改良西门子法

改良西门子法 改良西门子法多晶硅生产的西门子工艺,其原理就是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅,生成多晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺是在传统的西门子工艺的基础上,同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HCI、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺。目前世界上绝大部分厂家均采用改良西门子法生产多晶硅。 生产方法: 多晶硅是由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来,由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同,因此生产工艺技术不同;进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异,各有技术特点和技术秘密,总的来说,目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有:改良西门子法、硅烷法和流化床法。改良西门子法是目前主流的生产方法,采用此方法生产的多晶硅约占多晶硅全球总产量的85%。但这种提炼技术的核心工艺仅仅掌握在美、德、日等7家主要硅料厂商手中。这些公司的产品占全球多晶硅总产量的90%,它们形成的企业联盟实行技术封锁,严禁技术转让。短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。 在未来15-20年内,采用改良西门子法工艺投产多晶硅的资金将超过1,000亿美元,太阳能级多晶硅的生产将仍然以改良西门子法为主,改良西门子法依然是目前生产多晶硅最为成熟、最可靠、投产速度最快的工艺,与其他类型的生产工艺处于长期的竞争状态,很难相互取代。尤其对于中国的企业,由于技术来源的局限性,选择改良西门子法仍然是最现实的作法。在目前高利润的状况下,发展多晶硅工艺有一个良好的机遇,如何改善工艺、降低单位能耗是我国多晶硅企业未来所面临的挑战。 生产工艺: 这种方法的优点是节能降耗显著、成本低、质量好、采用综合利用技术,对环境不产生污染,具有明显的竞争优势。改良西门子工艺法生产多晶硅所用设备主要有:氯化氢合成炉,三氯氢硅沸腾床加压合成炉,三氯氢硅水解凝胶处理系统,三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统,硅芯炉,节电还原炉,磷检炉,硅棒切断机,腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置,还原尾气干法回收装置;其他包括分析、检测仪器,控制仪表,热能转换站,压缩空气站,循环水站,变配电站,净化厂房等。 (1)石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅, 其化学反应SiO2+C→Si+CO2↑ (2)为了满足高纯度的需要,必须进一步提纯。把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl) 与之反应在一个流化床反应器中,生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。 其化学反应Si+HCl→SiHCl3+H2↑ 反应温度为300度,该反应是放热的。同时形成气态混合物(Н2,НСl,SiНСl3,SiCl4,Si)。 (3)第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯,需要分解:过滤硅粉,冷凝 SiНСl3,SiCl4,而气态Н2,НСl返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物 SiНСl3,SiCl4,净化三氯氢硅(多级精馏)。 (4)净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺,以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。 其化学反应SiHCl3+H2→Si+HCl。 多晶硅的反应容器为密封的,用电加热硅池硅棒(直径5-10毫米,长度1.5-2米,数量80根),在1050-1100度在棒上生长多晶硅,直径可达到150-200毫米。 这样大约三分之一的三氯氢硅发生反应,并生成多晶硅。剩余部分同 Н2,НСl,SiНС13,SiCl4从反应容器中分离。这些混合物进行低温分离,或再利用,或返回到整个反应中。气态混合物的分离是复杂的、耗能量大的,从某种程度上决定了多晶硅的成本和该工艺的竞争力。 在西门子改良法生产工艺中,一些关键技术我国还没有掌握,在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了,不仅提炼成本高,而且环境污染非常严重。 优点: 1)节能: 由于改良西门子法采用多对棒、大直径还原炉,可有效降低还原炉消耗的电能; 2)降低物耗:改良西门子法对还原尾气进行了有效的回收。 所谓还原尾气:是指从还原炉中排放出来的,经反应后的混合气体。 改良西门子法将尾气中的各种组分全部进行回收利用,这样就可以大大低降低原料的消耗。 3)减少污染:由于改良西门子法是一个闭路循环系统,多晶硅生产中的各种物 料得到充分的利用,排出的废料极少,相对传统西门子法而言,污染得到了控制,保护了环境。 改良西门子法属于欧美淘汰的旧技术,相对国外最先进的硅烷法成本较高,而且能耗高,污染重。是国内多晶硅企业一般采用的方法。