改良西門子法

改良西門子法生產(chǎn)多晶硅多晶硅生產(chǎn)的西門子工藝，其原理就是在1100°C左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。改良西門子工藝是在傳統(tǒng)西門子工藝的基礎(chǔ)上，同時(shí)具備節(jié)能、降耗、回收利用生產(chǎn)過程中伴隨產(chǎn)生的大量H2、HCI、SiCI4等副產(chǎn)物以及大量副產(chǎn)熱能的配套工藝。目前世界上絕大部分廠家均采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅。1、改良西門子法是目前主流的生產(chǎn)方法多晶硅是由硅純度較低的冶金級(jí)硅提煉而來，由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進(jìn)而對(duì)應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、用途、產(chǎn)品檢測(cè)方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)秘密，總的來說，目前國(guó)際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。改良西門子法是目前主流的生產(chǎn)方法，采用此方法生產(chǎn)的多晶硅約占多晶硅全球總產(chǎn)量的85%。但這種提煉技術(shù)的核心工藝僅僅掌握在美、德、日等7家主要硅料廠商手中。這些公司的產(chǎn)品占全球多晶硅總產(chǎn)量的90%，它們形成的企業(yè)聯(lián)盟實(shí)行技術(shù)封鎖，嚴(yán)禁技術(shù)轉(zhuǎn)讓。短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會(huì)改變。 在未來15-20年內(nèi)，采用改良西門子法工藝投產(chǎn)多晶硅的資金將超過1,000億美元，太陽能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)將仍然以改良西門子法為主，改良西門子法依然是目前生產(chǎn)多晶硅最為成熟、最可靠、投產(chǎn)速度最快的工藝，與其他類型的生產(chǎn)工藝處于長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，很難相互取代。尤其對(duì)于中國(guó)的企業(yè)，由于技術(shù)來源的局限性，選擇改良西門子法仍然是最現(xiàn)實(shí)的作法。在目前高利潤(rùn)的狀況下，發(fā)展多晶硅工藝有一個(gè)良好的機(jī)遇，如何改善工藝、降低單位能耗是我國(guó)多晶硅企業(yè)未來所面臨的挑戰(zhàn)。2、西門子改良法生產(chǎn)工藝如下：這種方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能降耗顯著、成本低、質(zhì)量好、采用綜合利用技術(shù)，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染，具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。改良西門子工藝法生產(chǎn)多晶硅所用設(shè)備主要有：氯化氫合成爐，三氯氫硅沸騰床加壓合成爐，三氯氫硅水解凝膠處理系統(tǒng)，三氯氫硅粗餾、精餾塔提純系統(tǒng)，硅芯爐，節(jié)電還原爐，磷檢爐，硅棒切斷機(jī)，腐蝕、清洗、干燥、包裝系統(tǒng)裝置，還原尾氣干法回收裝置；其他包括分析、檢測(cè)儀器，控制儀表，熱能轉(zhuǎn)換站，壓縮空氣站，循環(huán)水站，變配電站，凈化廠房等。石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業(yè)硅，其化學(xué)反應(yīng)SiO2+CfSi+CO2t為了滿足高純度的需要，必須進(jìn)一步提純。把工業(yè)硅粉碎并用無水氯化氫(HCl)與之反應(yīng)在一個(gè)流化床反應(yīng)器中，生成擬溶解的三氯氫硅(SiHCl3)。其化學(xué)反應(yīng)Si+HClfSiHCl3+H21反應(yīng)溫度為300度，該反應(yīng)是放熱的。同時(shí)形成氣態(tài)混合物(H2,HCl,SiHCl3,SiCl4,Si)。第二步驟中產(chǎn)生的氣態(tài)混合物還需要進(jìn)一步提純，需要分解:過濾硅粉，冷凝SiHC13,SiC14，而氣態(tài)H2,HC1返回到反應(yīng)中或排放到大氣中。然后分解冷凝物SiHCl3,SiCl4，凈化三氯氫硅(多級(jí)精餾)。凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，以高純的SiHCl3在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。其化學(xué)反應(yīng)SiHCl3+H2-Si+HClo多晶硅的反應(yīng)容器為密封的，用電加熱硅池硅棒(直徑5-10毫米，長(zhǎng)度1.5-2米，數(shù)量80根)，在1050-1100度在棒上生長(zhǎng)多晶硅，直徑可達(dá)到150-200毫米。這樣大約三分之一的三氯氫硅發(fā)生反應(yīng)，并生成多晶硅。剩余部分同H2,HCl,SiHC13,SiCl4從反應(yīng)容器中分離。這些混合物進(jìn)行低溫分離，或再利用，或返回到整個(gè)反應(yīng)中。氣態(tài)混合物的分離是復(fù)雜的、耗能量大的，從某種程度上決定了多晶硅的成本和該工藝的競(jìng)爭(zhēng)力。在西門子改良法生產(chǎn)工藝中，一些關(guān)鍵技術(shù)我國(guó)還沒有掌握，在提煉過程中70%以上的多晶硅都通過氯氣排放了，不僅提煉成本高，而且環(huán)境污染非常嚴(yán)重。改良西門子法相對(duì)于傳統(tǒng)西門子法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：節(jié)能：由于改良西門子法采用多對(duì)棒、大直徑還原爐，可有效降低還原爐消耗的電能；降低物耗：改良西門子法對(duì)還原尾氣進(jìn)行了有效的回收。所謂還原尾氣：是指從還原爐中排放出來的，經(jīng)反應(yīng)后的混合氣體。改良西門子法將尾氣中的各種組分全部進(jìn)行回收利用，這樣就可以大大低降低原料的消耗。減少污染：由于改良西門子法是一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)，多晶硅生產(chǎn)中的各種物料得到充分的利用，排出的廢料極少，相對(duì)傳統(tǒng)西門子法而言，污染得到了控制，保護(hù)了環(huán)境。改良西門子法屬于歐美淘汰的舊技術(shù)，相對(duì)國(guó)外最先進(jìn)的硅烷法成本較高，而且能耗高，污染重。是國(guó)內(nèi)多晶硅企業(yè)一般采用的方法。一般3到5年之內(nèi)會(huì)淘汰。

多晶硅生產(chǎn)中涉及的主要危險(xiǎn)物料種類及分布情況序號(hào)物料名稱主要分布場(chǎng)所火災(zāi)危險(xiǎn)性危險(xiǎn)化學(xué)品類別危害特性備注1硅粉硅粉倉(cāng)庫(kù)、氫化車間乙類4.1類易燃固體易燃原料2液氯液氯氣化、氯化氫合成乙類2.3類有毒氣體劇毒原料3SiCl4氯硅烷罐區(qū)丁類8.1類酸性腐蝕品腐蝕、灼傷中間產(chǎn)品4SiCl3氫化車問、氯硅烷罐區(qū)甲B類4.3類遇濕易燃品易燃易爆中間產(chǎn)品5SiH2Cl2氫化車間甲類2.3類有毒氣體易燃易爆中間產(chǎn)物6H2制氫站甲類2.1類易燃?xì)怏w易燃易爆中間產(chǎn)物7O2制氫站乙類2.2類不燃?xì)怏w助燃中間產(chǎn)物8無水HCl氯化氫合成、還原副產(chǎn)--2.2類不燃?xì)怏w腐蝕、灼傷中間產(chǎn)品9鹽酸還原副產(chǎn)、酸罐區(qū)--8.1類酸性腐蝕品腐蝕、灼傷最終產(chǎn)品10壓縮空氣空壓站乙