產量將達到450kt。可再生能源巨頭公司Statkraft 發布了其對全球能源趨勢的第四次年度分析稱：隨著可再生能源成本下降，太陽能將在2035年成為世界上最大的電力來源，截至2050年，太陽能光伏和風能將占全球發電總量的70%。

隨著“5.31”政策的發布和光伏平價上網的需要，多晶硅企業開始進入“微利”時代，產能的擴張和成本的降低倒逼高成本的落后產能被快速清退。多晶硅的生產成本主要由原輔材、能耗構成，受市場影響原輔材成本難以實現快速降低生產成本，而能耗動力通過技術革新可以實現快速降本，是企業重點關注的降本途徑。

隨著行業發展，多晶硅生產制造企業逐漸向規模化、集中化的方向發展，現階段多晶硅企業的普遍規模均在萬噸以上，平均綜合電耗下降至70kW·h/kg，部分企業甚至已低于60kW·h/kg。多晶硅生產成本的降低受益于近年來的技術突破，使得能耗快速降低，根據GB 29447—2012《多晶硅企業單位產品能源消耗限額》中的規定，單位能耗高于27.85kgce/kg-Si的企業就屬于高能耗企業，而在2019年多晶硅生產企業的平均綜合能耗已下降到12.5kgce/kg-Si，2025年預測這一指標可以繼續降至10.1kgce/kg-Si。

本文通過分析多晶硅節能技術的發展更替、現行技術的發展方向，并結合前沿技術的革命性思路，對未來多晶硅生產節能技術的發展進行展望，為企業降低多晶硅生產能耗提供理論指導。

1 多晶硅生產的能耗構成

多晶硅生產流程大致可以分為三氯氫硅合成、四氯化硅氫化、三氯氫硅提純、三氯氫硅還原、尾氣干法回收、硅棒處理和包裝幾個主要環節。多晶硅生產工藝流程見圖1。

圖1 多晶硅生產工藝流程

多晶硅的能耗由電耗、蒸汽消耗、水耗三部分組成，其中電消耗占多晶硅總能耗的95%左右，是多晶硅生產能耗的最主要構成部分。多晶硅生產能耗的構成見圖2。

圖2 多晶硅生產能耗的構成

多晶硅的電耗構成中三氯氫硅還原工序所消耗的電能達到了總電耗的75%～80%，尾氣干法回收工序占比5%～7%，三氯氫硅合成工序占比5%～6%。

另外，蒸汽消耗占多晶硅總能耗的3%～5%，其中三氯氫硅提純工序占蒸汽總消耗的35%～40%，尾氣干法回收工序占蒸汽總消耗的25%～30%，四氯化硅氫化、還原工序分別占蒸汽總消耗的15%～20%。

因此，本文將對四氯化硅氫化、三氯氫硅提純、三氯氫硅還原、尾氣干法回收等四個主要工序中能耗的降低進行分析和探討。

2 四氯化硅氫化工序能耗降低技術

四氯化硅氫化裝置的主要能耗構成為物料的加熱和工藝氣體的冷凝，依據夾點技術原理，利用反應器出口的高溫氣體與過熱后的氫氣、四氯化硅混合氣進行換熱；利用洗滌塔出口飽和氣體與四氯化硅進行換熱；利用終端冷凝器后的不凝氣與循環水冷凝器后的混合氣體進行熱交換，可以有效減少物料的加熱和工藝氣體的冷凝對熱源和冷源的需求，從而降低單位能耗。

3 三氯氫硅提純工序能耗降低技術

3.1 多效精餾技術

多效精餾是通過拓展工藝流程實現降低精餾操作能耗的一種途徑，串聯多個按照操作壓力、溫度逐漸增大排布的精餾塔，把操作壓力和溫度最大塔頂的蒸汽逐臺送到其他溫度及壓強較低的塔里，實現熱量的重復利用。因此，多效精餾的蒸汽消耗僅為單效精餾的1/n（n為串聯塔數），即采用雙塔時可以節約45%～50%的蒸汽消耗，三塔可以節約60%～66%的蒸汽消耗，以此類推……但是隨著塔數量的增加，節能的功效也逐漸降低。并且，操作的難度和過程損耗也會同步增加，故生產中使用最多的還是雙塔、三塔系統。

3.2 熱耦合精餾技術

熱耦合精餾技術于20世紀由Petlyuk 設想提出，其主要構成是由主塔和副塔組成的復雜塔代替常規的精餾塔。塔中被垂直分區分成兩個部分，與之前的精餾塔相比，它有著更小的回流比，并且操作簡單，節能高達60%。與傳統的精餾技術相比，熱耦合精餾技術通過將塔拆分為預分餾區、主塔區，并利用為預分餾區、主塔區間的氣液流股耦合，減少了相應的冷凝器和再沸器，從而降低了系統的能耗。

3.3 隔板塔精餾技術

Long N V D 等通過內部和外部熱集成的組合方式，提出了一種緊湊的集成物料精餾提純方法。通過在流程中加入雙熱泵的方式，實現能耗降低了83.01%。通過投資回報分析，雖然隔板塔采用兩種熱泵輔助系統的初始投資遠大于常規工藝，但其過程能耗的降低可實現降本約30%，證明使用熱泵代替傳統的再沸器-冷凝器塔是一種有效的節能降耗方式。

4 三氯氫硅還原工序能耗降低技術

4.1 多對棒大型還原爐技術

根據還原爐構型特點，Gonzalo del Coso 等提出增加硅棒數目的措施可以明顯減少單位能耗。當硅棒數目由18對增加到30對時，單位多晶硅約可節能11kW·h/kg。華東理工大學倪昊尹等通過分析還原爐內溫場、流場提出，當硅棒數目增加時，單根硅棒的輻射熱損失將會逐漸降低，同時，隨著硅棒數目的持續增加，這種降低的趨勢會逐漸放緩。通過采用大型還原爐設計，可以有效地降低多晶硅生產中的單位電耗。

4.2 硅芯熱啟動技術

還原反應所用的載體硅芯熱啟動技術分為等離子預熱啟動和硅芯摻雜工藝兩種。等離子預熱啟動技術是通過降低擊穿電壓和溫度實現目標，而硅芯摻雜工藝是在硅芯制造過程中通過加入B、P 元素的方式減少硅芯的電阻率以實現降低硅芯擊穿所需的溫度和電壓，從而減少硅芯熱啟動過程的能量消耗。

4.3 還原爐余熱回收技術

還原爐采用的冷卻水系統大致可分為爐筒水、底盤水、電極水，上述三種冷卻水分別帶走還原爐反應余熱的70%、20%和10%左右。其中爐筒水普遍采用的是閃蒸0.2MPa 蒸汽和0.4MPa 蒸汽兩種主要的流程，電極水考慮對電極和電氣設備保護的需要無法采用高溫水閃蒸，底盤水則可以通過流程改造使用高溫水進行閃蒸，進而回收還原爐的余熱。通過底盤閃蒸流程改造，單位0.2MPa 蒸汽副產比提高12～14kg/kg-Si，并且省去了中溫水冷卻配套的循環水系統，可以實現節能降耗的目標。

5 尾氣干法回收工序能耗降低技術

根據道爾頓分壓定律，以TCS 為例，氣相中TCS 含量XTCS=PTCS/P總，等溫增壓時，混合物總壓力P總增加，PTCS不變，所以XTCS變小，故一部分氣相TCS 將會冷凝進入液相。因此，提高再生氣壓力后再進行冷凝，流程上對冷凝劑品位的需求就可以降低。現有多晶硅生產廠家的尾氣干法回收工序大多采用-40℃的氟利昂冰機機組，再生氣壓力普遍為0.75MPa，如果將再生氣壓力上提至0.9～1.0MPa 時即可采用-20℃的乙二醇冰機機組，從而實現節能降耗。

6 總結和展望

在多晶硅生產過程中實現節能降耗的目標，可以使用多種先進的節能技術，通過熱交換和余熱回收技術成為近年來多晶硅企業節能降耗的主要手段。而新型設備的研發與調試進一步促進了多晶硅能耗的降低，進而提高多晶硅生產所創造的經濟效益，促進我國多晶硅產業的發展。