多晶硅生产的节能减排措施

曹 军

（江苏中能硅业科技发展有限公司，江苏徐州 221000）

如今，随着科学技术的不断发展，催生了一大批新兴的行业，为可再生能源领域提供技术支撑。同时多晶硅的生产和应用也不断扩大规模。目前，多晶硅一般应用在电力领域以及能源领域。比如电力领域的集成电路以及半导体太阳能装置等。总之，多晶硅能够制作单晶硅，构成半导体材料成为多种现代化科技的核心组成部分。从现阶段全球能源使用以及储备情况来看，能源逐渐陷入枯竭的状态。对此，积极开发可再生能源以及降低资源的损耗，依旧成为现代化世界性的研究课题。太阳能作为一种可再生能源，具有安全性、环保性、存储量大等特点，受到研究人员的广泛关注。由于对于太阳能源的充分利用，便需要借助光电效应将太阳能转换成电能，进而输出或存储，以满足人们的正常需求。在整个过程中便需要多晶硅的作用，同时也对多晶硅的产量提出了较高的要求。总之，需要对多晶硅生产的节能减排措施作出分析，降低生产企业的经济成本，以实现经济的可持续性发展，并建设环境友好型社会。

1 针对于目前多晶硅领域的生产状况分析

由于我国在多晶硅产业的发展阶段起步较晚，与西方国家相比还存在着显著的差距，对此需要积极引进先进的研究策略，努力掌握自主研发技术，以实现国内多晶硅产业的跨越式发展。随着国内多晶硅生产工艺的不断完善，使我国多晶硅产量在2018年年底达到400kt，占据全球产能资源的65%。随着多晶硅生产产量的持续扩张，对生产阶段的节能损耗提出了较高的要求。同时也加剧了多晶硅生产企业之间的竞争，使多晶硅生产的经济效益明显降低。目前，多晶硅生产企业需要选择合理的节能生产工艺，降低经济成本的投入。这是大部分光伏生产企业在多晶硅领域赖以生存的基础[1]。

除此之外，国内外生产多晶硅一般使用西门子改良工艺，该技术允许电子级和太阳能级同时生产，具备完善的生产工艺和生产流程，能够满足基本的产量需求。所以，多晶硅生产企业需要依据西门子改良工艺技术，以实现生产工艺的自主研发。采用改良的西门子工艺技术，对于能源的损耗主要集中在三个方面：一是精馏环节、二是还原环节、三是氢化环节。这三个环节则占据了大部分的能源损耗。

2 针对多晶硅生产的节能方案设计以及生产步骤分析

2.1 分析多晶硅的具体生产工艺流程

改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢（或外购氯化氢），氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。主要技术是：大直径对棒节能型还原炉技术，导热油循环冷却还原炉技术，还原炉尾气封闭式干法回收技术以及副产品SiCl4氢化生成SiHCl3技术。这种方法的特点是能量消耗较高、综合成本低、质量好，采用综合利用技术，实现物料的闭路循环，对环境污染小，具有明显的竞争优势。

2.2 多晶硅生产精馏环节的节能设计

精馏环节是占据多晶硅生产环节能源损耗最严重的部分。因为在多晶硅的生产步骤中涉及氯硅烷的精馏操作，该过程需要涉及高水平、高标准的工艺技术。在开展的操作流程中需要遵循较高的技术指标，保证氯硅烷的回流比以及沸点。所以在精馏操作过程中，对于降温媒介和加温介质的质量有着与其他环节不同的要求，造成了该环节成为整个生产环节中最耗费能源的一大流程[2]。

现阶段，随着科学技术的高速发展，我国多晶硅生产领域已经逐渐使用高科技含量较高的精馏装置，如多塔串联式精馏技术。该技术可以有效利用外界的高温热媒介，比如，饱和水蒸气等，实现对整个塔釜装置的气相完成加热。除此之外，还会在塔釜顶层设置低温媒介来实现对塔内的气相完成冷凝操作。采用高新技术的精馏装置及技术，可以降低能源的损耗，完成能源的循环使用。与此同时，采用高科技的精馏装置和工艺，在多晶硅生产领域上具有较好的节能效果，而且在整个设备的操作中流程简单易学，同时也扩大了该项技术在整个领域的推广。这便有效地降低了多晶硅生产过程的经济成本投入，进一步实现了节能减排的研究策略。

2.3 多晶硅生产流程在还原热能的设计方案

目前，国内外在多晶硅生产过程中均是使用改良的西门子技术，使用该技术生产多晶硅，使多晶硅的还原操作占据整个生产过程的重要流程。还原热能操作可以对多晶硅的产量以及生产成本提供理论依据，以实现节能减排。在还原热能操作中，主要涉及的操作仪器是还原炉。还原炉内部涉及的生产原理是将三氯氢硅还原成棒状硅。与此同时，采用创新型的西门子技术结合冷氢化技术进行多晶硅的生产操作，根据生产数据显示，可以将能源控制在每千克多晶硅综合电耗降低至60度，大大降低了多晶硅生产对于能源的损耗。

3 针对于多晶硅生产的节能减排研究策略

3.1 采用大型还原炉节能技术的开发研究

由于上述分析了多晶硅生产的工艺流程，对于其中涉及的还原装置的使用占据了重要地位。由于还原装置的副产物可以经过装置内部的循环系统完成重复利用，以满足节能减排的基本要求。对此，可以在还原炉节能技术上展开一系列的开发与研究。比如，采用多对棒的大型还原炉设备，充分利用热量资源。不同的还原炉设备对于电能的损耗各有不同，具体种类的还原炉类型耗能量如表1所示[3]。

表1 还原炉类型耗能量

除此之外，根据多晶硅产业的发展初期，自2005年我国多晶硅技术便开始运行。虽然当时较多的核心技术都掌握在国外，但是随着经济的发展和科学技术的不断完善，我国的多晶硅生产技术已经逐渐成熟，比如还原炉设备从最初的18对棒还原炉，已经逐渐增加到72对棒还原炉，逐渐实现了质的飞跃，取得了较高的工作成果。我国在还原炉大型设备的研究过程中，已经能够明显的感知到国内技术的突飞猛进，有效降低了多晶硅生产企业在设备生产的经济投入，符合我国节能减排的基本国策。下一阶段我国在大型还原炉节能技术的研究上，需要朝着新材料、新工艺、新技术的领域上，加大科研力度的发展，实现全部技术均处于世界先进水平行列，进一步提高多晶硅生产效率和质量。

3.2 对硅芯热启动技术进行优化和处理

如今，在多晶硅生产领域中采用的硅芯热启动技术主要涵盖两种：一是等离子预热启动技术；二是采用硅芯掺杂工艺技术。两种技术具有的特点不同。对于硅芯热启动技术来说，该技术主要侧重于节能减排领域的研究，所以该技术可以被广泛应用在节能设计方面。在等离子预热启动技术上分析，该技术是以降低击穿电压和温度来实现作用。同时该技术是目前多晶硅生产最为普及的一种技术。在硅芯掺杂工艺制作硅芯时，可以通过加入一些微量元素，比如硼、磷等，从而降低硅芯的导电率，以便维持硅芯炉的温度和电压，降低电流的损耗。

3.3 设计和优化电控系统装置

由于在TCS还原生产阶段对于电能的需求量较大，通过数据显示，在TCS还原生产阶段，电能的消耗占据多晶硅生产整体电能损耗的70%以上。对此，可以通过优化和设计电子控制装置，以有效降低电力资源的损耗。在改进和设计方面可以通过两个方面入手：一是改进工艺条件；二是减少有害辐射的危害，依据反应设备的压力变化情况和温度的变化情况进行实时调整，使电流和电压的设定值均处于预先规定的最佳位置，保证电量的正常化使用，以避免浪费的情况。总之，通过设计和优化电控系统装置可以有效地减少辐射物质对多晶硅生产的危害，进而大幅度地降低电能的损耗，提高产品的质量，起到明显的节能作用。

3.4 优化和减少生产阶段的废气

由于多晶硅的生产工艺涉及还原操作，该过程在还原炉内会产生三氯氢硅、四氯化硅以及二氯二氢硅等一些杂质气体。虽然在还原反应之后还会经过淋洗塔对废气进行清洗操作，能够清洗掉一部分的废气，但是还会在尾气中含有部分的氯化氢液体。对此，可以采用干洗回收操作处理尾气中的氯化氢，并运用三级水喷淋吸收塔，将干法收集的氯化氢制作成盐酸。得到的氯化氢气体可以采用多次的水吸收方式，完成氯化氢尾气的处理，同时该处理方式是目前最简便、快捷的操作方案之一。

3.5 优化和减少生产阶段的废水

多晶硅生产环节中会涉及到酸性废水和含氟废水的处理。对于酸性废水的处理，可以使用石灰乳以及沉淀的方式。在沉淀处理阶段，可以按照酸性废水的含量以及酸度来调节化学药剂的量，从而保证处理之后水的水质。对于含氟废水的处理，首先使用生石灰将废水的酸度进行中和。这个操作会使含氟废水的氟化物形成氟化钙，以沉淀的方式被处理。之后在废水中加入硫化亚铁，以进一步去除氟化物。然后，将处理过的废水和中和的酸性废水搅拌在一起，并加入大量的絮凝剂，将含有的废物进行沉淀操作。最后，将静止后的液体上层倒出，完成废水的处理。

4 结语

综上所述，多晶硅是光伏和半导体产业的重要组成部分，同时利用太阳能资源可以有效地解决资源枯竭型问题。虽然多晶硅的生产和规模持续扩大，进一步地满足人们的生产和生活需求，但是在生产阶段也需要对成本以及环境等方面作出研究分析。这意味着需要在保护环境的同时提高光伏企业的经济效益。除此之外，还需要建立光伏多晶硅循环经济园以及建设完备的信息管理系统，实现多晶硅生产企业的一体化流程。希望通过本文对多晶硅生产的节能减排研究策略，对相关领域研究人员起到借鉴价值，促进我国多晶硅企业的高速发展。