多晶硅生產(chǎn)中能耗的分析及節(jié)能的途徑

李宏盼

【摘 要】在現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展與進步的同時，多晶硅產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的機遇與挑戰(zhàn)，但是在如今世界的大環(huán)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(chǎn)中的能耗問題，達(dá)到節(jié)能的要求才能夠解決多晶硅生產(chǎn)中能耗過大的問題。正是因為多晶硅的能耗過大才導(dǎo)致近年來我國多晶硅產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)虧損的問題，因此積極研究多晶硅生產(chǎn)中的節(jié)能方法是現(xiàn)階段面臨的主要問題。

【關(guān)鍵詞】化工工藝;多晶硅;節(jié)能途徑

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

一、多晶硅產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

我國的多晶硅生產(chǎn)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(yè)進行鼓勵，但是在重點生產(chǎn)工藝上還依賴于西方發(fā)達(dá)國家。在現(xiàn)如今世界經(jīng)濟的大環(huán)境下，我國的各個多晶硅生產(chǎn)企業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，很多的企業(yè)都處于破產(chǎn)的邊緣，只有那些擁有創(chuàng)新性技術(shù)以及強大資金為后臺的企業(yè)仍在支撐著。到目前為止，我國的眾多多晶硅企業(yè)只有提高其核心競爭力才能在如今的大環(huán)境下站穩(wěn)腳步。而對于這些企業(yè)來講，多晶硅企業(yè)核心競爭力的重要體現(xiàn)就是在生產(chǎn)工藝的節(jié)能上。只有通過研發(fā)高效的節(jié)能技術(shù)，才能維持多晶硅的生產(chǎn)與企業(yè)的運營，所以綜合來講多晶硅的生產(chǎn)過程中最重要的技術(shù)就是節(jié)能技術(shù)，只有有效的降低多晶硅生產(chǎn)過程中的能耗才能提高企業(yè)的實力，提升企業(yè)的核心競爭力。

二、多晶硅生產(chǎn)中能耗的分析

1、精餾系統(tǒng)產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)企業(yè)在實際生產(chǎn)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(dá)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(shè)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(chǎn)過程中，高純氫氣是一種極為重要的生產(chǎn)原料，其在生產(chǎn)過程中充當(dāng)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(chǎn)副產(chǎn)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(shù)，其原理在于將電極插入電解質(zhì)溶液當(dāng)中，并通以直流電以電解鹽水，從而在電極陽極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣，最后經(jīng)過脫除技術(shù)將氧氣去除后得到氧氣。一般要產(chǎn)生1m3（標(biāo)）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(yè)采用該方法制氫。

3、還原所產(chǎn)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(chǎn)過程中電耗的指標(biāo)。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(chǎn)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(chǎn)的能耗。

三、多晶硅節(jié)能降耗措施

1、冷氫化節(jié)能技術(shù)

在多晶硅的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物四氯化硅，大量的副產(chǎn)物需要進行妥善的處理，如若處理不當(dāng)則會對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，因此在這過程中就要求我國的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)嚴(yán)格按照要求對副產(chǎn)物進行處理，避免其對生態(tài)環(huán)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(yīng)用冷氫化節(jié)能技術(shù)能夠?qū)⑺穆然柁D(zhuǎn)化成三氯氫硅供多晶硅還原使用，做到最大限度的循環(huán)利用，在很大程度上進行節(jié)能工作，減少能源的損耗。

2、精餾系統(tǒng)的節(jié)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(tǒng)中，把二塔的高溫氣體應(yīng)用到加熱配套塔進料，從而降低了塔頂循環(huán)水以及蒸汽的消耗，減少了45%的能耗。

（2）應(yīng)用反應(yīng)精餾技術(shù)。TCS精餾提純的原理主要在于將P、B、C、金屬雜質(zhì)以及其他非金屬雜質(zhì)除去，雜質(zhì)含量越低，其能耗就越低。當(dāng)前主要有濕氮除硼技術(shù)以及硅膠除硼法，均是將一定量的物質(zhì)加入到精餾反應(yīng)當(dāng)中。其中，濕氮除硼技術(shù)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(tǒng)塔頂蒸汽，以達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

3、還原過程

就多晶硅的整個生產(chǎn)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(yīng)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(diào)控，如果能進其控制好、改善還，那么這對整個生產(chǎn)過程的節(jié)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(fā)挖掘節(jié)能型還原爐等來實現(xiàn)對還原過程電耗的調(diào)控。

4、提純系統(tǒng)中的節(jié)能

在多晶硅的提純階段中，通過將BX雙層網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠在很大程度上解決多晶硅在提純環(huán)節(jié)中容易出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量低、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)耗能過高等問題，在提純的技術(shù)引入BX雙層網(wǎng)中能夠提升生產(chǎn)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(jié)束語

我國的多晶硅行業(yè)市場競爭一直很激烈，且其在我國的發(fā)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(fā)展的不是很理想，因此多晶硅制備過程中的相關(guān)節(jié)能措施非常重要，目前實行的針對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗現(xiàn)象來采取節(jié)能措施的策略也已經(jīng)有了一定的成果，逐步提高相關(guān)行業(yè)的競爭力。

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