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多晶硅和石英玻璃聯(lián)合制備法的優(yōu)點(diǎn)
* 接口名稱(chēng) : * 作者 : admin * 發(fā)表時(shí)間 : 2020-03-14 21:48:16 * 瀏覽 : 1659
多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法的熱能是被充分利用的,其生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有反復(fù)升降溫的現(xiàn)象,因此可以節(jié)能,而且節(jié)能的數(shù)字是相當(dāng)可觀的。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅,還原料從鼓泡器里出來(lái)后被送進(jìn)還原爐。在爐內(nèi)還原料被加熱到1150~1250℃,發(fā)生了氫還原反應(yīng),生成多晶硅。采用這種生產(chǎn)法,進(jìn)入還原爐的還原料只有少數(shù)(一般認(rèn)為10%~20%)參加反應(yīng),生成了多晶硅,絕大多數(shù)被當(dāng)作尾氣排放了。最初,這些尾氣被當(dāng)成廢氣放掉,造成極大的浪費(fèi)。為避免浪費(fèi),人們把尾氣中的氫氣和四氯化硅回收,經(jīng)凈化提純后再利用。這樣一來(lái),出來(lái)的高溫料,進(jìn)入由冷凍分離器和氫氣回收組成的回收系統(tǒng)回收。在回收系統(tǒng)里,還原料被冷凍降溫至四氯化硅的沸點(diǎn)(57.6。C)之下,一般認(rèn)為應(yīng)在40~38℃為好。如按還原料在還原爐里的低限溫度1150℃,
降溫后的上限溫度40。C計(jì)算,也要降溫1100℃。問(wèn)題是,回收后4()℃的常溫還原料要重新被送入鼓泡器里,然后通進(jìn)還原爐,再次被加熱到11501250。C的高溫。
從上述工藝中可以看出,進(jìn)入還原爐被加熱的大部分還原料(占進(jìn)爐料9()%)沒(méi)有被利用就被送出降溫,而且降溫后又被重新送入還原爐成為參加新一輪反應(yīng)的還原料。很明顯,這是一種浪費(fèi),沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料按理說(shuō)應(yīng)該不加熱??蓡?wèn)題是,在還原爐里,沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料與參加反應(yīng)的還原料是混在一起的,根本無(wú)法分開(kāi),如果沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料不加熱,那么,參加反應(yīng)的還原料也無(wú)法加熱。我們知道,參加反應(yīng)的還原料溫度低是無(wú)法進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的,也就無(wú)法生產(chǎn)出多晶硅。所以,如果采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅的話,上述浪費(fèi)是不可避免的。
如果采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法,由還原爐里出來(lái)沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料不進(jìn)入回收系統(tǒng),而被當(dāng)成生產(chǎn)石英玻璃的原料直接進(jìn)入制砣機(jī),因此不用降溫。也就是說(shuō),采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)多晶硅是可以避免上述浪費(fèi)的,可以節(jié)約80%~90%的能源。這只是生產(chǎn)多晶硅,采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法來(lái)生產(chǎn)石英玻璃也一樣具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)石英玻璃,也需要將送進(jìn)制砣機(jī)的合成料加熱,而且升溫的幅度要更大。一般認(rèn)為,制砣機(jī)的反應(yīng)區(qū)里要達(dá)到1400~1600℃的高溫,而要達(dá)到如此高溫需要消耗大量的能源。傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)石英玻璃是靠氫氧燃燒來(lái)獲取高溫的。我們知道,在單項(xiàng)生產(chǎn)的合成料里已經(jīng)含有氫氣了,可為了達(dá)到此高溫,還得另外向制砣機(jī)的反應(yīng)區(qū)里通人燃料氫氣和助燃的氧氣,而且燃料氫氣的量要大于合成料所含的氫氣。
如果采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法,由還原爐里出來(lái)沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料被當(dāng)成合成料直接進(jìn)入制砣機(jī)。該料溫度已經(jīng)很高,在1150~1250℃左右。這樣的料通入制砣機(jī)就不用再另外向制砣機(jī)的反應(yīng)區(qū)通人燃料氫氣,因?yàn)樵摿纤臍錃馊紵a(chǎn)生的熱量已經(jīng)完全可以滿(mǎn)足化學(xué)反應(yīng)的需要了。由此可以看出,
采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法來(lái)生產(chǎn)石英玻璃可以節(jié)省50%~6()%的氫氣,可見(jiàn)這些數(shù)字是相當(dāng)可觀的。
2.環(huán)境保護(hù)
多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)是連續(xù)的,設(shè)備是串聯(lián)的,是將上一個(gè)產(chǎn)品的尾氣或尾液作為下一個(gè)產(chǎn)品的原料,使本應(yīng)作為廢氣排出的尾氣得到了綜合利用。因此,它不僅可以減少?gòu)U氣的排放量,而且還可以減輕對(duì)環(huán)境的污染。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅,要放出尾氣,即使有了由冷凍分離器和氫氣回收組成的回收系統(tǒng),也還是要排放出尾氣,只不過(guò),尾氣的數(shù)量少得多。上述尾氣是由沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料與參加反應(yīng)后產(chǎn)生的廢氣共同組成。沒(méi)有參加反應(yīng)的還原料主要是由氫氣和四氯化硅組成;參加反應(yīng)后產(chǎn)生的廢氣主要是氯化氫。氫氣的排放不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,可四氯化硅和氯化氫就不同了,它們都是有毒物質(zhì),會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,是不可以直接排放到大氣中的。四氯化硅是有強(qiáng)烈刺激性的物質(zhì),可以使人窒息。據(jù)說(shuō),在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)德國(guó)人曾經(jīng)想把四氯化硅當(dāng)作化學(xué)武器來(lái)使用,由此可以想像到它的危害有多大了。氯化氫氣體的毒性也是相當(dāng)大的,它遇水會(huì)變成三大強(qiáng)酸之一的鹽酸,對(duì)人體、建筑物、設(shè)備、環(huán)境都有極大的危害。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)石英玻璃,也要排放出尾氣。該尾氣中也同樣含有有毒的氯化氫,因此也同樣會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。
如果采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法來(lái)生產(chǎn)多晶硅和石英玻璃,尾氣問(wèn)題就會(huì)解決了。多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)多晶硅的還原爐放出尾氣沒(méi)有直接放空,而是被直接送入制砣機(jī)里來(lái)生產(chǎn)石英玻璃。這樣一來(lái),生產(chǎn)多晶硅的尾氣污染問(wèn)題就會(huì)大大減輕了。
采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)石英玻璃,制砣機(jī)出來(lái)的尾氣被送人尾氣處理系統(tǒng)。該尾氣處理系統(tǒng)可將制砣機(jī)放出來(lái)的尾氣轉(zhuǎn)變?yōu)橄←}酸和二氧化硅。二氧化硅是無(wú)害的,它的顆粒細(xì)小而且純度極高,是高級(jí)的納米級(jí)材料,其用途是比較廣的。它不僅可以成為制藥、制漆添加劑,而且還可以成為很多化工生產(chǎn)的原材料。稀鹽酸是有害的,但可以把它回收,濃縮成為成品酸。成品鹽酸也是重要的化工產(chǎn)品,用途廣泛。稀鹽酸也可以不回收,只要再加進(jìn)一些堿,使其中和,危害就沒(méi)有了,也就可以排放了。由此看來(lái),采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法來(lái)生產(chǎn)多晶硅和石英玻璃,不僅可以減少?gòu)U氣的排放量,而且還可以減輕對(duì)環(huán)境的污染。
3.設(shè)備費(fèi)用少
多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)可以省掉一些設(shè)備,從而可以節(jié)約投資,并可減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅,需要有一臺(tái)四氯化硅合成爐和一套四氯化硅提純系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)石英玻璃,同樣需要有一臺(tái)四氯化硅合成爐和一套四氯化硅提純系統(tǒng)。如果采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)四氯化硅和多晶硅,上述設(shè)備是合一的,從設(shè)備數(shù)量上看,多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法比傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法減少一半。只是設(shè)備要大一些,但單個(gè)設(shè)備的投資增加不會(huì)太多。比如四氯化硅合成爐,它的直徑加大一倍,它的產(chǎn)量就可以增加四倍。四氯化硅提純系統(tǒng)里的設(shè)備也同樣,尺寸增加一點(diǎn),產(chǎn)量就會(huì)增加很多。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅和采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)石英玻璃都同樣需要有一套由冷凍除濕、除氧、干燥組成的氫氣凈化系統(tǒng)和一個(gè)鼓泡器。如果采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn),這些設(shè)備也是合一的。
采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)比單項(xiàng)生產(chǎn)法節(jié)省最多的地方還不在于此。
采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)比單項(xiàng)生產(chǎn)法節(jié)省最多的地方還不在于此。
采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅,需要一套由冷凍分離器和氫氣回收系統(tǒng)組成的回收系統(tǒng),而采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)就不需要這套回收系統(tǒng)。這套系統(tǒng)是由科技含量高、造價(jià)高的成套設(shè)備組成的。我們知道,家用的冰箱的最低溫只有攝氏零下十幾度,一般的冷庫(kù)的最低溫也只有攝氏零下三十幾度,可這套系統(tǒng)所用的冷凍溫度要到攝氏零下八十幾度,甚至更低;家用的冰箱只是單級(jí)壓縮,要求深冷的冷庫(kù)也只有雙級(jí)壓縮,而這套系統(tǒng)所用的冷凍機(jī)是復(fù)疊式的,是在雙級(jí)之上再加了一級(jí)壓縮的,而且組合方式也是特別的。據(jù)估算,這套系統(tǒng)所需的費(fèi)用應(yīng)占總設(shè)備費(fèi)用的三分之一左右。就此一項(xiàng),采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)就可節(jié)省設(shè)備費(fèi)三分之一左右。
很顯然,設(shè)備少,不僅可以節(jié)約投資,而且還減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
4.基建投資少
采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn),可以省掉一些設(shè)備和廠房,基建投資減少,總的投入也減少(見(jiàn)附表3),付出的代價(jià)也就小,從而促進(jìn)這些產(chǎn)品的生產(chǎn)。
5.與氯堿工業(yè)聯(lián)合對(duì)平衡問(wèn)題和污染問(wèn)題的解決
近年來(lái)我國(guó)的氯堿工業(yè)發(fā)展較快,目前,其產(chǎn)量已居世界第2位。雖然如此,我國(guó)的氯、堿產(chǎn)品還是不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。
我國(guó)的氯堿工業(yè)能不能再進(jìn)一步發(fā)展呢?這要看氯與堿的平衡問(wèn)題能不能得到解決了。
目前燒堿的生產(chǎn)方法幾乎全部采用電解食鹽水的方法,這樣,每生產(chǎn)0.88t氯氣則聯(lián)產(chǎn)1t燒堿,這一比例,目前是無(wú)法改變的。但問(wèn)題是,市場(chǎng)對(duì)氯堿的需求比例并不是0.88:1,而是一個(gè)變數(shù),也就是說(shuō),氯與堿的市場(chǎng)需求是不平衡的。有的時(shí)候氯是過(guò)剩的,有的時(shí)候堿是過(guò)剩的,無(wú)論氯與堿哪種過(guò)剩都會(huì)造成氯與堿的不平衡。氯與堿的不平衡還會(huì)影響環(huán)境,不管氯與堿哪一方過(guò)剩積存,都可能造成對(duì)環(huán)境的污染。所以,氯與堿的平衡是氯堿工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,氯與堿的平衡問(wèn)題得不到解決,我國(guó)的氯堿工業(yè)就很難再發(fā)展。
氯氣是多晶硅和石英玻璃聯(lián)合制備法的重要原料,該制備法是消耗氯的。如果在氯過(guò)剩時(shí),讓該制備法與氯過(guò)剩的氯堿工業(yè)聯(lián)手,就可以幫助解決氯與堿的平衡問(wèn)題。氯與堿的平衡問(wèn)題解決了,氯的積存就會(huì)減少,甚至為零,污染問(wèn)題也就迎刃而解了。
6.電子工業(yè)材料——多晶硅瓶頸問(wèn)題的解決
前面我們說(shuō)過(guò),多晶硅是電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料。由于采用傳統(tǒng)的單項(xiàng)生產(chǎn)法生產(chǎn)多晶硅,需要付出資源和環(huán)境的極大代價(jià)。過(guò)大的代價(jià)制約了多晶硅的生產(chǎn)發(fā)展。目前,由于多晶硅短缺,迫使一些電子工業(yè)廠家減產(chǎn),甚至停業(yè)。很顯然,多晶硅已經(jīng)成為當(dāng)前電子工業(yè)發(fā)展的瓶頸,阻礙了電子工業(yè)的發(fā)展。
采用多晶硅和石英玻璃的聯(lián)合制備法生產(chǎn)多晶硅,代價(jià)會(huì)減少,從而促進(jìn)多晶硅的發(fā)展,電子工業(yè)材料(多晶硅)的瓶頸問(wèn)題也就因此得以解決。
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