多晶硅化工節(jié)能生產(chǎn)技術(shù)分析

劉 松

(賽維LDK太陽(yáng)能高科技(南昌)有限公司，江西 南昌 330000)

現(xiàn)階段，多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)面臨著降低能源能耗，保護(hù)環(huán)境、減少污染的難題，需要在此基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量，所以這還需要我國(guó)人員的努力和合作，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

目前我國(guó)的一些太陽(yáng)能硅材料大多數(shù)都依賴于進(jìn)口，這說(shuō)明多晶硅的生產(chǎn)技術(shù)需要革新，不能受制于人。

使用最多的多晶硅材料就是太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)了，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈包括硅原料生產(chǎn)，硅棒以及硅片生產(chǎn)，包含太陽(yáng)能電池組裝、組件和光伏產(chǎn)品生產(chǎn)和發(fā)電等系統(tǒng)。其中硅原料的生產(chǎn)是最重要的環(huán)節(jié)，比如說(shuō)現(xiàn)在世界上最大的太陽(yáng)能光伏電池90%以上都是由多晶硅或單晶硅制作的，多晶硅的生產(chǎn)主要有幾個(gè)問(wèn)題需要解決，第一個(gè)是解決能耗問(wèn)題，減少污染和提高質(zhì)量、產(chǎn)量，另外，還要引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，并在結(jié)合我國(guó)實(shí)際的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。

1 多晶硅化工生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)尚有欠缺

在世界的光伏產(chǎn)業(yè)中，對(duì)硅的生產(chǎn)要求較高，要求多晶硅具有較高的純度，純度需要達(dá)到7～9個(gè)9，并且其中硼和磷的含量也要控制在較小的范圍之內(nèi)，它是光伏企業(yè)中太陽(yáng)能電池所用的最核心原料，所以，具有高純度硅原料的企業(yè)就具有了較大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在企業(yè)中，都追求高純度硅料生產(chǎn)的合成、精制以及提純等，現(xiàn)階段，我國(guó)的多晶硅儲(chǔ)量比較大，占全世界總儲(chǔ)量的1/4，但是我國(guó)的太陽(yáng)能企業(yè)的多晶硅原料大多依賴國(guó)外企業(yè)，從外國(guó)進(jìn)口，這是因?yàn)樘?yáng)能企業(yè)中所用的硅原料需要從不同的提煉方式中提取出來(lái)，提取成功后，生產(chǎn)出多晶硅或單晶硅，但是這些硅的原料純度與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還具有一定距離，產(chǎn)量和能耗都難以達(dá)到要求，這樣一來(lái)，不僅僅會(huì)加大企業(yè)的生產(chǎn)成本，還會(huì)阻礙我國(guó)光伏企業(yè)向上發(fā)展，使我國(guó)出很低的價(jià)格購(gòu)買高污染的多晶硅原料，再用極高的價(jià)格回收高純度的硅原料。

我國(guó)的硅原料工業(yè)的發(fā)展起步較早，但是生產(chǎn)規(guī)模較小，工藝技術(shù)較為落后，環(huán)境污染較大，消耗能源較多，所花費(fèi)的成本較高，一些企業(yè)甚至因?yàn)樯a(chǎn)有虧損而停產(chǎn)。

近幾年，我國(guó)的硅原料生產(chǎn)企業(yè)屈指可數(shù)，每年的生產(chǎn)量為幾十萬(wàn)噸，并不能滿足每年的需求量，因?yàn)槟軡M足太陽(yáng)能生產(chǎn)所需要的硅原料總共有80噸，據(jù)估計(jì)，迄今為止，我國(guó)使用的太陽(yáng)能硅材料的需求量將達(dá)到4500噸，2015年達(dá)到1.6萬(wàn)噸，如果不以設(shè)立自主知識(shí)權(quán)的方式改變此現(xiàn)狀，那么我國(guó)的硅料生產(chǎn)工業(yè)將很難在國(guó)際市場(chǎng)上立足，這也將威脅我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 精餾節(jié)能技術(shù)降低能耗，減少污染

人員可以通過(guò)一些計(jì)算和分析資料、實(shí)例驗(yàn)證，通過(guò)加大壓力，將高溫三氯氫硅的提純工藝運(yùn)用到原料提純系統(tǒng)中，在加熱配套塔中，將二塔的高溫氣體用于進(jìn)料，從而降低塔頂?shù)乃h(huán)以及蒸汽的能耗，可以減少將近一半的消耗。

還可以利用反應(yīng)精餾技術(shù)，精餾方法的使用主要在于將一些金屬物質(zhì)排除出去，還包括一些非金屬物質(zhì)，只有將雜質(zhì)清除干凈，才能降低能耗，因?yàn)殡s質(zhì)含量越低，能耗就越低，目前清除雜質(zhì)的方法有濕氮除硼技術(shù)和硅膠除硼法，都是將一些物質(zhì)加入到精餾反應(yīng)中，其中，采用濕氮除硼技術(shù)是將含有水分的氮?dú)夂蜌錃饧尤肫渲?，而硅膠除硼法是在其中添加硅膠，除此之外，還能夠采用多效精餾和熱精餾的方法有效利用塔頂蒸餾系統(tǒng)，已達(dá)到節(jié)約能耗的效果。

1.3 提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本

在多晶硅的生產(chǎn)當(dāng)中，需要提高光伏材料的轉(zhuǎn)換效率，另外還需要降低太陽(yáng)能電池的制造成本，這是我國(guó)光伏企業(yè)一直以來(lái)追求的兩個(gè)目標(biāo)，在太陽(yáng)能裝置中，多晶硅硅片是其中的核心部分，硅片也能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，硅片的質(zhì)量也對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。通常情況下，太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)化率能達(dá)到10%，但如果是高純度的硅片，就能將太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化21%以上，甚至是以上，所以對(duì)于太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)，多晶硅起著十分重要的作用。

1.4 多晶硅材料是整個(gè)光伏發(fā)電成本中最高的部分

在一些光伏企業(yè)中，多晶硅的材料成本費(fèi)用達(dá)到了太陽(yáng)能生產(chǎn)總成本的一半以上，占據(jù)了網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的30%。

所以，進(jìn)一步減少多晶硅材料的生產(chǎn)成本，可以加大硅企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，也能夠推動(dòng)整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，針對(duì)該問(wèn)題，合理的應(yīng)對(duì)措施有引入先進(jìn)的生產(chǎn)硅材料的設(shè)備，比如分離傳質(zhì)設(shè)備，一些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)篩選與精餾過(guò)程一體化，并能夠促進(jìn)有效清潔，然后需要引進(jìn)先進(jìn)的蒸餾設(shè)備，需要是精餾裝置，這樣可以提高多晶硅的生產(chǎn)產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)多晶硅的大型化。

引進(jìn)和使用大型的合成爐和還原爐，幫助更好地進(jìn)行還原反應(yīng)，現(xiàn)階段，一些太陽(yáng)能電池的原材料多數(shù)為多晶硅片制成的，而且在未來(lái)也會(huì)使用很長(zhǎng)一段時(shí)間，都不會(huì)被代替，多晶硅產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求較嚴(yán)格，行業(yè)技術(shù)進(jìn)步較快，投入的科研經(jīng)費(fèi)較多。

在生產(chǎn)中，涉及到的副產(chǎn)物與三廢處理技術(shù)投入較大，可以很好地起到保護(hù)環(huán)境的作用，并形成了產(chǎn)業(yè)鏈，初具規(guī)模。在將來(lái)，也會(huì)有多家企業(yè)意識(shí)到人才、生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品質(zhì)量的重要性。

2 多晶硅生產(chǎn)中的節(jié)能生產(chǎn)技術(shù)

2.1 制備氫氣的節(jié)能技術(shù)

在多晶硅生產(chǎn)技術(shù)中，可以利用天然氣和輕質(zhì)石油的方法來(lái)制氫，使天然氣、石油以及水在催化的作用下產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及甲烷，再將其分離，分離后獲得高純度氫氣，雖然該工藝操作復(fù)雜，但是具有一定的節(jié)能效果；將工業(yè)生產(chǎn)中的氫氣進(jìn)行回收利用也能起到節(jié)能的效果。

2.2 氫化的節(jié)能技術(shù)

氫化的節(jié)能技術(shù)可以分為好幾種，第一種是采用冷氫化的方法，冷氫化的耗電量比較低，它一般會(huì)受到多晶硅化工轉(zhuǎn)化率的影響，也會(huì)受到生產(chǎn)周期的影響，當(dāng)生產(chǎn)周期越長(zhǎng)，氫化反應(yīng)就越平穩(wěn)，轉(zhuǎn)化率也就越高，所以生產(chǎn)的多晶硅量就大，通過(guò)的循環(huán)步驟就少，耗電量就較低，為了產(chǎn)生較低能耗的多晶硅，需要人員在生產(chǎn)過(guò)程中保持較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，平穩(wěn)的產(chǎn)能以及高轉(zhuǎn)化率。

還可以利用可活化和氫化氫氣回收的技術(shù)，以加壓的方式吸附尾氣氫氣，并使其參與到循環(huán)利用之中。

最后是可以采用余熱的技術(shù)，利用氫化產(chǎn)生的高溫進(jìn)行加熱，采用這種方法，可以減少大約30%的能耗，達(dá)到有效節(jié)能的目的。

2.3 還原的節(jié)能技術(shù)

首先還原技術(shù)需要優(yōu)化，因?yàn)槟壳拔覈?guó)大部分企業(yè)采用的還原技術(shù)依然是鐘罩式還原爐，這種還原爐的耗電量比較高，與國(guó)際上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)相比，還存在一定距離。

所以我們有必要對(duì)其進(jìn)行整改，改進(jìn)和完善技術(shù)，比如說(shuō)使用硫化床反應(yīng)器，因?yàn)樗且环N節(jié)能性能較優(yōu)越的多晶硅反應(yīng)器，能夠降低耗電量，而且還會(huì)產(chǎn)生較大面積的沉淀，生產(chǎn)效率極高，改進(jìn)還原爐節(jié)能，是未來(lái)多晶硅生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

使用這種節(jié)能還原爐不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能夠減少用電能耗，使用這種設(shè)備能夠改進(jìn)硅芯熱啟動(dòng)技術(shù)，最終能夠減小硅芯的溫度和電壓，從而能夠達(dá)到降低能耗的目的。

具體的操作步驟為見(jiàn)一些元素融入進(jìn)硅芯中，通過(guò)減小電導(dǎo)率降低硅芯啟動(dòng)的溫度和電壓，使用等離子預(yù)熱啟動(dòng)硅芯技術(shù)，可以加熱等離子，達(dá)到降低溫度的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)影響多晶硅質(zhì)量的因素進(jìn)行了分析，并詳細(xì)分析了高純氫氣、精餾以及還原技術(shù)，這樣不僅可以保證多晶硅的質(zhì)量，保證各個(gè)車間的操作規(guī)范，提高生產(chǎn)技術(shù)，還能保證起到節(jié)能的作用。