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摘要：目前，太阳能技术和电子技术不断发展，多晶硅作为重要的应用原料，其生产和作水平也不断提升。在多晶硅制作的过程中，精馏、还原和尾气回收装置会消耗较多的能量，约占整体蒸汽耗量的95%。主要就多晶硅化工生产中的节能综合利用进行了阐述和分析。
关键词：多晶硅；节能降耗；太阳能；循环经济
虽然国内引进了许多国外技术及工艺包，但总体技术还是比较落后，无论从产品质量、成本方面都有很大的差距。因此，开发节能降耗新技术与探索节能降耗新途径，实现低能耗、低成本、高质量的多晶硅清洁生产工艺迫在眉睫势在必行。做好多晶硅生产的节能减排工作，不仅可以降低生产成本提高竞争力，还可以减少环境污染，实现企业和社会效益双赢。
一、多晶硅生产特点
1、多晶硅生产技术。其主要工艺过程如下：1）三氯氢硅（TCS）合成。HC l和粗硅粉在 300、03 MPa下反应生成三氯氢硅2）精馏。生成的三氯氢硅经过多级精馏提纯到6个9以上，去除 B、P、C及金属杂质。3）还原。提纯后的高纯度的氢气在1150、06 M Pa下，在导电的硅芯上沉积生成高纯的多晶硅产品，硅芯上的电压最高可达 50 kV，电流最大可达5000 A。4）尾气回收。还原氢化尾气中的氯硅烷、氢气、氯化氢通过尾气回收分离后循环使用。该工艺采用闭环生产并成为多晶硅生产技术的主流，其能耗主要包括精馏工艺蒸汽及还原氢化工艺的电耗，其中电耗占总能耗的40%左右。
2、多晶硅的发展特点：1）光伏产业、高纯度多晶硅是发展方向。当前国家在可再生能源、绿色环保等方面给予了有利的政策和发展导向。尤其是温室气体对全球气候的影响越来越大，发展可再生绿色能源势在必行。2）由于上马的多晶硅项目较多加上金融危机影响，导致世界多晶硅产能过剩竞争加剧，国内多晶硅产业可能将重新洗牌。3）虽然国内引进了很多国外技术及工艺包，但总体技术比较落后，无论从产品质量成本等方面都有很大的差距。4）一直以来，我国的光伏产业发展受到原料和用户的双重制约90%以上高纯度多晶硅依赖进口，90% 以上的太阳能产品用于出口。这种情况大大制约了我国光伏产业的发展，也大大削弱了我国多晶硅产业抵御市场风险的能力。
二、多晶硅化工生产分析
1、尾气回收耗能。在传统的尾气回收装置中，先利用循环水冷却贫液，再将贫液送入吸收塔，与富液进行热交换，以达到降温的目的。热交换处理后，吸收塔进料温度会降到15~25℃，尾气回收解析塔再沸器的容量为5000t/a，热量为10 500kW，即每小时会有15t蒸汽产生，该工艺对贫液中的热能并没有充分利用造成能源的浪费。利用解析塔进料富液使其与贫液再一次进行热交换，提升解析塔进料温度，可以达到75~80℃再降低塔底贫液温度，以及吸收塔冷冻能够符合进而控制解析塔对热量的需求，可以降低4 900kW同时节约蒸。
2、精馏耗能。精馏单元具体可以分为三个部分，分别是合成还原回收和冷氢化。在多晶硅生产的过程中精馏是耗能最多的环节之一。该生产工艺对氯硅烷精馏有很高的要求，其主要体现在分离、全塔组分组成、回流比等方面，其中各组分相互接近，回流比要大于再沸量，所以需要应用许多冷媒和热介质。在实际生产过程中，为了降低制冷能耗可以将深冷水换为常温冷却水，利用常温冷却水使冷凝器冷却。比较常用的精馏法为加压精馏，这种方法能够提升冷凝温度。传统的精馏系统热源会直接用蒸汽加热，精馏量为5 000t/a 时需要47698kW 的热量，所需蒸汽量为每小时68t。采用多效精馏的方式可以降低能耗，利用高能位塔排放的能量驱动低能位塔，进而满足节能的需求，采用差压耦合的工艺技术，转变原有的除轻、除重塔，从分离塔输入物料或在塔釜采出STC换热，以节约热量消耗，具体节约18 905kW，节约蒸汽27t/h。
3、还原热能。在传统的高温回收冷却工艺中，普遍采用循环水进行冷却，精馏塔再沸器和解析塔可以采用蒸汽加热的方式，对还原炉冷却水热量的利用并不充分，需要大量循环水和蒸汽的消耗，进而造成大量热量的浪费。其中，还原水进水和回水的水温分别是130℃和150℃，二者之间的温差为20℃，电耗为60kWh/kg。
在多晶硅满负荷的运行状态下，硅产量为750kg/h，夹套会带走一部分热量，约为75.8%，还原水产出34 125kW的热量，还原尾气出口达到580~610℃。还原汽化器操作压力为0.75MPa，H2与TCS进料摩尔比为3.5，企划系统的运行消耗3021kW 的热量。传统还原炉采用蒸汽加热的方式余热氢气和三氯氢硅，其进入尾气回收系统后可以利用循环水冷却，没有进行利用的还原夹套高温水、尾气相互换热，会造成循环水和蒸汽的过量消耗与浪费。
三、多晶硅生产的节能举措
1、大型还原炉节能技术。还原炉越大，单炉的产量就会增大，能量利用效率就越高，采用大型还原炉能有效利用热量，降低热量损失。目前生产企业中不同的还原炉的实际电耗为：18对棒的还原炉其电耗约为70 kWh/ kgSi、24对棒的还原炉其电耗约为60kWh/kgSi、48对棒的还原炉其电耗约45kWh/kgSi。近十年我国还原炉从起初进口的18对棒还原炉发展到今天的完全国产化的72对棒还原炉取得巨大的进步。通过还原炉的大型化和国产化，提高了多晶硅还原炉的工作效率，降低了设备投资费用大幅降低了能耗，部分还原炉能耗达到世界先进水平，为我国的光伏产业实现跨越式发展奠定了基础。
2、研发硅芯热启动技术。现阶段的硅芯热启动技术分为等离子预热启动和采用硅芯掺杂工艺两种。硅芯热启动技术普遍被用于节能减排降耗，在节能方面发挥了它独特的作用。等离子预热启动技术是通过降低击穿电压和温度来实现目标，这个技术现在被普遍应用；硅芯掺杂工艺制作硅芯时，加入 B、P 等元素来减少硅芯的导电率以达到降低硅芯炉温度和电压的效果，减少流程中电流的消耗来达到降耗的目的。
3、改进电控系统。需要耗费大量的电能，该工序电能单耗占多晶硅生产整体电耗的65%以上，优化电子控制系统可以大幅降低电耗。在生产中对多晶硅的电子控制系统进行改进，可以节约电能，我们可以从改进工艺条件和减少有害辐射物质对我们所生产的产品的危害两方面入手，根据反应器压力的实时变化和反应的温度变化的情况来调整和优化，使电流和电压的值处于最佳位置以达到不浪费的目的。
4、优化尾气干法回收工艺。尾气干法回收工艺是通过一系列冷却、加压、吸附技术对尾气中的气体进行分离并根据生产工序对工艺物料的需要进行重复使用。充分回收还原尾气中的氢气、氯化氢和氯硅烷。它是实现多晶硅闭环生产中重要的一环。充分回收利用尾气中的各种工艺气体，废气的利用率得到了提高，在降低回收能耗的同时提高各组的回收效率，达到多晶硅生产节能降耗的目标。
5、建立多晶硅循环经济园。多晶硅是光伏和半导体产业的重要组成部分，是太阳能领域的一种重要原材料。建立光伏多晶硅循环经济园充分利用好经济园周边的自然及人力优势，在经济园周边地区招募员工降低了人力投入；充分使用经济园周边的矿产资源，就近使用经济园周边的水、电，提高生产效率减少电能水的损耗，节约能源建立完备的信息管理系统，将原材料、生产工艺、产品、销售进行一体化处理，从总体上提高效率，达到节能降耗的效果。
在多晶硅生产过程中实现节能降耗的目标，可以使用多种先进的节能技术，通过热交换和余热回收技术成为近年来多晶硅企业节能降耗的主要手段。而新型设备的研发与调试进一步促进了多晶硅能耗的降低，进而提高多晶硅生产所创造的经济效益促进我国多晶硅产业的发展。
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