冶金法生产多晶硅的清洁生产分析实例

杜 娟，石建宁，王建国

（1.宁夏环境科学设计研究院，宁夏银川750004；2.宁夏银星多晶硅有限责任公司，宁夏银川750004）

随着光伏产业的迅猛发展，对太阳能级多晶硅的需求与日俱增。改良西门子法一直被公认为生产多晶硅的主流技术，但其高昂的成本和能耗，严重制约了光伏产业的健康发展。在此情况下，低成本的冶金法迅速发展起来。冶金法是一种与改良西门子法差别较大的生产工艺，仅靠定性分析难以准确评价冶金法的清洁生产水平。为了准确评价冶金法的清洁生产水平，根据环境影响评价技术导则要求先从原料、产品、资源消耗和污染物排放等方面进行定性分析，然后采用综合指标法进行清洁生产水平综合评价。

1 定性分析

1.1 生产工艺

国内外现有的多晶硅生产厂家绝大部分采用改良西门子法。改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢（或外购氯化氢），氯化氢和工业硅粉在一定温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离、精馏、提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行反应生产多晶硅。改良西门子法可生产电子级多晶硅（9N）。

图1 改良西门子法生产工艺流程

冶金法的主要工艺是将工业硅进行水平区熔定向凝固成硅锭，除去硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行破碎与清洗，在电子束炉中除去磷和碳杂质，经破碎与清洗后，直接生成太阳能级多晶硅。由于此过程中硅基本不参加化学反应，所以俗称为“物理法”。

图2 冶金法生产工艺流程

改良西门子法生产工序多，工艺复杂，管理要求高。而冶金法生产多晶硅仅通过定向凝固、电子束熔炼、破碎酸洗等工序，生产过程不发生化学反应，生产工序少，工艺简单，管理方便，其生产过程优于改良西门子法。但冶金法破碎与清洗过程采用人工处理，自动化水平偏低。详见图1、2。

1.2 原辅材料

1.3 资源能源利用

冶金法生产多晶硅，主要原料为硅粉，辅助原料为硝酸、氢氟酸，采用冶金法生产多晶硅电耗仅为59.8kWh·kg－1，低于改良西门子法电耗120 kWh·kg－1。

1.4 产品

太阳能级多晶硅的最佳纯度应是6N，纯度在7 N以上的多晶硅电阻率过高影响发电效率。而改良西门子法生产的多晶硅9N，要满足太阳能级多晶硅纯度要求尚需掺杂处理。冶金法生产工艺多晶硅产品可稳定达到6N的纯度。

改良西门子法生产多晶硅成本为300元／kg，而冶金法生产的多晶硅成本为200元／kg。冶金法目前铸锭成品率偏低（80%），且冶金法多晶硅生产企业规模均较小，若能进一步提高铸锭成品率及产业化生产，多晶硅成本尚有进一步下降空间。

从产品整个生命周期考虑，从硅石到光伏发电系统的总能耗为2.597kW·h／Wp［1］，以发电25年，电池发电量按1.5kW·h／Wp·a计算，总发电量为37.5kW·h，远高于生产光伏电池的能耗。

1.5 污染物产生

冶金法多晶硅生产过程中酸洗过程有含氟化物、NOX的废气产生，破碎过程有粉尘产生，酸洗过程有含酸废水产生，锯切过程有硅边角料产生。冶金法污染物产生种类及产生量远小于改良西门子法。

2 综合指数法评价

根据行业基本生产特征，通过资料分析、专家咨询等方法确立本项目的清洁生产评价指标体系。定量指标基准值选取《多晶硅行业准入条件》［2］规定值，《多晶硅行业准入条件》无规定值的收集国内近年投产的采用改良西门子法生产多晶硅的项目平均值作为基准值。

2.1 定量评价

定量评价指标考核总分值按式（1）计算：

通过计算得知，c=28.86 m2,其中m2为液压千斤顶的设计量程。为了确保称重传感器的运用安全和寿命，并考虑传感器可以抵抗热胀冷缩对设备造成的位移[5]、抗侧向力、耐低温-50～80 ℃、蠕变系数、重复性、灵敏度等方面的因素，该项目选择了进口双球头自复位柱式结构传感器[6]，传感器的精度为±0.5%， 煤粉储仓测量范围选择0～150 t。

式中：P1——定量评价考核总分值；

n——参与考核的二级指标项目总数；

Si——第i项评价指标的单项评价指数；

Ki——第i项评价指标的权重值。

对正向指标［3］，其单项评价指数按式（2）计算：

对逆向指标，其单项评价指数按式（3）计算：

式中：Si表示第i项评价指标的单项评价指数；

Di表示第i项评价指标的实际值；

Ci表示第i项评价指标的基准值。

定量评价指标详见表1。

2.2 定性评价

定性评价指标考核总分值按式（4）计算：

式中：P2——定性评价二级指标考核总分值；

Fi——第i项二级指标的得分值；

n——参与考核的定性评价的二级指标项目总数。

定性评价指标详见表2。

2.3 综合评价指数

综合评价指数按式（5）计算

式中：P—— 企业清洁生产的综合评价指数；P1——定量评价指标中各二级评价指标考核总分值；P2——定性评价指标中各二级评价指标考核总分值。

表1 清洁生产水平定量评价指标

表2 清洁生产水平定性评价指标

经计算综合评价指数P为0.7×108.45＋0.3×90＝102.9，符合清洁生产先进企业。

表3 清洁生产等级

3 结语

本文从清洁生产的角度，从生产工艺、工艺流程、产品、资源能源利用、污染物产生等方面对比分析冶金法与改良西门子的差异，采用综合指数法评价，使建设项目的清洁生产水平清晰、明了，更容易从技术、管理上找到差距，对今后同类项目环境影响评价和清洁生产审核有一定的借鉴意义。

［1］ 严大洲，宗绍兴，汤传斌，等.多晶硅生产不存在“高能耗 高排放”［J］.有色冶金节能，2010，12（6）：19－22.

［2］ 工业和信息化部、国家发展改革委、环境保护部，工联电子［2010］137号《多晶硅行业准入条件》［S］.2010－12－31.

［3］ GB／T20106—2006，工业清洁生产评价指标体系编制通则［S］.2006－08－01.