多晶硅生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)研究

謝 巖，張 然，王永亮

（新疆協(xié)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(chǎn)業(yè)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，是上述行業(yè)的最上游產(chǎn)品。光伏太陽(yáng)能行業(yè)自1955年西門子法多晶硅生產(chǎn)制備技術(shù)面世以來(lái)，共歷經(jīng)三代技術(shù)革新形成了現(xiàn)行的改良西門子法，其所生產(chǎn)的高純多晶硅成本下降到45～55元/kg，已具備平價(jià)上網(wǎng)的前提條件。隨著各個(gè)企業(yè)的自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)逐步擺脫了國(guó)外的技術(shù)封鎖，隨著多晶硅工藝技術(shù)的日漸成熟，以及大型化、規(guī)模化裝置的迅速投產(chǎn)，截至2019年底國(guó)內(nèi)多晶硅產(chǎn)量達(dá)到342kt，中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)2020 年我國(guó)多晶硅產(chǎn)量將達(dá)到450kt。可再生能源巨頭公司Statkraft 發(fā)布了其對(duì)全球能源趨勢(shì)的第四次年度分析稱：隨著可再生能源成本下降，太陽(yáng)能將在2035年成為世界上最大的電力來(lái)源，截至2050年，太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能將占全球發(fā)電總量的70%。

隨著“5.31”政策的發(fā)布和光伏平價(jià)上網(wǎng)的需要，多晶硅企業(yè)開始進(jìn)入“微利”時(shí)代，產(chǎn)能的擴(kuò)張和成本的降低倒逼高成本的落后產(chǎn)能被快速清退。多晶硅的生產(chǎn)成本主要由原輔材、能耗構(gòu)成，受市場(chǎng)影響原輔材成本難以實(shí)現(xiàn)快速降低生產(chǎn)成本，而能耗動(dòng)力通過(guò)技術(shù)革新可以實(shí)現(xiàn)快速降本，是企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的降本途徑。

隨著行業(yè)發(fā)展，多晶硅生產(chǎn)制造企業(yè)逐漸向規(guī)?；?、集中化的方向發(fā)展，現(xiàn)階段多晶硅企業(yè)的普遍規(guī)模均在萬(wàn)噸以上，平均綜合電耗下降至70kW·h/kg，部分企業(yè)甚至已低于60kW·h/kg。多晶硅生產(chǎn)成本的降低受益于近年來(lái)的技術(shù)突破，使得能耗快速降低，根據(jù)GB 29447—2012《多晶硅企業(yè)單位產(chǎn)品能源消耗限額》中的規(guī)定，單位能耗高于27.85kgce/kg-Si的企業(yè)就屬于高能耗企業(yè)，而在2019年多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的平均綜合能耗已下降到12.5kgce/kg-Si，2025年預(yù)測(cè)這一指標(biāo)可以繼續(xù)降至10.1kgce/kg-Si。

本文通過(guò)分析多晶硅節(jié)能技術(shù)的發(fā)展更替、現(xiàn)行技術(shù)的發(fā)展方向，并結(jié)合前沿技術(shù)的革命性思路，對(duì)未來(lái)多晶硅生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望，為企業(yè)降低多晶硅生產(chǎn)能耗提供理論指導(dǎo)。

1 多晶硅生產(chǎn)的能耗構(gòu)成

多晶硅生產(chǎn)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(gè)主要環(huán)節(jié)。多晶硅生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 多晶硅生產(chǎn)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(chǎn)能耗的最主要構(gòu)成部分。多晶硅生產(chǎn)能耗的構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2 多晶硅生產(chǎn)能耗的構(gòu)成

多晶硅的電耗構(gòu)成中三氯氫硅還原工序所消耗的電能達(dá)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(duì)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(gè)主要工序中能耗的降低進(jìn)行分析和探討。

2 四氯化硅氫化工序能耗降低技術(shù)

四氯化硅氫化裝置的主要能耗構(gòu)成為物料的加熱和工藝氣體的冷凝，依據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)原理，利用反應(yīng)器出口的高溫氣體與過(guò)熱后的氫氣、四氯化硅混合氣進(jìn)行換熱；利用洗滌塔出口飽和氣體與四氯化硅進(jìn)行換熱；利用終端冷凝器后的不凝氣與循環(huán)水冷凝器后的混合氣體進(jìn)行熱交換，可以有效減少物料的加熱和工藝氣體的冷凝對(duì)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(shù)

3.1 多效精餾技術(shù)

多效精餾是通過(guò)拓展工藝流程實(shí)現(xiàn)降低精餾操作能耗的一種途徑，串聯(lián)多個(gè)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?shù)恼羝鹋_(tái)送到其他溫度及壓強(qiáng)較低的塔里，實(shí)現(xiàn)熱量的重復(fù)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(lián)塔數(shù)），即采用雙塔時(shí)可以節(jié)約45%～50%的蒸汽消耗，三塔可以節(jié)約60%～66%的蒸汽消耗，以此類推……但是隨著塔數(shù)量的增加，節(jié)能的功效也逐漸降低。并且，操作的難度和過(guò)程損耗也會(huì)同步增加，故生產(chǎn)中使用最多的還是雙塔、三塔系統(tǒng)。

3.2 熱耦合精餾技術(shù)

熱耦合精餾技術(shù)于20世紀(jì)由Petlyuk 設(shè)想提出，其主要構(gòu)成是由主塔和副塔組成的復(fù)雜塔代替常規(guī)的精餾塔。塔中被垂直分區(qū)分成兩個(gè)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(jiǎn)單，節(jié)能高達(dá)60%。與傳統(tǒng)的精餾技術(shù)相比，熱耦合精餾技術(shù)通過(guò)將塔拆分為預(yù)分餾區(qū)、主塔區(qū)，并利用為預(yù)分餾區(qū)、主塔區(qū)間的氣液流股耦合，減少了相應(yīng)的冷凝器和再沸器，從而降低了系統(tǒng)的能耗。

3.3 隔板塔精餾技術(shù)

Long N V D 等通過(guò)內(nèi)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(guò)在流程中加入雙熱泵的方式，實(shí)現(xiàn)能耗降低了83.01%。通過(guò)投資回報(bào)分析，雖然隔板塔采用兩種熱泵輔助系統(tǒng)的初始投資遠(yuǎn)大于常規(guī)工藝，但其過(guò)程能耗的降低可實(shí)現(xiàn)降本約30%，證明使用熱泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的再沸器-冷凝器塔是一種有效的節(jié)能降耗方式。

4 三氯氫硅還原工序能耗降低技術(shù)

4.1 多對(duì)棒大型還原爐技術(shù)

根據(jù)還原爐構(gòu)型特點(diǎn)，Gonzalo del Coso 等提出增加硅棒數(shù)目的措施可以明顯減少單位能耗。當(dāng)硅棒數(shù)目由18對(duì)增加到30對(duì)時(shí)，單位多晶硅約可節(jié)能11kW·h/kg。華東理工大學(xué)倪昊尹等通過(guò)分析還原爐內(nèi)溫場(chǎng)、流場(chǎng)提出，當(dāng)硅棒數(shù)目增加時(shí)，單根硅棒的輻射熱損失將會(huì)逐漸降低，同時(shí)，隨著硅棒數(shù)目的持續(xù)增加，這種降低的趨勢(shì)會(huì)逐漸放緩。通過(guò)采用大型還原爐設(shè)計(jì)，可以有效地降低多晶硅生產(chǎn)中的單位電耗。

4.2 硅芯熱啟動(dòng)技術(shù)

還原反應(yīng)所用的載體硅芯熱啟動(dòng)技術(shù)分為等離子預(yù)熱啟動(dòng)和硅芯摻雜工藝兩種。等離子預(yù)熱啟動(dòng)技術(shù)是通過(guò)降低擊穿電壓和溫度實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而硅芯摻雜工藝是在硅芯制造過(guò)程中通過(guò)加入B、P 元素的方式減少硅芯的電阻率以實(shí)現(xiàn)降低硅芯擊穿所需的溫度和電壓，從而減少硅芯熱啟動(dòng)過(guò)程的能量消耗。

4.3 還原爐余熱回收技術(shù)

還原爐采用的冷卻水系統(tǒng)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(yīng)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(duì)電極和電氣設(shè)備保護(hù)的需要無(wú)法采用高溫水閃蒸，底盤水則可以通過(guò)流程改造使用高溫水進(jìn)行閃蒸，進(jìn)而回收還原爐的余熱。通過(guò)底盤閃蒸流程改造，單位0.2MPa 蒸汽副產(chǎn)比提高12～14kg/kg-Si，并且省去了中溫水冷卻配套的循環(huán)水系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

5 尾氣干法回收工序能耗降低技術(shù)

根據(jù)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(shí)，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(huì)冷凝進(jìn)入液相。因此，提高再生氣壓力后再進(jìn)行冷凝，流程上對(duì)冷凝劑品位的需求就可以降低?，F(xiàn)有多晶硅生產(chǎn)廠家的尾氣干法回收工序大多采用-40℃的氟利昂冰機(jī)機(jī)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(shí)即可采用-20℃的乙二醇冰機(jī)機(jī)組，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

6 總結(jié)和展望

在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，可以使用多種先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，通過(guò)熱交換和余熱回收技術(shù)成為近年來(lái)多晶硅企業(yè)節(jié)能降耗的主要手段。而新型設(shè)備的研發(fā)與調(diào)試進(jìn)一步促進(jìn)了多晶硅能耗的降低，進(jìn)而提高多晶硅生產(chǎn)所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)我國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。