根据我们测算,每生产一公斤工业硅需要两公斤的碳。这个过程耗费的大量能量和带来的污染问题怎能被忽略?
污染和耗能常被忽略
众所周知,采用改良西门子法生产多晶硅,要用到大量工业硅(硅粉)、高纯氯气和氢气,作用后生成三氯氢硅。三氯氢硅经过还原后生成多晶硅和四氯化硅。
国内企业在进行污染评价和耗能测算时,只考虑了生成和还原三氯氢硅的过程。但首先一点,大量的工业硅从何而来?生产它的过程中的环保和能耗问题为什么不计算在内?事实上,工业硅的生产原料是我们日常生活中司空见惯的二氧化硅(硅砂),这种物质存在的稳定性仅次于二氧化碳,是在自然界中最稳定的物质之一。因此,要把二氧化硅中的硅元素释放出来,需要耗费很多的能量。而目前普遍采用的是碳还原法,生成的物质既有硅,同时还伴随着大量的二氧化碳。在耗费大量电能之外,二氧化碳的生成直接带来了温室气体的排放,这与目前国家所提倡的低碳经济发展宗旨明显相悖。根据我们测算,每生产一公斤工业硅需要两公斤的碳,相应生成两公斤的二氧化碳。这个过程耗费的大量能量和带来的污染问题怎能被忽略?另外,工业硅粉如果吸入人体内,会使人的呼吸系统受到致命伤害,这也是一个问题。
再者,上述生产三氯氢硅的过程中要用到大量高纯度的氢气和氯气,它们也不是自然获取的,也是经过高温和电解条件下反应生产的,制取它们的过程中也要耗费能量。况且,制取三氯氢硅所用的氢气和氯气的纯度要达到99.9999999999%的水平,提取这么高纯度的气体需要的能量可想而知。
四氯化硅处理都不彻底
以前用西门子法生产多晶硅,副产物四氯化硅这一剧毒物质没有得到有效处理,要么生成后被就地掩埋,要么卖给下游企业作为生产原料。但这无可避免地带来严重的污染问题,有四氯化硅存放的地方,人类和农作物的生存受到严重威胁。
近几年国内企业开始大量引进国外通用的改良西门子法,开始对四氯化硅进行工业处理。一般是采用热氢化技术和氯氢化技术生成三氯氢硅,进行循环利用再次生产多晶硅。但无论是热氢化还是氯氢化,四氯化硅单次循环生成三氯氢硅的转化率只能达到20%—30%之间,剩下的80%怎么办?要知道,按照目前的生产水平,制成一吨的多晶硅要伴随10至15吨的四氯化硅副产物的生成,副产物要比主要产品多的多。有一种说法可以进行多次循环,最终达到100%的处理效果。但必须指出的是,一次循环转化率为20%,即使经过无限次循环,转换率是20%×20%×20%……,根本不可能达到100%的水平。况且,单次循环过程要耗费10度电,这占整个多晶硅过程能耗的近1/10。目前全世界的任何一家公司都不可能做到让它无限次地循环,因为这样做成本太大。
在一次循环的基础上,为妥善处理剩下的四氯化硅,国外有企业开始建设综合性的化工厂,将四氯化硅就地转化成可利用且无污染的化工产品。但目前国内还没有一家企业能够真正处理多晶硅过程中的“杀手”——四氯化硅。
尽管目前国内外很多企业开始尝试采用硅烷法制取多晶硅,这种方法所需的反应设备相对于改良西门子法要简单,转换率也要更高,采用这种方法,企业的投资成本能降低20%左右。但是,了解硅烷这种物质的人都知道,它极不稳定,一遇氧气会剧烈反应,发生爆炸。因此,反应装置中一旦掺杂进少量的空气,就会引起爆炸。日本有一家企业曾尝试用硅烷法制取多晶硅,但投产不到半年就发生爆炸事故,企业最后不得不倒闭。因此说,即使被人们寄予厚望的硅烷法,也存在严重的安全问题。
国内的多晶硅生产与国外还存在一定差距,能耗高的问题将导致企业生产成本的增加。改良西门子法生产多晶硅无法彻底解决四氯化硅问题,应该考虑别的替代方法,这就需要业界加大自主研发力度,国家也应加大扶持力度,支持自主创新。