摘要：多晶硅由于优秀的性能而在各种各样的生产工作中被大面积应用。太阳能电池的主要生产原料之一是多晶硅，多晶硅的使用使光能和电能的转换得以实现，太阳能发电因为绿色、环保、无污染的特点，具有很高的节能价值。但是，多晶硅在生产中至今仍处于不完善不深入的层面，我国尚未把握多晶硅的生产技术。提升工业生产产成品品质的前提就是掌握核心技术和改善生产条件。
关键词：精馏节能减排；高效分离；多晶硅生产；应用
一、多晶硅的制备工艺
目前最常见的生产多晶硅的制备法就是改良的西门子法，这种工艺方法具备很多特点，例如：工艺娴熟、出错率较低和制备方法简便。但是也存在一定的劣势，譬如耗能高、污染大等。电能的消耗是改良的西门子法中消耗最大的部分，约占总消耗的一半以上。
使用改良的西门子法生产多晶硅的时候，制备仪器和蒸馏的技术是最关键的部分。改良西门子法里提纯以及分离的步骤就对最后的成品的纯度有着比较大的影响。这两个步骤决定着最后产出的超纯硅的质量与产量[2]，并且提纯和分离步骤中的技术情况也与节能减排有着较大的关系。
二、精馏工艺及相关技术要点
1、多效精馏技术
在多个标准大气压下随着温度逐渐上升的精馏塔中，按照原材料不同的沸点，将其分为不同的成分相差不大的进料，将蒸汽从温度和压强这两项指标最高的塔顶中输送到其余两项指标较低的塔中，达到降温和液化的目的，这就是多效精馏技术。这样，能量的消耗只为单个塔消耗的1/n（假设有n个塔），此种做法就实现了节能减排、减少污染的效果。采取多效精馏就会达到节约总体消耗的要求，例如，双塔的双效精馏系统在于单一塔进行工作时减少约一半的能耗，使用三塔的能耗减少了约三分之二，使用四塔就能减少能耗约四分之三。因此，使用两个蒸馏塔比使用一个精馏塔的消耗减少了50%，节能功效提升了一半。三个蒸馏塔与两个蒸馏塔相比较而言，节省了三分之二的能耗，但节能功效只增长了7%，由此不难看出，并不是蒸馏塔的数量越多，节能减排效果就越显著，虽然蒸馏塔数量上的增多看似增加了节能效率的提升，但也必须全面考虑蒸馏塔数量和节能效果的有机平衡，才能达到最合适的节能效果。在实际操作中，节能效率会因为损耗和技术限制的原因，在实际操作中会低于理论计算的数据，并且在实际生产中，蒸馏塔的数量越多操作起来就越复杂，使用最广泛的还是双塔系统。
2、提高分离率
在分离的过程中，回流比降低才能提高分离率，提高分离率有许多优点，例如：使产品品质得到大幅提升，减少生产过程中的能耗，提高回收利用率，减小对于气体的污染，使生产单位实现利益最大化。此公式Q=（R+1）D可以清楚地表明这个问题，Q代表塔的能耗，R表示塔回流比，D是塔顶产品流量。在分离率较大的情况下，R降低，Q随之减少，这表现出能耗低且能效较高的结果。回流比作为一个反映精馏塔中能耗与能效之间的联系的重点参数，精馏可以利用减少回流达到节能减排的效果。相关的实验数据可以表明，在理论板数增加的情况下，回流比可以在某一处达到最低的极限值，当理论板数的数量减少时，回流比在理论上会出现无限大的数值。在普遍情况下，回流比存在于最低值和无限值之间，理论板数的变化会影响回流比的数值，所以回流比的减低可以使精馏减少排放，达到节能环保的目的。
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3、优化生产流程
在实际操作过程中，对原料进行分离时，理论研究中的操作和解析会十分呆板，操作参数的变化会导致理论上的产成品质量和实际产成品的质量有一些偏差，实际生产的产品质量无法达到理论上的高要求，而且在实际操作中，蒸馏塔的分离步骤还具有一定安全隐患，这些无法忽视的问题都会造成蒸馏塔回流技术要求的升高，这些原因都会导致产成成品的纯度降低，回流比随之降低，所以耗能自然而然减少。实际生产过程中这些不稳定的因素需要保持在合理的空间之内，产品品质也需要维持在合适的水平之间，就必须要使回流比保持在一定范围内，为了实现这一目标，一般会在理论研究时提升理论值的要求。除此之外，还要运用精密的测量仪器和测试设备来严格把控产品标准，使控制系统保持优良状态，实现经济效益和节能减排的双赢。
三、提升品质的高效率分离工艺
多晶硅硅片作为太阳能光伏电池的关键部位，其品质的优劣直接决定了光电转换的效率问题，直接影响到了太阳能电池的好坏程度。故在工业生产多晶硅时怎样提高多晶硅的品质及去除杂质就是非常值得重视的部分了。还有一些生产中遇到的问题，譬如：漏液问题、雾沫夹带等。实际生产中精馏塔对于气相的分离程度难以达到理论纯度，我们以：分离效率=实际分离度/理论分离最大限度，来研究分离的效率，由这个公式可以看出，分离的程度和分离效率有一个正比的关系。因为气相与塔板接触后很快会离开，可以得：理论板数=实际板数×分离效率。用具体的数据来说明，若存在一个100层实际塔板的精馏塔，其分离效率可以表示为百分之十，另有一个50层实际塔板的精馏塔，其分离的效率时80%，故前者的理论板数为10块，这个精馏塔的纯度较低，后者的理论板数则是40块。纯度比前面的高。可以看出，分离效率时决定产品纯度的关键因素，尽管50层塔板的精馏塔的塔身比较低，然而分离的效率却更大，理论上的板数也更大，从而会得到更高品质的产品。
四、减少排放的高效分离工艺
精馏塔在实现分离的过程里，从最上面的塔板到最下面的塔板，每达到一层的塔板，目标产物都会按照所含成分的不同而依次变低，这就实现了排放的标准。仍以上述第三点中的例子来说明，有100层塔板的蒸馏塔，因为其理论塔板的数量比较低仅有10块，故当气相抵达塔底的时候排放产物的数值就会比较大，就会出现很多废气、废水、废料被排放到河流及土壤中，对生态环境造成了较大的损害。然而针对50层塔板的精馏塔，其理论板的数量比较大，达到了40块，这时抵达塔底的目标产物排放值表现出比较小的数值，从而使得排放到周边的环境中的废液大大减少，这就实现了降低废液排放和维护生态平衡的目的，维持了生态环境的平衡，这也能够促进相关企业单位经济收益的增长。若是每次的废液及其他废物的总排放量可以降低0.5%，日积月累就可以给相关单位带来比较好的收益。针对平常的施工单位，若是能够把总放排量降低0.3%，就能够每年提高不少的经济收益。
结束语
在生产过程中完善技术和更新生产设备，要对多晶硅的核心技术进行大力研发，保持低能耗、高经济效益的同时生产出质量更为优良、数量更加可观的多晶硅产品，也要满足国家工业生产标准，走可持续发展道路，贯彻落实五位一体，实现绿色生产高效生产。
参考文献：
[1]翟佳秀.改良西门子法生产多晶硅中三氯氢硅精馏工艺的开发模拟研究[D].北京：北京化工大学，2015.
[2]吕国强，杨玺，刘成，等.传热过程对多晶硅真空定向凝固过程的凝固界面及热应力的影响[J].材料热处理学报，2015，36（5）.
[3]于志强，马文会，吕国强，等.改良西门子法和冶金法生产太阳能级多晶硅对环境负荷影响的比较[J].过程工程学报，2016（6）.
[4]周玲英.氯硅烷和多晶硅精馏节能减排与提高质量的技术措施[J].化工管理，2015（21）：161.
[5]翟佳秀.改良西门子法生产多晶硅中三氯氢硅精馏工艺的开发模拟研究[D].北京：北京化工大学，2015.
论文作者:李彦能1,保妍艳2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/2/3
标签：精馏论文; 多晶硅论文; 节能论文; 理论论文; 效率论文; 纯度论文; 数量论文; 《基层建设》2019年第28期论文;