多晶硅生產中精餾節能減排的應用研究

摘 要：針對現行工藝在多晶硅生成中應用存在蒸汽消耗量較大和能耗較高的問題，本文提出多晶硅生產中精餾節能減排的應用研究。對多晶硅生產原料進行篩分、粉碎和研磨處理，利用礦熱爐對其粗餾，采用多效精餾技術進行粗餾物精餾提純，并引入直接壓縮式熱泵精餾技術對精餾單元中的熱量進行重復利用，實現精餾節能減排，采用硅烷工藝對精餾提取到的三氯化硅進行分裂處理，制備多晶硅，實現基于精餾節能減排的多晶硅生產。經試驗證明，設計工藝應用下蒸汽消耗量、能耗降低，節能減排效果良好。

關鍵詞：精餾；多效精餾技術；直接壓縮式熱泵精餾技術；硅烷工藝

中圖分類號：TQ 127" 文獻標志碼：A

全球太陽能電池市場展現出前所未有的高速增長態勢，年復合增長率穩定在40%～50%，其中多晶硅太陽能電池以其技術成熟與成本效益優勢，占據了市場超過90%的份額，具有主導地位。中國作為全球最大的太陽能電池生產國，其多晶硅產業蓬勃發展，產能和產量持續攀升[1]。2010年，中國多晶硅年產能已突破8.5萬t大關，實際產量達4.5萬t，同時進口量也保持高位，彰顯了國內外市場的強勁需求與產業鏈的深度融合。

然而，多晶硅生產規模的擴張伴隨能耗激增與環境污染加劇的雙重挑戰。精餾作為多晶硅提純的核心環節，其能耗占比高達整個生產流程的50%～70%，成為節能減排的關鍵瓶頸。雖然傳統精餾技術（例如西門子法）應用廣泛，但存在能耗與物耗雙高、環境污染嚴重、生產效率低下等顯著弊端，嚴重制約了多晶硅產業的可持續發展。

基于以上背景，本文提出多晶硅生產中精餾節能減排的應用研究，旨在大幅降低能耗、減少污染物排放，推動多晶硅生產向綠色、低碳、環保方向轉型。

1 精餾節能原理

多效精餾作為一種先進的化工分離技術，旨在通過優化工藝流程結構來顯著降低能耗，其核心在于利用不同溫度梯度的精餾塔序列，實現能量的逐級傳遞與高效利用。該技術將高溫精餾塔產生的蒸汽作為后續低溫精餾塔的再沸熱源，同時利用低溫塔頂蒸汽進行冷凝，從而減少對外部加熱與冷卻資源的依賴，以此降低設備投資與運行成本。

多效精餾系統基于單塔精餾原理，根據產品純度需求與操作條件差異，構建多級溫度梯度塔群。在此架構下，首塔通過外部熱源加熱，其塔頂蒸汽依次作為后續塔的再沸熱源，直至末塔蒸汽通過冷卻介質冷凝，形成閉環能量傳遞路徑。此過程中，除首尾兩塔外，中間塔群無須額外引入加熱或冷卻介質，以此實現能量在塔群內部的高效循環與利用。

節能優化策略主要包括操作參數的精細調控、操作負荷的合理降低及分離效率的持續提高。熱集成與熱回收技術的應用能夠在減少能量直接損失的同時，通過多塔間的熱耦合效應，進一步提高系統整體能效。通過精確調控各塔操作壓力，確保蒸汽冷凝溫度略高于下一級塔底液體沸點，實現能量的無縫傳遞。首塔釜采用新鮮蒸汽加熱，隨后各級塔釜依次利用上一級塔頂蒸汽加熱，最終在末塔冷凝收集多晶硅，全程遵循嚴格的能量流動順序。

2 多晶硅生產工藝

2.1 原料處理及粗餾

在多晶硅生產的初始階段，為了確保多晶硅生產產品質量與生產效率，需要先對原料進行處理與粗餾。

2.1.1 原料處理

多晶硅生產的主要原料為硅礦石，其預處理過程對提高后續反應的效率和純度至關重要。首先，通過物理選礦方法，振動篩分設備的頻率為20Hz～50Hz、振幅振動為2mm～5mm，風力分級技術根據顆粒質量與形狀，以10m/s～15m/s的風速進一步篩選，有效去除原料中的大塊雜質及不符合粒度要求的顆粒，保證進入破碎流程的原料質量。再采用高效破碎機對篩選后的硅礦石進行破碎處理，高效破碎機以1200r/min～1500r/min的轉速，配合30t/h～50t/h的進料速度，將礦石破碎為5mm～20mm的均勻小顆粒，以便后續研磨操作。在研磨階段，球磨機采用直徑15mm～25mm的鋼球作為研磨介質，以40r/min的轉速運行，研磨時間設定為3h，確保原料粉末粒度達到10μm～50μm，粒度分布均勻，比表面積升至2m2/g～3m2/g，顯著提高其反應活性。通過精準調控研磨參數，實現了原料粉末的高質量制備。

2.1.2 還原劑選擇與混合

還原劑的選擇直接影響多晶硅的成本與品質。本工藝優選木炭，因其純度高達95%以上，灰分低于2%，且反應性優良[2]。木炭粒度嚴控在1mm～3mm，經篩分除雜，確保無雜質干擾。

石英礦物（硅砂）與木炭粉按3∶1的質量比混合，基于SiO2與C的化學計量比優化。采用雙錐混合機，混合筒以30r/min的轉速勻速旋轉，內部攪拌葉片以45°角設計，增強混合效果?；旌蠒r間精確設定為45min，確保原料與還原劑均勻融合，形成細膩的混合物，通過細致調控，實現高效混合，保證工藝穩定性[3]。

2.1.3 粗餾過程

混合物制備完畢后，隨即送入礦熱爐展開粗餾作業。礦熱爐作為此工藝的核心設備，利用強大電流在電極間激發高溫電弧，營造極端高溫環境，對爐內物料實施深度加熱。初始預熱階段，爐內溫度維持在200℃左右，歷時約30min，旨在促進混合物內部應力釋放與初步化學反應。逐步升溫至1450℃～1550℃，確保硅酸鹽與炭粉間的還原反應高效且充分。

還原反應的主要化學方程式如公式（1）所示。

該反應在高溫下快速進行，硅酸鹽被還原為金屬硅（Si），同時生成一氧化碳（CO）作為副產物。為確保反應完全，須保持爐內良好的氣流循環，以促進反應物與生成物的擴散和分離。同時，設置高效的尾氣收集系統，對產生的一氧化碳進行收集與處理，避免環境污染。

粗餾結束后，爐內物料經自然冷卻至室溫，采用顎式破碎機將其破碎至直徑小于5cm的小塊狀。通過配備雙層振動篩分設備，以1mm為篩分界限，對破碎物料實施精細篩分，分離出純度初步提高的金屬硅。此階段的產品質量雖未達到最終要求，但已通過粗餾過程有效去除了大部分雜質，為后續提純工序奠定良好基礎。

2.2 精餾節能減排

對粗餾得到的金屬硅進行精餾，精餾的目的是對含有雜質的硅進行提純，將粗餾產物輸入多晶硅生產裝置精餾單元中，其結構如圖1所示。

金屬硅在精餾單元內通過多塔分離提純，得到三氯化硅，在該過程中產生四氯化硅和二氯二氫硅，對其反歧化反應生成四氯化硅。前3個階段的塔采用多效精餾技術，具體來說，精餾二級塔在操作過程中消耗0.3MPa的蒸汽作為初始熱源。0.3MPa的蒸汽通過熱交換機制，逐級向下傳遞至精餾三級塔及更前一級的塔中，形成一種有序的熱量梯級利用系統。在此熱量傳遞的鏈條上，每一級塔的工作壓力均呈逐步降低的趨勢，以此優化熱效率，促進精餾過程的平穩進行[4]。四級、五級塔以及四氯化硅分離塔同樣采用多效精餾，根據四氯化硅分離需求，將四氯化硅分離塔熱源壓力升至0.5MPa，確保高效的分離效果[5]。隨后，四氯化硅分離塔內產生的熱量依次傳遞給精餾五級塔和精餾四級塔，實現熱能的再次循環利用。并且，三氯化硅分離塔從四氯化硅分離塔的氣相側采集部分熱量，額外補充0.3MPa的蒸汽作為輔助熱源，采用雙熱源配置增強三氯化硅分離塔的熱處理能力，確保分離過程的穩定性和高效性[6]。在以上精餾過程中，塔設備間都存在熱量耦合和傳遞關系，塔頂溫度控制在100℃，塔頂冷凝器將出口溫度降至60℃，在這過程中精餾塔承擔較大的負荷。塔釜的溫度維持在80℃，塔釜再沸器采用塔頂的高溫蒸氣作為熱源，實現熱能高效回收的理念。然而，直接提高精餾塔操作壓力會干擾換熱效率。

為克服上述限制，引入直接壓縮式熱泵精餾技術，通過壓縮塔頂蒸氣，并將其轉化為塔釜再沸器的熱源。為確保潛熱的最大化利用，設定壓縮后蒸氣冷凝溫度須至少比塔釜溫度高15℃，這樣既保障充足的傳熱溫差，又有效減少換熱設備的面積需求[7]。熱泵壓縮機的選型綜合考慮多方面因素，包括氣量匹配、壓縮比、負荷調節靈活性、介質攜帶液體的可能性、介質安全性及壓縮液化特性等。最終，選定無油干式雙螺桿壓縮機，型號為KDFGJAS-A5F5，采用電機驅動。通過以上節能減排措施，提高高純晶硅精餾過程的能效，實現分離效果與能耗平衡。

2.3 粒狀多晶硅制備生產

在多晶硅生產流程中，粒狀多晶硅的制備是精餾節能減排策略下的關鍵環節。在以上基礎上，采用硅烷工藝對精餾提取到的三氯化硅進行分裂處理。

精餾工序中，三氯化硅作為目標產物，須嚴格控制精餾塔的操作條件，以確保其高純度。精餾塔塔頂溫度設定為120℃～130℃，塔底溫度維持在200℃～220℃，壓力控制在0.1MPa～0.2MPa，回流比設定為2～3，以確保三氯化硅的高純度與低雜質含量，為后續反應奠定堅實基礎。

接著進入硅烷制備階段，三氯化硅在特定設計的沸化床系統中進行加氫還原反應。此系統需要將溫度精確調控至450℃，以觸發三氯化硅的徹底裂解。同時，通入適量氫氣，將氫氣與三氯化硅的摩爾比控制在1.5∶1，促進反應生成三氯氫硅（SiHCl3）及氫氣（H2）。反應過程中，系統壓力維持在0.5MPa～1.0MPa，并配備有高效的熱交換系統，以控制反應溫度波動在±5℃范圍內，避免局部過熱導致副產物生成。

生成的三氯氫硅隨后進入歧化反應階段，此過程通常在特定的催化條件下進行，催化劑選用鈀基催化劑，用量為反應物質量的0.5%。反應溫度設定為300℃，反應時間控制在4h～6h。通過優化反應條件，可最大化硅烷產率，同時減少副產物生成[8]。歧化反應后，硅烷（SiH4）氣體的純度可達到99%以上。

硅烷氣體的后續處理是制備粒狀多晶硅的核心步驟。硅烷被引入流動反應器中，反應器內部布置有適量的硅粉作為反應介質。硅粉粒徑控制在10μm～50μm，以提高反應效率。反應溫度設定為800℃～1000℃，以確保硅烷氣體發生熱解反應，分解為純凈的氫氣和細小的硅顆粒。反應器設計采用多級氣流分布板，以實現氣流的均勻分布，同時設置溫度梯度控制裝置，以確保反應溫度的精確控制。

最終，生成的硅顆粒在反應器內逐漸長大并聚集成粒狀多晶硅制品。此階段采用高效的過濾裝置進行顆粒的收集與分離，過濾介質選用陶瓷纖維材料，確保多晶硅產品的純凈度與收率。同時，通過壓縮機將氫氣壓縮至0.5MPa～1.0MPa，并送回至硅烷制備階段進行循環利用，以減少資源浪費與環境污染，進一步體現精餾節能減排的理念。

3 試驗論證

3.1 試驗準備與參數設置

為了驗證提出的基于精餾節能減排的多晶硅生產工藝的可行性和有效性，進行對比試驗，將本文提出工藝與原工藝對比。試驗準備了16000kg多晶硅生產原料，按照以上流程對其進行加工生產，多晶硅生產中精餾參數見表1。

針對生產工藝效果的評價，試驗選擇多晶硅生產中蒸汽消耗和能耗作為評價指標。試驗中采用2種工藝開展多晶硅生產8次，每次生產2000kg，統計每次多晶硅生成中0.3MPa蒸汽消耗量和0.5MPa蒸汽消耗量。為了進一步檢驗多晶硅生成節能效果，對不同生產量下2種工藝的能耗進行檢驗。生成中蒸汽消耗量越大，能耗越高，表示多晶硅生產工藝的節能效果越差。

3.2 試驗結果與討論

表2、表3記錄了在多晶硅生產場景中文本工藝與原有工藝蒸汽消耗量與能耗。

由表2可知，本文工藝蒸汽消耗遠低于原有工藝，0.3MPa蒸汽消耗量降低了31%，0.5MPa蒸汽消耗量降低了34%。由表3可知，本文工藝多晶硅生成能耗遠低于原有工藝，節能率達到了18%。因此通過以上對比，證明本文提出的基于精餾節能減排的多晶硅生產工藝具有良好的適用性和可行性，節能效果良好，能夠有效降低多晶硅生產能耗。

4 結語

隨著全球對可持續發展和環境保護的日益重視，多晶硅生產行業作為太陽能光伏產業鏈的重要環節，其節能減排技術的應用與研究顯得尤為重要。本文通過深入探討多晶硅生產中精餾環節節能減排技術，不僅揭示了當前該領域面臨的挑戰與不足，也提出了一系列創新性的解決方案和技術路徑。同時也認識到，精餾作為多晶硅提純的關鍵步驟，其能耗占比較高，是節能減排的重點關注對象。通過引入先進的精餾技術，例如多效精餾、熱泵精餾、膜分離輔助精餾等，結合優化操作條件和工藝參數，可以顯著降低能耗，提高能效。同時，加強余熱回收和廢液循環利用，實現資源的最大化利用，也是節能減排的重要方向。

參考文獻

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