改良西门子法制备多晶硅中的能耗和环境保护问题

改良西门子法制备多晶硅　我找了部分相关资料，大家可以共享以下：
改良西门子法制备多晶硅中的能耗和环境保护问题
近一段时间来，社会和业界对多晶硅颇为关注，使得原本鲜为人知的一个产品成了一个公众话题。个人认为，其原因有二：一是由于光伏产业的飞速发展带来的对多晶硅产品的过度疯抢，使得它的市场价格严重背离其价值。一些多晶硅制造商一夜之间成了令人侧目的暴发户，诱人的利润空间引来不少投资商不惜投入巨资建立多晶硅生产厂。新建项目之多、投入资金之巨、建设规模之大，这在中国是空前的，在全球也是罕见的。二是多晶硅制备中的能耗和污染问题，颇多微辞。更有甚者认为是消耗中国的能源为别国生产清洁能源；把污染留在国内，把清洁能源卖给别人。
本人想利用这个机会就“多晶硅的能耗和污染”谈几点意见。
多晶硅制备的特点
1.多晶硅的制备工艺过程是元素硅的提纯过程，它是将2个“9”的工业硅提纯到7～11个“9”的高纯硅工艺过程；
2.硅的提纯方法是将元素硅转化成易于制得、易于提纯、易于还原的化合物（如SiHCl3、SiCl4、SiH4等），工艺中以提纯硅的化合物为提纯元素硅的主要手段；
3.多晶硅的制备基本上是一个化工过程，主要的化工工艺有：硅的化合物的合成、硅的各类化合物的分离、硅化合物的提纯、氢还原硅化合物的汽固相沉积多晶硅等；
4.多晶硅制备是一个耗能较高的产业，平均每吨多晶硅的电耗在20万kWh以上；
5.多晶硅制备工艺是集化工、气体净化、电气控制、理化分析等工序复杂而有机集成的过程，它需要各类专业人才密切合作才能取得成功；
6.多晶硅制备是资金密集、技术密集、人才密集的“三密”产业，平均而言，每吨多晶硅的投资高达70～100万元人民币；
7.一个现代化的多晶硅厂的建设需要24～28个月，所使用的设备大多是非标准设备，设计、加工、安装、调试等所需的时间较长；
8.多晶硅制备是将元素硅提纯到很高纯度的过程，这个生产系统的任何泄漏、微量沾污及引入系统的原料、试剂、保护气氛等都会对产品质量产生重大影响。严格控制、有效管理生产系统的各种设备、管道、阀门、接头等的清洗、干燥和安装是制得合格的优质产品的关键之一。
建设多晶硅项目要注意的几个问题
1.工艺选择和产品方案
1）、全球多晶硅的工业化生产始于上世纪五十年代末、六十年代初，经过半个世纪的探索，发展至今基本形成了两种主要工艺：
一是SiHCl3氢还原法（亦称西门子法）；
二是SiH4热分解法。
目前，全球用西门子法生产的多晶硅约占总产量的77％，使用此法的知名公司有美国的Hemlok、德国的Wacker以及日本的几家公司。而用硅烷热分解法生产多晶硅的只有挪威REC的Asimi公司和美国MEMC公司的Pasadena工厂，前者是生产棒状多晶硅，后者是生产粒状多晶硅，他们的产量约占全球总量的23％左右。
2）、上述两种工艺的比较
上世纪九十年代美国的硅业界同仁对采用SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4等四种原料生产多晶硅的方法，从12个方面进行过评价、打分，
其结果是：
比较的项目        SiH4        SiH2Cl2        SiHCl3        SiCl4
1、原料提纯        8        8        7        10
2、原料制造成本        4        6        7        7
3、原料的安全性        4        3        9        10
4、原料可选择来源        0        0        10        10
5、原料的运输        2        2        8        9
6、原料的储存        4        2        9        9
7、副产品的回收        2        3        9        10
8、副产品的再利用        5        5        8        9
9、沉积速率        3        5        7        4
10、对建筑物的要求        5        5        9        10
11、对反应炉的选择        6        3        9        9
12、电能的用量        6        5        4        1
总评分        49        47        96        98
3）、工艺选择宜选用改良西门子法，其理由是：改良西门子法生产多晶硅已是很成熟的工艺，安全性相对较高，产品纯度基本能满足微电子工业需要；
全球近八成的多晶硅都是采用改良西门子法生产的；
    全球新建多晶硅项目也都选择西门子法；
    我国的在建和新建的多晶硅项目全部采用改良西门子法；
4）、产品方案
   产品方案选择中最好要包含三种规格：
   即：FZ单晶硅用料，约占总产量的1％；CZ单晶硅用料，约占总量的20％；太阳能级多晶硅，占总量的79％。
   这既是从建厂的水平考虑，也是从抗风险能力考虑。
2.建设周期和投资估算
1）、建设周期
根据经验，一个大型多晶硅建设项目，从开始策划到建成投产，大约需要24～28个月，其中：
（1）项目策划期：（组建队伍、编制可研、选择设计单位并进行设计交底、选择厂址、落实建设条件、选择施工单位、开始设备询价等 ）约需4个月；
（2）项目建设期：（各个子项的土建施工）10～12个月；
（3）设备安装期：（工艺管网、工艺设备安装）6～8个月；
（4）工艺调试期：4个月。
2）、投资估算
根据国内已建成或正在建设的多晶硅项目的实际经验，平均每吨多晶硅的投资大约在70～100万元之间。
3.综合利用和环境保护
1）、综合利用
所谓综合利用，就是要把在工艺中所产生的副产品，如HCl、SiCl4以及工艺不再适用的SiHCl3等加工生产成其他工业品，其目的是降低单耗、节约资源和有利环保。为此目的国内外许多厂家进行了二、三十年的艰辛努力，总结出了一套行之有效的方法。他们把还原尾气的回收利用分为了三种类型：
第一种类型：多晶硅生产厂用采购的TCS作原料来生产多晶硅，回收尾气中的TCS留厂自用，而HCl和STC则外销。这只适合于年产200吨左右的多晶硅厂，因为HCl和STC的外销量很有限。
第二种类型：多晶硅生产厂用采购的TCS作原料来生产多晶硅，回收尾气中的TCS和STC都留厂自用，而只外销HCl，留下的STC要通过氢化使之转化成TCS再用于生产多晶硅。这只适合于中等规模的多晶硅厂，即产能在1000吨以下的多晶硅厂。
第三种类型：是一种闭路循环的生产系统，即多晶硅厂用采购的MG-Si和HCl作为原料，就地生产TCS自用，回收得到的STC转化成TCS，回收得到的HCl再次与MG-Si合成TCS。这适合于建立年产3000吨以上的大型多晶硅工厂。这一流程是目前比较推行的生产方式，它完全符合降低单耗和成本、节约资源和有利环保的要求，但是要建立起这样的生产流程，既需要大量的资金，还需要有较高的技术，目前能掌握此项技术的生产企业不多，这也是多晶硅生产规模不能快速扩大的原因之一。
不管我们采用哪一种类型的建厂模式，即使是闭路循环，也会有含杂质较高的高、低沸物和少量尾气需要排除，因此仍然存在一个综合利用的问题。比如我们把废弃的HCl气回收生产初级盐酸，作为自用或外销用于清洗设备或设施。我们把废弃的含杂量高的TCS和STC用于制备有机硅、硅树脂、硅橡胶、硅酮等产品。
多晶硅厂副产品的综合利用是一个综合性的大课题，需要进一步进行深入的研究.凡是建立年产5000吨及其以上的多晶硅工厂，都应该设立相应的研究机构，专门从事其综合利用的研究工作。这既是企业自身节能降耗、降低成本的需要，也是企业对社会、对环保的一种责任
2）、环境保护
从以上谈到的情况来看，多晶硅的生产流程实际上是一个化工过程，除原料我们要用到液氯、工业硅外，中间产品还有TCS、STC，另外在腐蚀清洗时还要用到硝酸、氢氟酸、硫酸等，此外我们在破碎、加工硅材料的同时还会有一些硅渣、硅粉产生，从环境保护的角度出发，我们不允许有任何的废弃物对我们的周边环境带来任何危害。据此目的，多晶硅厂的环境保护就显得极为重要。环保设施的好坏决定项目的成败。
一般说来，环保设施所花投资约占总投资的15％左右。
4.热平衡和料平衡
1）、关于热平衡和余热利用问题
多晶硅制备是耗能较高的产业，而所耗电能的绝大部分又变成了热能。特别是还原炉所耗电能约占总电耗的60％，因此在设计、建设多晶硅项目时，一定要仔细核算热量的产生、传递和再利用问题。
国内已开发成功的还原炉导热油冷却技术较好地解决了还原过程中的余热利用问题，值得推广。
根据实际的运行经验，还原过程的90％的余热得到再次利用，使得单位电耗大幅度下降，同时还将使全厂的用水量下降大约60％。
2）、物料平衡
在设计、建设多晶硅项目时，仔细核算每道工序的物料使用量和消耗量是至关重要的，这是确保项目低成本、高效率运作的前提。
无论是热平衡还是料平衡，对于任何一家化工设计单位来说都是其强项。我这里强调其重要，是提请设计者必须仔细核算，不可粗心。
5.闭路循环工艺
无论从节能降耗、降低成本考虑，还是从保护环境考虑，闭路循环式的多晶硅生产工艺是建设大型多晶硅厂必须选择的建厂方式。美国科学家William.C.O’Mara 在1990年出版的《Handbook of Semiconductor Silicon Technology》书中所描述的这种闭路循环生产方式是：副产品垂直集成是指H2和Cl2等副产品闭路循环回收和再利用。这一设计是将第二级重复利用STC集成化生产新的TCS，同时还用副产品HCl与MG-Si在一个FBR炉中生产TCS和STC两种产品。这新增加的一步很明显是为降低大型多晶硅工厂的制造成本，即闭路循环H2和Cl2的副产品回收回来生产多晶硅。他们设想的这种工厂采购进来的是MG-Si和液氯，而外售的产品只有多晶硅。这是实现了真正意义上的闭路循环。
上面提到的还原尾气干法回收技术和SiCl4氢化技术为实现这种真正意义上的闭路循环提供了重要基础。我们知道，多晶硅的制备是从纯度很低的MG-Si开始的，而最终产品却是纯度很高的高纯硅，虽然我们为了提纯引进了氢气和氯气，但最终产品却并未将这些氢气和氯气带走，如果保持了氢气和氯气在工艺中的不断循环，这显然对降低原料消耗、降低成本非常有利，同时也不会对环境带来太大的污染。尽管目前国内外许多多晶硅制造商还没有完全按照这一工艺路线去做，但这却是今后所有类似工厂必然要走的路。
多晶硅制备中的能耗和环保问题
1．关于能耗问题
多晶硅产品的工业化生产已有50多年的历史了，最初由于规模小且工艺落后，在上世纪我国多晶硅生产的电单耗都在500 kWh/kg以上。2000年以前，国外报道的多晶硅的电单耗大约是240kWh/kg左右。目前有消息称，国外最好的还原直耗电已达到低于100 kWh/kg，国内已经达到的电单耗水平为200 kWh/kg 左右。
随着规模的扩大、技术的进步以及工艺的改进，多晶硅的电单耗普遍达到150 kWh/kg是完全有可能的。
需要说明的是：
⑴ 所谓多晶硅是高耗能产业是指在光伏产业链的各个制造环节中，它处在耗能最多的环节。
⑵多晶硅高耗能之说是项目建设单位为了向国家或建设地地方要优惠电价自己喊出来的（其实所有从矿山到单质原料冶炼的材料绝大多数都是高耗能的）。
⑶多晶硅是电子和光伏工业的基础原料，应该说也是一种战略性材料，它的使用价值和电耗比及其对后续产品的倍增效应看应该优于其他材料（一吨铝从制备氧化铝到电解铝的冶炼耗电也需要23000 度）。
⑷以10吨多晶硅生产1MW电池计，硅基光伏电池的能源回收期在2.5年以内，正常情况下的能源再生比在10以上，所以不能说能耗上不合算。
⑸从长远看，太阳能肯定是未来能源的主角，太阳能光伏产业的发展是未来能源的主流地位的趋势是不可阻挡的。
2.关于环保问题
我们知道，在多晶硅制备中有大量的废液和废气产生，主要的废液是四氯化硅（SiCl4），主要的废气是氯化氢（HCl）。这两种东西，无论从回收还是处理来看都不存在问题，关键的问题是必须要引起足够的重视。
1）、从回收来看，CDI开发的干法回收技术，已能将还原及其他工序产生的尾气全部回收并加以逐一分离，这对其后的分别利用创造了极为有利的条件；
2）、从处理来看，SiCl4遇水极易分解成SIO2和HCl，它实际上就是SIO2的酸性水溶液。只要用石灰乳一类的碱性物质中和之后就是无害的。
3）、从综合利用角度看，SICl4已有用于生长人造石英、白炭黑和氢化处理成SIHCl3再循环使用的方法和技术。
综上所述，多晶硅制备中所有的废气、废液都可得到回收利用和有效处理，无论从技术上还是实践上都没有任何问题，关键的问题是我们必须认真对待它。
几点个人看法
1）、多晶硅是电子工业和光伏产业最重要、最基础的功能材料，也可以说是一个国家重要的战略性材料，并非可有可无；
2）、发展多晶硅不可以只注意光伏产业的需要，目前我国微电子工业和电力电子工业所需的高质量多晶硅绝大部分依靠进口，这对一个有四十多年产业历史的国家来说不能不说是件可悲的事情
3）、硅基光伏电池在未来30～50年内，不可能被其他光伏材料取代，发展多晶硅产业是会有较长时间的市场空间的；
4）、以多晶硅制备光伏电池能源上不合算的说法是站不住脚的；
5）、用我们的电能生产光伏产品为别国提供清洁能源的观点未免太狭隘，你不用清洁能源，难道还不让别人使用？更何况都是为保护我们共有的地球出力，光伏产业是一个对全人类有利的很光彩的产业；
6）、近年来，我国多晶硅产业发展很快，这是值得庆幸的好事。但近三年里，我们的总量还不可能超过发达国家；即使超过发达国家也属正常，我们的钢铁可以超过、有色金属可以超过、家电可以超过、光伏产品可以超过，为什么我们的多晶硅就不可以超过呢？
7）、近年来，我国新上多晶硅的项目很多，确实需要国家统筹考虑。多晶硅制备中也确实有能耗高、环境污染的问题，但这不是不可克服的问题。我个人认为在未来2～3年内，我们的多晶硅制备水平一定会接近或达到国际水平。前进中的问题要在前进中去解决，不要一味指责，更不能靠限制，我想任何人也不会因为火车或飞机出过安全事故就停运铁路或关闭机场；
8）、现有的和即将进入的多晶硅制造商要在技术进步、技术创新、环境保护上投入必要的资金和人力，并在日常的管理中对安全和环保引起足够的重视。2000年以前的多年里，多晶硅制造商是微利或亏本的，现在有钱了，要舍得在开发新技术和环境保护上花本钱、下功夫。
让我们与世界和中国的光伏企业一起腾飞！
以上是我看到的一篇资料，希望对大家有用...
[ 本帖最后由 LHY8771 于 2009-4-1 15:16 编辑 ]