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多晶硅和石英玻璃聯合制備法的優點

發表時間:2020-03-14 21:48:16

多晶硅和石英玻璃的聯合制備法的熱能是被充分利用的，其生產過程沒有反復升降溫的現象，因此可以節能，而且節能的數字是相當可觀的。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產多晶硅，還原料從鼓泡器里出來后被送進還原爐。在爐內還原料被加熱到1150～1250℃，發生了氫還原反應，生成多晶硅。采用這種生產法，進入還原爐的還原料只有少數(一般認為10％～20％)參加反應，生成了多晶硅，絕大多數被當作尾氣排放了。最初，這些尾氣被當成廢氣放掉，造成極大的浪費。為避免浪費，人們把尾氣中的氫氣和四氯化硅回收，經凈化提純后再利用。這樣一來，出來的高溫料，進入由冷凍分離器和氫氣回收組成的回收系統回收。在回收系統里，還原料被冷凍降溫至四氯化硅的沸點(57．6。C)之下，一般認為應在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計算，也要降溫1100℃。問題是，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，進入還原爐被加熱的大部分還原料(占進爐料9()％)沒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的還原料。很明顯，這是一種浪費，沒有參加反應的還原料按理說應該不加熱。可問題是，在還原爐里，沒有參加反應的還原料與參加反應的還原料是混在一起的，根本無法分開，如果沒有參加反應的還原料不加熱，那么，參加反應的還原料也無法加熱。我們知道，參加反應的還原料溫度低是無法進行化學反應的，也就無法生產出多晶硅。所以，如果采用傳統的單項生產法生產多晶硅的話，上述浪費是不可避免的。
　　
　　如果采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法，由還原爐里出來沒有參加反應的還原料不進入回收系統，而被當成生產石英玻璃的原料直接進入制砣機，因此不用降溫。也就是說，采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產多晶硅是可以避免上述浪費的，可以節約80％～90％的能源。這只是生產多晶硅，采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法來生產石英玻璃也一樣具有明顯的節能優勢。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產石英玻璃，也需要將送進制砣機的合成料加熱，而且升溫的幅度要更大。一般認為，制砣機的反應區里要達到1400～1600℃的高溫，而要達到如此高溫需要消耗大量的能源。傳統的單項生產法生產石英玻璃是靠氫氧燃燒來獲取高溫的。我們知道，在單項生產的合成料里已經含有氫氣了，可為了達到此高溫，還得另外向制砣機的反應區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合制備法，由還原爐里出來沒有參加反應的還原料被當成合成料直接進入制砣機。該料溫度已經很高，在1150～1250℃左右。這樣的料通入制砣機就不用再另外向制砣機的反應區通人燃料氫氣，因為該料所含的氫氣燃燒所產生的熱量已經完全可以滿足化學反應的需要了。由此可以看出，
　　
　　采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法來生產石英玻璃可以節省50％～6()％的氫氣，可見這些數字是相當可觀的。
　　
　　2.環境保護
　　
　　多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產是連續的，設備是串聯的，是將上一個產品的尾氣或尾液作為下一個產品的原料，使本應作為廢氣排出的尾氣得到了綜合利用。因此，它不僅可以減少廢氣的排放量，而且還可以減輕對環境的污染。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產多晶硅，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，也還是要排放出尾氣，只不過，尾氣的數量少得多。上述尾氣是由沒有參加反應的還原料與參加反應后產生的廢氣共同組成。沒有參加反應的還原料主要是由氫氣和四氯化硅組成；參加反應后產生的廢氣主要是氯化氫。氫氣的排放不會對環境造成污染，可四氯化硅和氯化氫就不同了，它們都是有毒物質，會對環境造成嚴重的污染，是不可以直接排放到大氣中的。四氯化硅是有強烈刺激性的物質，可以使人窒息。據說，在第二次世界大戰時德國人曾經想把四氯化硅當作化學武器來使用，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大的，它遇水會變成三大強酸之一的鹽酸，對人體、建筑物、設備、環境都有極大的危害。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產石英玻璃，也要排放出尾氣。該尾氣中也同樣含有有毒的氯化氫，因此也同樣會對環境造成危害。
　　
　　如果采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法來生產多晶硅和石英玻璃，尾氣問題就會解決了。多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產多晶硅的還原爐放出尾氣沒有直接放空，而是被直接送入制砣機里來生產石英玻璃。這樣一來，生產多晶硅的尾氣污染問題就會大大減輕了。
　　
　　采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產石英玻璃，制砣機出來的尾氣被送人尾氣處理系統。該尾氣處理系統可將制砣機放出來的尾氣轉變為稀鹽酸和二氧化硅。二氧化硅是無害的，它的顆粒細小而且純度極高，是高級的納米級材料，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品，用途廣泛。稀鹽酸也可以不回收，只要再加進一些堿，使其中和，危害就沒有了，也就可以排放了。由此看來，采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法來生產多晶硅和石英玻璃，不僅可以減少廢氣的排放量，而且還可以減輕對環境的污染。
　　
　　3.設備費用少
　　
　　多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產可以省掉一些設備，從而可以節約投資，并可減輕操作人員的勞動強度。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產多晶硅，需要有一臺四氯化硅合成爐和一套四氯化硅提純系統。采用傳統的單項生產法生產石英玻璃，同樣需要有一臺四氯化硅合成爐和一套四氯化硅提純系統。如果采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產四氯化硅和多晶硅，上述設備是合一的，從設備數量上看，多晶硅和石英玻璃的聯合制備法比傳統的單項生產法減少一半。只是設備要大一些，但單個設備的投資增加不會太多。比如四氯化硅合成爐，它的直徑加大一倍，它的產量就可以增加四倍。四氯化硅提純系統里的設備也同樣，尺寸增加一點，產量就會增加很多。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產多晶硅和采用傳統的單項生產法生產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和一個鼓泡器。如果采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產，這些設備也是合一的。
　　
　　采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產比單項生產法節省最多的地方還不在于此。
　　
　　采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產比單項生產法節省最多的地方還不在于此。
　　
　　采用傳統的單項生產法生產多晶硅，需要一套由冷凍分離器和氫氣回收系統組成的回收系統，而采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產就不需要這套回收系統。這套系統是由科技含量高、造價高的成套設備組成的。我們知道，家用的冰箱的最低溫只有攝氏零下十幾度，一般的冷庫的最低溫也只有攝氏零下三十幾度，可這套系統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壓縮，要求深冷的冷庫也只有雙級壓縮，而這套系統所用的冷凍機是復疊式的，是在雙級之上再加了一級壓縮的，而且組合方式也是特別的。據估算，這套系統所需的費用應占總設備費用的三分之一左右。就此一項，采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產就可節省設備費三分之一左右。
　　
　　很顯然，設備少，不僅可以節約投資，而且還減輕了操作人員的勞動強度。
　　
　　4.基建投資少
　　
　　采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產，可以省掉一些設備和廠房，基建投資減少，總的投入也減少(見附表3)，付出的代價也就小，從而促進這些產品的生產。
　　
　　5.與氯堿工業聯合對平衡問題和污染問題的解決
　　
　　近年來我國的氯堿工業發展較快，目前，其產量已居世界第2位。雖然如此，我國的氯、堿產品還是不能滿足國內市場的需求。
　　
　　我國的氯堿工業能不能再進一步發展呢?這要看氯與堿的平衡問題能不能得到解決了。
　　
　　目前燒堿的生產方法幾乎全部采用電解食鹽水的方法，這樣，每生產0．88t氯氣則聯產1t燒堿，這一比例，目前是無法改變的。但問題是，市場對氯堿的需求比例并不是0．88：1，而是一個變數，也就是說，氯與堿的市場需求是不平衡的。有的時候氯是過剩的，有的時候堿是過剩的，無論氯與堿哪種過剩都會造成氯與堿的不平衡。氯與堿的不平衡還會影響環境，不管氯與堿哪一方過剩積存，都可能造成對環境的污染。所以，氯與堿的平衡是氯堿工業發展的關鍵，氯與堿的平衡問題得不到解決，我國的氯堿工業就很難再發展。
　　
　　氯氣是多晶硅和石英玻璃聯合制備法的重要原料，該制備法是消耗氯的。如果在氯過剩時，讓該制備法與氯過剩的氯堿工業聯手，就可以幫助解決氯與堿的平衡問題。氯與堿的平衡問題解決了，氯的積存就會減少，甚至為零，污染問題也就迎刃而解了。
　　
　　6.電子工業材料——多晶硅瓶頸問題的解決
　　
　　前面我們說過，多晶硅是電子工業的基礎材料。由于采用傳統的單項生產法生產多晶硅，需要付出資源和環境的極大代價。過大的代價制約了多晶硅的生產發展。目前，由于多晶硅短缺，迫使一些電子工業廠家減產，甚至停業。很顯然，多晶硅已經成為當前電子工業發展的瓶頸，阻礙了電子工業的發展。
　　
　　采用多晶硅和石英玻璃的聯合制備法生產多晶硅，代價會減少，從而促進多晶硅的發展，電子工業材料(多晶硅)的瓶頸問題也就因此得以解決。

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