多晶硅生产节能技术研究

2021-01-08王永亮

化工设计通讯 2020年12期

谢岩，张然，王永亮

（新疆协鑫新能源材料科技有限公司，新疆昌吉 831800）

多晶硅是电子信息化产业和太阳能光伏发电产业的基础原材料，是上述行业的最上游产品。光伏太阳能行业自1955年西门子法多晶硅生产制备技术面世以来，共历经三代技术革新形成了现行的改良西门子法，其所生产的高纯多晶硅成本下降到45～55元/kg，已具备平价上网的前提条件。随着各个企业的自主研发和技术引进，国内企业逐步摆脱了国外的技术封锁，随着多晶硅工艺技术的日渐成熟，以及大型化、规模化装置的迅速投产，截至2019年底国内多晶硅产量达到342kt，中商产业研究院预测2020 年我国多晶硅产量将达到450kt。可再生能源巨头公司Statkraft 发布了其对全球能源趋势的第四次年度分析称：随着可再生能源成本下降，太阳能将在2035年成为世界上最大的电力来源，截至2050年，太阳能光伏和风能将占全球发电总量的70%。

随着“5.31”政策的发布和光伏平价上网的需要，多晶硅企业开始进入“微利”时代，产能的扩张和成本的降低倒逼高成本的落后产能被快速清退。多晶硅的生产成本主要由原辅材、能耗构成，受市场影响原辅材成本难以实现快速降低生产成本，而能耗动力通过技术革新可以实现快速降本，是企业重点关注的降本途径。

随着行业发展，多晶硅生产制造企业逐渐向规模化、集中化的方向发展，现阶段多晶硅企业的普遍规模均在万吨以上，平均综合电耗下降至70kW·h/kg，部分企业甚至已低于60kW·h/kg。多晶硅生产成本的降低受益于近年来的技术突破，使得能耗快速降低，根据GB 29447—2012《多晶硅企业单位产品能源消耗限额》中的规定，单位能耗高于27.85kgce/kg-Si的企业就属于高能耗企业，而在2019年多晶硅生产企业的平均综合能耗已下降到12.5kgce/kg-Si，2025年预测这一指标可以继续降至10.1kgce/kg-Si。

本文通过分析多晶硅节能技术的发展更替、现行技术的发展方向，并结合前沿技术的革命性思路，对未来多晶硅生产节能技术的发展进行展望，为企业降低多晶硅生产能耗提供理论指导。

1 多晶硅生产的能耗构成

多晶硅生产流程大致可以分为三氯氢硅合成、四氯化硅氢化、三氯氢硅提纯、三氯氢硅还原、尾气干法回收、硅棒处理和包装几个主要环节。多晶硅生产工艺流程见图1。

图1 多晶硅生产工艺流程

多晶硅的能耗由电耗、蒸汽消耗、水耗三部分组成，其中电消耗占多晶硅总能耗的95%左右，是多晶硅生产能耗的最主要构成部分。多晶硅生产能耗的构成见图2。

图2 多晶硅生产能耗的构成

多晶硅的电耗构成中三氯氢硅还原工序所消耗的电能达到了总电耗的75%～80%，尾气干法回收工序占比5%～7%，三氯氢硅合成工序占比5%～6%。

另外，蒸汽消耗占多晶硅总能耗的3%～5%，其中三氯氢硅提纯工序占蒸汽总消耗的35%～40%，尾气干法回收工序占蒸汽总消耗的25%～30%，四氯化硅氢化、还原工序分别占蒸汽总消耗的15%～20%。

因此，本文将对四氯化硅氢化、三氯氢硅提纯、三氯氢硅还原、尾气干法回收等四个主要工序中能耗的降低进行分析和探讨。

2 四氯化硅氢化工序能耗降低技术

四氯化硅氢化装置的主要能耗构成为物料的加热和工艺气体的冷凝，依据夹点技术原理，利用反应器出口的高温气体与过热后的氢气、四氯化硅混合气进行换热；利用洗涤塔出口饱和气体与四氯化硅进行换热；利用终端冷凝器后的不凝气与循环水冷凝器后的混合气体进行热交换，可以有效减少物料的加热和工艺气体的冷凝对热源和冷源的需求，从而降低单位能耗。

3 三氯氢硅提纯工序能耗降低技术

3.1 多效精馏技术

多效精馏是通过拓展工艺流程实现降低精馏操作能耗的一种途径，串联多个按照操作压力、温度逐渐增大排布的精馏塔，把操作压力和温度最大塔顶的蒸汽逐台送到其他温度及压强较低的塔里，实现热量的重复利用。因此，多效精馏的蒸汽消耗仅为单效精馏的1/n（n为串联塔数），即采用双塔时可以节约45%～50%的蒸汽消耗，三塔可以节约60%～66%的蒸汽消耗，以此类推……但是随着塔数量的增加，节能的功效也逐渐降低。并且，操作的难度和过程损耗也会同步增加，故生产中使用最多的还是双塔、三塔系统。

3.2 热耦合精馏技术

热耦合精馏技术于20世纪由Petlyuk 设想提出，其主要构成是由主塔和副塔组成的复杂塔代替常规的精馏塔。塔中被垂直分区分成两个部分，与之前的精馏塔相比，它有着更小的回流比，并且操作简单，节能高达60%。与传统的精馏技术相比，热耦合精馏技术通过将塔拆分为预分馏区、主塔区，并利用为预分馏区、主塔区间的气液流股耦合，减少了相应的冷凝器和再沸器，从而降低了系统的能耗。

3.3 隔板塔精馏技术

Long N V D 等通过内部和外部热集成的组合方式，提出了一种紧凑的集成物料精馏提纯方法。通过在流程中加入双热泵的方式，实现能耗降低了83.01%。通过投资回报分析，虽然隔板塔采用两种热泵辅助系统的初始投资远大于常规工艺，但其过程能耗的降低可实现降本约30%，证明使用热泵代替传统的再沸器-冷凝器塔是一种有效的节能降耗方式。

4 三氯氢硅还原工序能耗降低技术

4.1 多对棒大型还原炉技术

根据还原炉构型特点，Gonzalo del Coso 等提出增加硅棒数目的措施可以明显减少单位能耗。当硅棒数目由18对增加到30对时，单位多晶硅约可节能11kW·h/kg。华东理工大学倪昊尹等通过分析还原炉内温场、流场提出，当硅棒数目增加时，单根硅棒的辐射热损失将会逐渐降低，同时，随着硅棒数目的持续增加，这种降低的趋势会逐渐放缓。通过采用大型还原炉设计，可以有效地降低多晶硅生产中的单位电耗。

4.2 硅芯热启动技术

还原反应所用的载体硅芯热启动技术分为等离子预热启动和硅芯掺杂工艺两种。等离子预热启动技术是通过降低击穿电压和温度实现目标，而硅芯掺杂工艺是在硅芯制造过程中通过加入B、P 元素的方式减少硅芯的电阻率以实现降低硅芯击穿所需的温度和电压，从而减少硅芯热启动过程的能量消耗。

4.3 还原炉余热回收技术

还原炉采用的冷却水系统大致可分为炉筒水、底盘水、电极水，上述三种冷却水分别带走还原炉反应余热的70%、20%和10%左右。其中炉筒水普遍采用的是闪蒸0.2MPa 蒸汽和0.4MPa 蒸汽两种主要的流程，电极水考虑对电极和电气设备保护的需要无法采用高温水闪蒸，底盘水则可以通过流程改造使用高温水进行闪蒸，进而回收还原炉的余热。通过底盘闪蒸流程改造，单位0.2MPa 蒸汽副产比提高12～14kg/kg-Si，并且省去了中温水冷却配套的循环水系统，可以实现节能降耗的目标。

5 尾气干法回收工序能耗降低技术

根据道尔顿分压定律，以TCS 为例，气相中TCS 含量XTCS=PTCS/P总，等温增压时，混合物总压力P总增加，PTCS不变，所以XTCS变小，故一部分气相TCS 将会冷凝进入液相。因此，提高再生气压力后再进行冷凝，流程上对冷凝剂品位的需求就可以降低。现有多晶硅生产厂家的尾气干法回收工序大多采用-40℃的氟利昂冰机机组，再生气压力普遍为0.75MPa，如果将再生气压力上提至0.9～1.0MPa 时即可采用-20℃的乙二醇冰机机组，从而实现节能降耗。