多晶硅还原尾气干法回收工艺能耗利用优化研究

多晶硅还原尾气干法回收工艺能耗利用优化研究

梁栋栋

陕西天宏硅材料有限责任公司 陕西 咸 712038

摘要：多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是自动控制、信息处理、太阳能光伏系统、人工智能等半导体器件的基础材料。近年来，随着我国信息产业、新能源行业的快速发展，对多晶硅产品的需求越来越大。然而对于多晶硅生产企业，产品生产过程中能耗利用是制约产品成本降低的一大难题，本文主要就多晶硅生产过程中以改良西门子法多晶硅生产工艺为基础，对还原尾气干法回收工艺进行能耗优化和改进，达到节能降耗的目的。

关键词：多晶硅产品；产品能耗；光伏发电

引言: 经过多晶硅行业近年来的发展看，成品多晶硅在保证质量稳定的前提下，通过优化工艺，降低单耗，降低生产已成为多晶硅生产企业的发展目标以及生存之本。多晶硅尾气回收工艺通过降温冷却配合气体吸附的工艺流程，对生产为其进行剔除利用，降低企业生产成本，但在生产过程中，该系统能耗利用也居高不下，其能耗主要来自于精馏塔物料加热过程及尾气冷却分离过程^[1]。本文主要是针对改良西门子法多晶硅生产工艺过程中还原尾气干法回收工艺进行优化和改进，在原有工艺基础上，进行系统富裕冷量及热量的重复耦合利用，不改变回收尾气组分，达到节能降耗的目的。

一 尾气回收工艺能耗情况分析

尾气回收工艺主要能耗为电、蒸汽、冷却水，工艺中冷却冷冻系统和吸收精馏系统消耗大量冷量，精馏系统消耗大量蒸汽，在系统产量较大的情况下，系统负荷较大，相对能耗也增加。本为主要研究通过增加冷热物料交换传热设备减少换热介质使用量，降低蒸汽、电、冷却水消耗量，从而降低系统运行成本，优化系统运行经济性^[1]。

随着生产水平的进步以及工艺流程的优化，尾气回收系统行业评价能耗也在不断降低^[2]，但同行中能耗降低的手段多为提高产能优化设备为主。本研究另辟蹊径，通过对生产工艺的深入研究，通过对已有设计装置中增加能量交换设备，使生产过程中的富余冷量及热量得到耦合利用，从而降低能耗提高能量利用率，达到节能降耗的目的。

通过实际生产经验以及理论分析，发现尾气回收单元生产装置主要耗能集中在精馏吸收部分，一方面需要高温进行精馏操作，另一方面又需要较低温度来吸收解析氯化氢，两方折算就会造成大量能量浪费，致使生产成本升高^[3]。通过分析，发现可以通过对精馏塔塔釜液体余热进行利用，通过加热精馏塔进料物料温度至接近饱和温度的方法，降低精馏系统的能耗。

二 工艺能耗利用理论计算

通过对实际生产企业中年产4000t多晶硅尾气回收工艺生产参数进行统计，针对使劲生产过程中工艺情况进行理论数据研究。在物料原有流向上添加一换热器，不改变任何物料走向，加大系统能量的重复耦合利用；在HCL精馏塔增加进料预热器，换热介质一方面为精馏塔塔釜外排物料，另一部分为吸收塔塔釜的氯硅烷富液，通过精馏塔塔釜物料加热吸收液至80℃，即饱和温度下进料，既降低整体蒸汽用量，又可大幅度降低循环水消耗，具有较高经济价值。根据模拟设计计算，新增换热器换热量为3259.8kW，精馏塔再沸器加热量从7364.8kW降低到4104.9kW；精馏塔塔釜出料循环冷却器冷却量从5669.8kW下降到2409.8kW。

此工艺优化主要利用了精馏塔釜高温物料热能对原进料管线物料进行升温，从而提高了精馏塔进料温度，减小了再沸器蒸汽消耗及冷却用循环水用量，达到节能降耗目的。与原有工艺能耗对比计算出蒸汽用量减小4.5t左右，循环水用量减小一半，工艺操作关键参数，精馏塔塔顶及塔釜物料产量及组分均未受到任何影响。

精馏塔进料温度达到75℃以上，塔釜蒸汽用量由原来的8.5t/h减小至4.5t/h左右，塔顶及塔釜物料组分无变化，对产品质量无任何影响，各项参数均可达到或高于设计要求，节能效果明显。

三 研究项目意义

对比其它多晶硅生产工艺，对于干法回收尾气系统的节能降耗优化，本研究使用的换热器属于物料间换热，未引入新的外来物料及其他化学反应，设备泄漏引起安全风险较低；降低了单元换热器泄露带来的安全隐患，减小了设备维护成本。对于年产4000t多晶硅项目，本优化总投资46.8万元，收益可达到545万元/年，属小投入高回报技改项目；同时本优化方案在同行业中尚属首例，改造后实际生产节能效果明显。

本项目在节能降耗和环境保护方面皆意义重大，有效地减小了多晶硅生产中氢气的综合能耗，大大缓解了环保压力，降低了生产成本，也保护了厂区周围的生态环境。

结束语：

综上所述，多晶硅在很多领域都处到广泛的应用，是我国现代化建设过程中的重要原材料之一。特别是在太阳能光伏产业发展过程中，多晶硅是必不可少的重要原料。对尾气回收工艺进行改进，对推动我中多晶硅产业的发展，降低多晶硅上游能源消耗，减小环境污染，推动我国现代化建设的进步，起到了重要的促进作用，意义极为深远。

参考文献：

[1]胡小冬,姜希猛,崔明现, 等.多晶硅生产中废气处理工艺改造[C].//2017第十九届中国科协年会论文集.乐山职业技术学院%,2017:1-6.

[2]陈敏.多晶硅生产中氯硅烷废气废液处理[J].中国化工贸易,2018,(15):162,165.

[3]张健.多晶硅废气处理探析[J].中国化工贸易,2015,(26):307.