多晶硅还原炉还原过程能耗及预测解析

多晶硅还原炉还原过程能耗及预测解析

余永祥

内蒙古通威高纯晶硅有限公司  内蒙古包头市昆都仑区 014010

摘要：在生产多晶硅的过程中，还原工艺具有较大能耗，还原工艺主要是利用还原炉，还原炉内部硅棒表面高温需要消耗较多的电能。多晶硅还原炉沉积生产阶段比较复杂，能耗时刻都在发生变化，因此在实际生产阶段很难预测下一刻的能耗，增加了生产控制难度。因此本文分析了多晶硅还原炉还原过程的能耗，并且预测下一时段的能耗，提高还原沉积过程能耗控制性，保障工艺人员可以高效的控制还原炉操作。可以对比预测内容和实际，及时发现多晶硅还原炉异常问题，保障多晶硅生产的持续性，避免浪费大量的能源。本文分析了多晶硅还原炉还原过程的能耗，同时开展预测解析，促进多晶硅企业生产发展。

　　关键词：多晶硅还原炉；还原过程；能耗分析；预测解析

　1、多晶硅还原炉还原过程能耗和预测的背景

　　半导体和电子信息以及太阳能产业的重要材料为硅材料，硅材料是世界重要的可再生能源，可以支持全区高科技和能源领域发展。当前全区化石能源都面临着枯竭，需要利用太阳能代替化石能源。但是光伏行业原料具有较高的成本，能源消耗比较大。太阳能行业不断发展，也逐渐增加了硅材料的需求量，多晶硅生产关系到全世界光伏行业的发展[1]。

　　当前全球都面临着能源危机，不断大范围的开采不可再生能源，同时也在积极寻找可再生能源。太阳能资源属于重要的代替能源，而多晶硅属于重要的原材料，在太阳能产业发展过程中发挥着重要的作用。当前多晶硅市场需求比较大，各国都在经济研究多晶硅制备技术。

还原工艺是多晶硅生产过程中最耗能的环节，还原工艺需要利用还原炉，主要能耗是还原炉硅棒表面高温需要的电耗。多晶硅还原炉沉积过程是非常复杂，具有随机性和动态性，能耗不断发生变化，不利于工作人员控制多晶硅生产过程，本文研究了多晶硅还原炉还原过程的能耗，可以改善能耗把控的不确定性，方便工作人员有效操作还原炉，同时可以及时发觉异常问题，避免在生产多晶硅的过程中浪费大量的能源[2]。

2、目前多晶硅还原炉供电系统的现状

硅材料是半导体工业、电子信息产业和太阳能光伏电池产业中最重要功能性材料，多晶硅作为制备单晶硅的唯一原料和生产太阳能电池的材料，其需求量日益增大。多晶硅生产企业为了降低能耗，对多晶硅还原炉的设计选型越来越大型化，由原来的3 ～ 12 对棒逐渐发展至36对棒及以上[3]。

        由于大型多晶硅还原炉对多晶硅生产的能耗、成本等因素都有较大的降幅，因此对于大型多晶硅还原炉研究工作的要求要更高。目前针对大型还原炉如48对棒、66对棒还原炉国内采用的方式由两套供电系统为一台还原炉进行供电、或是采用长度较短、直径较粗的硅芯作为生产载体，这些解决方案均有较大的弊端[4]。

3、多晶硅还原炉还原过程能耗分析和能耗特征

　　3.1分析多晶硅还原炉还原过程能耗

　　在硅棒通电加热之后，可以为多晶硅还原炉提供热量，在多晶硅还原炉沉积过程中，电加热属于主要的能源。根据多晶硅还原炉结构和沉积原理，还原炉在生产阶段不断向外部耗散热量。结合炉内热量的平衡性，硅棒表面通过辐射向炉内壁传递热量，同时利用炉壁夹套的冷却水系统带走热量。还有一部分热量经过混合气体进入到炉内，经过对流换热获取热量，并且最终通过尾气口流出。

　　3.2多晶硅还原炉沉积过程能耗特点

　　3.2.1温度敏感：需要控制硅棒表面温度在1100℃左右，可以保障多晶硅沉积效应。如果温度比较低，将会产生温度夹层，导致多晶硅品质受到影响。如果温度偏高，将会产生逆腐蚀效应和杂质，如果硅棒中心产生热应力，将会熔断硅棒，这样不仅会降低多晶硅的质量还会浪费电能。

　　3.2.2电耗变动：增粗硅棒，将会相应的减少电阻。在统一电源影响下，减少硅棒焦耳热产生量，降低硅棒表面温度。为了保持硅棒表面的反映温度，需要合理增加硅杆通过的电流值，保持硅棒表面温度。因此在开炉之后，能耗一直发生变化，具有显著的不确定性。

　　3.2.3进料量变动：增大硅棒直径之后，也会随之增大可沉积的发热面积，这就需要增加SiHCl3和H2的进料量，可以利用硅棒热表面，使整体生产效率因此提高[5]。

4、多晶硅还原炉还原过程热量损失的影响因素

　　4.1硅棒直径

　　在还原炉沉积过程中，硅棒直径直接影响到还原炉辐射热，通过增大硅棒直径，也会随之增大辐射散热量，但是在多晶硅生产后期，会减少辐射热量的增幅，甚至会保持不变。因此在大直径环境当中，对比小直径环境，沉积同样厚度，单位辐射热损失比较低。因此在在增大大直径环境中，可以有效降低生产时间内能耗量。

　　4.2炉壁材料

因为多晶硅还原炉的炉壁利用不锈钢材料，炉壁材料直接关系到炉壁发射率，炉内辐射散热也会因此受到影响。多晶硅还原炉内壁材料发射率影响到原生产能耗，降低内壁发生率，可以减小硅棒表面辐射热。因此多晶硅生产过程中，可以在多晶硅还原炉内壁上镀一层银膜，可以使多晶硅还原炉的能耗大幅度降低。

　　4.3硅棒表面温度

　　通过降低硅杆表面温度，也会随之降低辐射热量，但是硅棒表面温度发生轻微的波动，并不会影响到辐射热。虽然通过降低硅棒表面温度，将会降低辐射热，但是降低温度也会降低硅棒表面沉积速率，因此工作人员需要考虑炉内硅棒表面温度，通常是控制硅棒表面温度在1100℃左右可以达到最佳工作状态。

5、能耗预测模块设计

　　5.1预测需求

　　多晶硅还原炉具有复杂的系统结构，在开炉之后，很难准确的把控能耗，增加了工作人员的工作难度和生产难度，因此需要实施能耗预测，同时在能耗预测阶段需要结合参考参数和能耗。通过预测还原炉能耗，技术人员需要综合历史数据预估多晶硅还原炉生产过程中的能耗趋势。

　　5.2模块架构

　　落实多晶硅还原炉能耗预测，有利于工艺人员把控多晶硅沉积生产过程的能耗，进一步提高沉积过程的确定性，保障工艺操作过程的稳定性。通过全面调研多晶硅企业还原车间，可以设计预测模块为web层和业务逻辑层以及数据库层三层结构。

　　5.2.1Data层：数据库层负责采集各个机器运行工艺数据，在采集阶段需要利用设备执行控制器，然后落实SQL存储分析和数据整理等，方便业务逻辑操作这些采集到的数据。

　　5.2.2Service层：业务逻辑层主要负责利训练处理和分析能耗预测模型的结果数据，并且为向前端服务器中传输能耗预测数据。可以利用D-S算法筛选还原炉能耗历史数据，因此获取相似时段的数据，同时利用LS-SVM算法建模，经过训练之后获取模型预测，可以预测还原炉24h的能耗曲线，可以追踪和把控多晶硅还原炉还原沉积生产过程的能耗。

　　5.2.3 Web层：管理人员利用客户端web页面获取数据，同时也可以落实维护操作，为最终工作决策提供准确的依据。

　　利用能耗预测模块可以预测多晶硅还原炉第二天24h的能耗，同时可以利用图表形式展现出能耗曲线，方便生产管理人员提前预知多晶硅还原炉的能耗，因此制定科学的用电调度计划。在能耗预测阶段，首先需要分析历史能耗数据和数据样本，其次利用D-S合理选取数据样本，通过LS-SVM方法训练数据结果。当能耗预测模型经过演算之后可以开展能耗预测。最后输出预测结果。

6、结束语：

　　通过本文对于多晶硅还原炉还原过程能耗及预测的解析，可以对于多晶硅生产工作起到参考作用，但是因为还原炉能耗比较复杂，因此在今后实际工作中仍旧需要改进能耗预测工作，保障多晶硅生产质量。

　　参考文献：

　　[1]聂陟枫，戴恩睿，谢刚，田林，包崇军.多晶硅还原炉高频交流电加热机制研究[J].太阳能学报，2021，42（02）：451-458.

[2]陈叮琳，张才刚，李有斌，俞朝.电子级多晶硅生产尾气中无定型硅的产生原因及预防措施[J].化工管理，2020（34）：78-79.

　　[3]杨楠，杨志国，施汉文，詹水华，甘居富.不同出气方式时多晶硅还原炉内的流场和热场模拟[J].太阳能，2020（07）：42-47.

　　[4]姜利霞，张志刚，董丽萍.多晶硅二氯二氢硅反应精馏和固定床反应器技术经济对比[J].化工管理，2019（29）：99-100.

　　[5]惠虎，咸苹苹，宫建国.基于防止塑性垮塌的多晶硅还原炉底盘结构安全性评估[J].压力容器，2019，36（07）：28-33.