【CITPV】多晶硅还原设备及系统发展趋势-永祥

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Q=I 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% ＜ 2%9 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% ≥ 10.5%15 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 4+8+12+16+20+24 3+6+9+15+18+21+24 3+6+9+12+15+18+21+24 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!