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改良西門子法

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   改良西門子法
  多晶硅生產的西門子工藝,其原理就是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫還原高純三氯氫硅,生成多晶硅沉積在硅芯上。改良西門子工藝是在傳統西門子工藝的基礎上,同時具備節能、降耗、回收利用生產過程中伴隨產生的大量H2、HCI、SiCI4等副產物以及大量副產熱能的配套工藝。目前世界上絕大部分廠家均採用改良西門子法生產多晶硅。
  1、改良西門子法是目前主流的生產方法
  多晶硅是由硅純度較低的冶金級硅提煉而來,由於各多晶硅生產工廠所用主輔原料不盡相同,因此生產工藝技術不同;進而對應的多晶硅產品技術經濟指標、產品質量指標、用途、產品檢測方法、過程安全等方面也存在差異,各有技術特點和技術秘密,總的來說,目前國際上多晶硅生產主要的傳統工藝有: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方法,採用此方法生產的多晶硅約佔多晶硅全球總產量的85%。但這種提煉技術的核心工藝僅僅掌握在美、德、日等7家主要硅料廠商手中。這些公司的產品佔全球多晶硅總產量的90%,它們形成的企業聯盟實行技術封鎖,嚴禁技術轉讓。短期內產業化技術壟斷封鎖的局面不會改變。
  在未來15-20年內,採用改良西門子法工藝投產多晶硅的資金將超過1,000億美元,太陽能級多晶硅的生產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多晶硅最為成熟、最可靠、投產速度最快的工藝,與其他類型的生產工藝處於長期的競爭狀態,很難相互取代。尤其對於中國的企業,由於技術來源的局限性,選擇改良西門子法仍然是最現實的作法。在目前高利潤的狀況下,發展多晶硅工藝有一個良好的機遇,如何改善工藝、降低單位能耗是中國多晶硅企業未來所面臨的挑戰。
  2、西門子改良法生產工藝如下:
  這種方法的優點是節能降耗顯著、成本低、質量好、採用綜合利用技術,對環境不產生污染,具有明顯的競爭優勢。改良西門子工藝法生產多晶硅所用設備主要有: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,三氯氫硅粗餾、精餾塔提純系統,硅芯爐,節電還原爐,磷檢爐,硅棒切斷機,腐蝕、清洗、乾燥、包裝系統裝置,還原尾氣干法回收裝置;其他包括分析、檢測儀器,控制儀錶,熱能轉換站,壓縮空氣站,循環水站,變配電站,凈化廠房等。
  (1)石英砂在電弧爐中冶鍊提純到98%並生成工業硅,
  其化學反應SiO2+C→Si+CO2↑
  (2)為了滿足高純度的需要,必須進一步提純。把工業硅粉碎並用無水氯化氫(HCl)與之反應在一個流化床反應器中,生成擬溶解的三氯氫硅(SiHCl3)。
  其化學反應Si+HCl→SiHCl3+H2↑
  反應溫度為300度,該反應是放熱的。同時形成氣態混合物(Н2,НСl,SiНСl3,SiCl4,Si)。
  (3)第二步驟中產生的氣態混合物還需要進一步提純,需要分解:過濾硅粉,冷凝SiНС13,SiC14,而氣態Н2,НС1返回到反應中或排放到大氣中。然後分解冷凝物SiНСl3,SiCl4,凈化三氯氫硅(多級精餾)。
  (4)凈化后的三氯氫硅採用高溫還原工藝,以高純的SiHCl3在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。
  其化學反應SiHCl3+H2→Si+HCl。
  多晶硅的反應容器為密封的,用電加熱硅池硅棒(直徑5-10毫米,長度1.5-2米,數量80根),在1050-1100度在棒上生長多晶硅,直徑可達到150-200毫米。
  這樣大約三分之一的三氯氫硅發生反應,並生成多晶硅。剩餘部分同 Н2,НСl,SiНС13,SiCl4從反應容器中分離。這些混合物進行低溫分離,或再利用,或返回到整個反應中。氣態混合物的分離是複雜的、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爭力。
  在西門子改良法生產工藝中,一些關鍵技術中國還沒有掌握,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,而且環境污染非常嚴重。
  改良西門子法相對於傳統西門子法的優點主要在於:
  1)節能:
  由於改良西門子法採用多對棒、大直徑還原爐,可有效降低還原爐消耗的電能;
  2)降低物耗:改良西門子法對還原尾氣進行了有效的回收。
  所謂還原尾氣:是指從還原爐中排放出來的,經反應后的混合氣體。
  改良西門子法將尾氣中的各種組分全部進行回收利用,這樣就可以大大低降低原料的消耗。
  3)減少污染:由於改良西門子法是一個閉路循環系統,多晶硅生產中的各種物
  料得到充分的利用,排出的廢料極少,相對傳統西門子法而言,污染得到了
  控制,保護了環境。
  改良西門子法屬於歐美淘汰的舊技術,相對國外最先進的硅烷法成本較高,而且能耗高,污染重。是國內多晶硅企業一般採用的方法。一般3到5年之內會淘汰。

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