【CITPV】多晶硅还原设备及系统发展趋势-永祥-solarbe文库

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多晶硅还原设备发展趋势2019年9月永祥简介四川永祥股份有限公司，中国 500 强民营企业通威集团旗下大型民营科技型企业，注册资本 13.39 亿元。是主要从事高纯晶硅、聚氯乙烯（PVC）、离子膜烧碱产品研发、生产和销售的国家高新技术企业，到目前，已形成高纯晶硅 12 万吨/年、聚氯乙烯 10 万吨/年、离子膜烧碱 15 万吨/年的生产规模，各项技术指标全国领先，并达国际先进水平。 3 永祥股份 2002年 11月，乐山永祥树脂有限公司成立2004年6月，一期PVC工程竣工并实现5万吨产能2005年12月，二期PVC工程竣工并实现10万吨产能2007年4月，永祥树脂投资组建四川永祥多晶硅有限公司 2007年5月，乐山永祥树脂公司正式更名为四川永祥股份有限公司 2008年9月，永祥多晶硅亮相亚洲太阳能光伏博览会，一期1000吨多晶硅项目顺利投产 2011年9月，四川永祥多晶硅公司二期3000吨多晶硅项目竣工投产2014年10月，多晶硅四氯化硅冷氢化节能降耗技改项目正式启动2015年3月，四氯化硅冷氢化技改顺利投产，技术指标、产品质量、生产成本处于行业领先水平，产能跃居全国前三2016年4月，永祥股份15万吨离子膜烧碱技改项目成功投产2017年6月，多晶硅填平补齐，产能达到2万吨。乐山和包头5万吨高纯晶硅及配套新能源项目相继启动 2002 2004 2005 2007 2007 2008 2010 2011 20142013 2015 2016 2017 2019年8月，乐山和包头一期7万吨高纯晶硅及配套已达产 2018 2019配套永祥水泥，处理多晶硅固废和 PVC电石渣高纯晶硅离子膜烧碱聚氯乙烯（PVC）公司产品多晶硅产品和聚氯乙烯产品荣获“四川省名牌产品”、“四川省著名商标” 称号 Ø硅棒是还原炉内加热体、多晶硅沉积晶种。Ø沉积速率取决于棒表面温度分布、反应物料分布。Ø电流、进料位置及气速、出口位置及大小、硅棒位置等，都影响到温度分布、物料分布Ø随着沉积时间的推移，硅棒直径变粗，硅棒截面积逐渐变大，温场、气场又会变化u什么是还原炉还原炉是改良西门子法的标志性设备 12对棒18对棒24对棒36对棒40对棒48对棒60对棒 72对棒炉型u还原炉发展及其意义还原的电耗占到多晶硅总电耗的近 8 0 ，在中国的发展期历经了 1 5 年，其改进和提升，直接支持了多晶硅成本的降低。大型还原炉、大型冷氢化技术，已成为有竞争力多晶硅企业的标志。综合工艺控制等因素，还原电耗从最初的＞ 1 5 0 度 /kg Si降低至＜ 4 5 度 /kg Si（单晶占比 8 0 ）项目历程炉型大小对数 12→ 18→ 24→ 36→ 40→ 60→ 72→ 不同品质太阳能级 SG→ 电子级 EG硅芯高度 2200→ 2600→ 2800→ 3000→ 3200→ 结构电极冷却、密封、绝缘、洁净底盘两层面板 → 三层面板材料炉筒奥氏体不锈钢 → 哈氏合金 → 银瓷环石英 → 刚玉 → 氮化硅垫片纯四氟 → 改性四氟 → 氟橡胶冷却水温度小于 100℃ → 155℃ → 175℃ → 205℃ 操作压力常压 → 0.3MPa→ 0.5MPa→ 0.6MPa→ u还原炉主要的进步内容还原炉设计是一个理论与实际结合的过程。u还原炉的设计焦耳效应焦耳定律 SdlRRIP ，2对流 -扩散菲克定律应用于化学气相沉积  siii ppRTDJ   dxdcDJ  40400 51 10012    TCTdecE Tcb 热辐射斯蒂芬 -玻尔兹曼定律 18对棒温场模拟 u还原炉的模拟通过计算，可确定1. 热辐射是还原炉内主要传热方式2. 还原炉理论电耗在53kW/kg Si 来源硅芯/棒通电发热QI 2Rt 去向一冷却水带走的热量Q1去向二反应热Q2去向三尾气带走的热量Q3 占70左右占5左右占25左右能量守恒数值模拟不仅给出了温度场分布，而且给出每根硅棒表面由于辐射和热传导输出的总能流。在此基础上计算理论还原能耗，以 1 8 对棒为例，得到 1 3 0 0 K时 SiHCl3 制备多晶硅的能耗。配合实测量温度，推断还原热量分配如下 u还原炉的能耗组成单炉产量9T，48kW · h/kg-Si 36对棒还原炉运行参数计算u运行参数设计还原炉电耗对比按同样条件，计算得到不同还原炉型的电耗如右图u不同炉型的电耗曲线可以看到，随着棒数增多，电耗降低程度趋于平缓，说明还原炉并不是越大越节能。而且随着还原炉棒数增加，温场气场越发不易控制，引起气相硅粉、局部常温，造成生产异常。综合目前对还原炉控制的认识程度、电耗、投资成本来看，40对棒左右的还原炉仍是主流。超大型进一步放大还原炉，并实现稳定控制自动控制还原炉自动化控制DCS调节DCS含量对还原的影响及精确控制模块化辅助系统的模块化u未来发展方向 u超大型还原炉目前，商业化应用的超大型还原炉主要为 7 2 对棒，但因为设计、控制、认识程度等诸多原因，运行稳定性较差。业内普遍只能做到 4 0 对棒左右的还原炉稳定控制，但对于更大炉型的研究一直在继续。序号项目设计参数84对 96对 108对1 炉内侧工作压力（ MPaG） -0.1 ～ 0.6 -0.1 ～ 0.6 -0.1 ～ 0.62 硅芯 /棒表面反应温度（ ℃ ） 1050 ～ 1250 1050 ～ 1250 1050 ～ 12503 还原炉炉筒内径（ mm）～ 4000 ～ 4500 ～ 45004 硅棒高度（ mm）～ 3000 ～ 3000 ～ 30005 单炉年产量（ t）～ 1300 ～ 1450 ～ 16006 年运行时间（ h） 8000 8000 80007 年操作炉次 65 65 65 8 倒棒率＜ 2 ＜ 2 ＜ 29 单炉次操作时间（ h） 121（沉积时间 105h，辅助时间 16h） 121（沉积时间 105h，辅助时间 16h） 121（沉积时间 105h，辅助时间 16h）10 单炉次产量（ t）～ 20.0 ～ 22.0 ～ 25.011 成品硅棒直径（ mm）～ 150 ～ 150 ～ 15012 平均生长速度（ kg/h）～ 200 ～ 230 ～ 26013 还原电耗（ kW· h/kg-Si） ≤ 50 （最低 41.0） ≤ 50 （最低 38.5） ≤ 50 （最低 37.0）14 一次转化率 ≥ 10.5 ≥ 10.5 ≥ 10.515 爆米花率～ 30（不包括横梁）～ 30（不包括横梁）～ 30（不包括横梁）16 电极布置 4812162024 36915182124 3691215182124 u超大型还原炉存在的问题Ø 棒数越多，异常的几率随之增大，简单问题会影响整炉生产Ø 内部温场、流场不易控制，容易出现局部超温，雾化严重，造成接地、倒炉频繁Ø 硅棒表面爆米花较多，对单晶电池有影响Ø 根据之前的计算结果，当还原炉大到一定程度后，对省电作用很微弱Ø 设计与工艺控制需要改进，需要更为精确性、针对性的控制方案更大的还原炉，可以节省电耗、建设投资，仍会是未来发展的重点方向。不能因为 7 2 对棒应用不好就轻易否定超大型还原炉，目前 7 2 对棒的设计及控制经验，有助于推动超大炉型的发展。 u模块化模块化的还原辅助系统，在2 0 1 0 年开始出现，发展至今已逐渐成熟。还原系统模块模块细节随着还原炉棒数的增加，配套系统的模块化设计变得更有意义。模拟 1 1 0 0 K时 1 8 对棒还原炉 SiH2 Cl2 制备多晶硅的能耗如下表所示。可以看到 DCS制备多晶硅的理论能耗为 9 .8 6 度 /kg Si，明显低于 TCS。uDCS控制进一步进行热力学计算，可以得到 DCS制备多晶硅 1 ，总能量输入仅为 9 5 4 kW，远小于 SiHCl3 还原时的 1 4 2 3 kW。2 ，采用 SiH2 Cl2 还原制备多晶硅时单位能耗不到 1 0 kWh/kg Si，仅为SiHCl3 还原时能耗的 1 8 .2 ，可极大降低还原能耗。3 ，采用 SiH2 Cl2 还原时可达到更高的转化率，热力学计算的转化率为 9 8 。未来设想精确控制的 DCS配合 TCS反应DCS控制 u自动控制一键开停炉的还原炉控制系统，在 1 0 年前就已提出，但迄今仍未完全实现，根本原因在于硅棒表面温度反馈的准确性。由于气相硅粉的生成，造成测温的偏差，没有准确的信号反馈，就难以准确调控电流。目前有厂家提出一些看似会有效的解决方案，包括根据临界状态指数来精确判断 “ 雾化 ”发生的前兆，触发 TCS/H2 /电流状态调控。但鉴于还原炉处于非稳定、非平衡的乱流状态，除非能监控还原炉内每个地方的状态，否则要么仍然难以避免雾化、从而造成反馈信号的不准，要么增大还原电耗。还原电耗优秀的多晶硅企业均是踩着 “ 雾化 ” 边缘开炉的企业，针对性的物料、电流控制曲线人为干涉调控，半自动化的控制方式，在未来几年仍是最有效、最经济的自动控制方式。还原炉是一个多条件、多因素协同作用的复杂体系，目前任何的模拟都只能固定其中的大部分变量，来讨论其中少部分参数的变化。若要扩大变量的引入，则只能局部的模拟，无法反馈全貌。因此，还原炉未来的发展也必然是经验与理论的结合和妥协，类似于中医和西医的关系，这将长期是多晶硅人的工作的重点和难点。但对于这种 “ 头痛，可以通过医脚来解决 ” 的工艺装置，也必将成为多晶硅人长期的乐趣所在。u结语感谢倾听 THANKS