冶金法生產(chǎn)多晶硅的清潔生產(chǎn)分析實(shí)例

杜 娟，石建寧，王建國

（1.寧夏環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，寧夏銀川750004；2.寧夏銀星多晶硅有限責(zé)任公司，寧夏銀川750004）

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對太陽能級多晶硅的需求與日俱增。改良西門子法一直被公認(rèn)為生產(chǎn)多晶硅的主流技術(shù)，但其高昂的成本和能耗，嚴(yán)重制約了光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在此情況下，低成本的冶金法迅速發(fā)展起來。冶金法是一種與改良西門子法差別較大的生產(chǎn)工藝，僅靠定性分析難以準(zhǔn)確評價(jià)冶金法的清潔生產(chǎn)水平。為了準(zhǔn)確評價(jià)冶金法的清潔生產(chǎn)水平，根據(jù)環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則要求先從原料、產(chǎn)品、資源消耗和污染物排放等方面進(jìn)行定性分析，然后采用綜合指標(biāo)法進(jìn)行清潔生產(chǎn)水平綜合評價(jià)。

1 定性分析

1.1 生產(chǎn)工藝

國內(nèi)外現(xiàn)有的多晶硅生產(chǎn)廠家絕大部分采用改良西門子法。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(yè)硅粉在一定溫度下合成三氯氫硅，然后對三氯氫硅進(jìn)行分離、精餾、提純，提純后的三氯氫硅在氫還原爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)生產(chǎn)多晶硅。改良西門子法可生產(chǎn)電子級多晶硅（9N）。

圖1 改良西門子法生產(chǎn)工藝流程

冶金法的主要工藝是將工業(yè)硅進(jìn)行水平區(qū)熔定向凝固成硅錠，除去硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分后，進(jìn)行破碎與清洗，在電子束爐中除去磷和碳雜質(zhì)，經(jīng)破碎與清洗后，直接生成太陽能級多晶硅。由于此過程中硅基本不參加化學(xué)反應(yīng)，所以俗稱為“物理法”。

圖2 冶金法生產(chǎn)工藝流程

改良西門子法生產(chǎn)工序多，工藝復(fù)雜，管理要求高。而冶金法生產(chǎn)多晶硅僅通過定向凝固、電子束熔煉、破碎酸洗等工序，生產(chǎn)過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)工序少，工藝簡單，管理方便，其生產(chǎn)過程優(yōu)于改良西門子法。但冶金法破碎與清洗過程采用人工處理，自動(dòng)化水平偏低。詳見圖1、2。

1.2 原輔材料

1.3 資源能源利用

冶金法生產(chǎn)多晶硅，主要原料為硅粉，輔助原料為硝酸、氫氟酸，采用冶金法生產(chǎn)多晶硅電耗僅為59.8kWh·kg－1，低于改良西門子法電耗120 kWh·kg－1。

1.4 產(chǎn)品

太陽能級多晶硅的最佳純度應(yīng)是6N，純度在7 N以上的多晶硅電阻率過高影響發(fā)電效率。而改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅9N，要滿足太陽能級多晶硅純度要求尚需摻雜處理。冶金法生產(chǎn)工藝多晶硅產(chǎn)品可穩(wěn)定達(dá)到6N的純度。

改良西門子法生產(chǎn)多晶硅成本為300元／kg，而冶金法生產(chǎn)的多晶硅成本為200元／kg。冶金法目前鑄錠成品率偏低（80%），且冶金法多晶硅生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模均較小，若能進(jìn)一步提高鑄錠成品率及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，多晶硅成本尚有進(jìn)一步下降空間。

從產(chǎn)品整個(gè)生命周期考慮，從硅石到光伏發(fā)電系統(tǒng)的總能耗為2.597kW·h／Wp［1］，以發(fā)電25年，電池發(fā)電量按1.5kW·h／Wp·a計(jì)算，總發(fā)電量為37.5kW·h，遠(yuǎn)高于生產(chǎn)光伏電池的能耗。

1.5 污染物產(chǎn)生

冶金法多晶硅生產(chǎn)過程中酸洗過程有含氟化物、NOX的廢氣產(chǎn)生，破碎過程有粉塵產(chǎn)生，酸洗過程有含酸廢水產(chǎn)生，鋸切過程有硅邊角料產(chǎn)生。冶金法污染物產(chǎn)生種類及產(chǎn)生量遠(yuǎn)小于改良西門子法。

2 綜合指數(shù)法評價(jià)

根據(jù)行業(yè)基本生產(chǎn)特征，通過資料分析、專家咨詢等方法確立本項(xiàng)目的清潔生產(chǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。定量指標(biāo)基準(zhǔn)值選取《多晶硅行業(yè)準(zhǔn)入條件》［2］規(guī)定值，《多晶硅行業(yè)準(zhǔn)入條件》無規(guī)定值的收集國內(nèi)近年投產(chǎn)的采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的項(xiàng)目平均值作為基準(zhǔn)值。

2.1 定量評價(jià)

定量評價(jià)指標(biāo)考核總分值按式（1）計(jì)算：

通過計(jì)算得知，c=28.86 m2,其中m2為液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)量程。為了確保稱重傳感器的運(yùn)用安全和壽命，并考慮傳感器可以抵抗熱脹冷縮對設(shè)備造成的位移[5]、抗側(cè)向力、耐低溫-50～80 ℃、蠕變系數(shù)、重復(fù)性、靈敏度等方面的因素，該項(xiàng)目選擇了進(jìn)口雙球頭自復(fù)位柱式結(jié)構(gòu)傳感器[6]，傳感器的精度為±0.5%， 煤粉儲(chǔ)倉測量范圍選擇0～150 t。

式中：P1——定量評價(jià)考核總分值；

n——參與考核的二級指標(biāo)項(xiàng)目總數(shù)；

Si——第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)；

Ki——第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

對正向指標(biāo)［3］，其單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)按式（2）計(jì)算：

對逆向指標(biāo)，其單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)按式（3）計(jì)算：

式中：Si表示第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)評價(jià)指數(shù)；

Di表示第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值；

Ci表示第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的基準(zhǔn)值。

定量評價(jià)指標(biāo)詳見表1。

2.2 定性評價(jià)

定性評價(jià)指標(biāo)考核總分值按式（4）計(jì)算：

式中：P2——定性評價(jià)二級指標(biāo)考核總分值；

Fi——第i項(xiàng)二級指標(biāo)的得分值；

n——參與考核的定性評價(jià)的二級指標(biāo)項(xiàng)目總數(shù)。

定性評價(jià)指標(biāo)詳見表2。

2.3 綜合評價(jià)指數(shù)

綜合評價(jià)指數(shù)按式（5）計(jì)算

式中：P—— 企業(yè)清潔生產(chǎn)的綜合評價(jià)指數(shù)；P1——定量評價(jià)指標(biāo)中各二級評價(jià)指標(biāo)考核總分值；P2——定性評價(jià)指標(biāo)中各二級評價(jià)指標(biāo)考核總分值。

表1 清潔生產(chǎn)水平定量評價(jià)指標(biāo)

表2 清潔生產(chǎn)水平定性評價(jià)指標(biāo)

經(jīng)計(jì)算綜合評價(jià)指數(shù)P為0.7×108.45＋0.3×90＝102.9，符合清潔生產(chǎn)先進(jìn)企業(yè)。

表3 清潔生產(chǎn)等級

3 結(jié)語

本文從清潔生產(chǎn)的角度，從生產(chǎn)工藝、工藝流程、產(chǎn)品、資源能源利用、污染物產(chǎn)生等方面對比分析冶金法與改良西門子的差異，采用綜合指數(shù)法評價(jià)，使建設(shè)項(xiàng)目的清潔生產(chǎn)水平清晰、明了，更容易從技術(shù)、管理上找到差距，對今后同類項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)和清潔生產(chǎn)審核有一定的借鑒意義。

［1］ 嚴(yán)大洲，宗紹興，湯傳斌，等.多晶硅生產(chǎn)不存在“高能耗 高排放”［J］.有色冶金節(jié)能，2010，12（6）：19－22.

［2］ 工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部，工聯(lián)電子［2010］137號《多晶硅行業(yè)準(zhǔn)入條件》［S］.2010－12－31.

［3］ GB／T20106—2006，工業(yè)清潔生產(chǎn)評價(jià)指標(biāo)體系編制通則［S］.2006－08－01.