电力对多晶硅生产成本的影响：
电力成本是整个改良西门子法多晶硅生产成本中最重要的部分，其控制的好坏直接影响多晶硅产品的市场竞争力。而影响多晶硅成本的主要因素就是电价和电耗。
2.1、电价的影响：
不同地区的电价是不尽相同的，因此这对于新建企业而言是具有选择权的，他们可以在建厂之前选择适合自己电价供应的地区。但对于已经建成的企业而言，电价是无法选择的，只有被动接受。当然对于这些企业，可以在扩大生产规模的时候考虑热电联产来降低企业的电力成本和热能成本，这一点可以参考国内的造纸行业的做法。瓦克最大的生产基地博格豪森工厂中间就有一条河流穿过，瓦克在其上面就建有一座水电站，向自己的工厂供电。
2.2、电耗的影响：
一般对于多晶硅生产而言衡量电耗指标的主要数据是综合电耗和还原电耗，其中综合电耗是反映整个多晶硅生产过程耗用电量的参数，还原电耗是反应多晶硅还原炉耗用电量的指标，综合电耗包含还原电耗。在多晶硅生产统计中，所有的电耗都是以企业变电站的电表为基础的，故还原用电量就是企业变电站中通向还原车间的线路的电表读数，氢化用电量就是企业变电站中通向氢化车间的线路的电表读数，而综合电量就是电力公司供给企业的实际用电量。
然而，或许是为了对外数据的美观还是其他原因，现在一些多晶硅企业对外公布的还原电耗是纯粹还原炉运行所消耗的电耗，即还原的电表安装在还原车间，其读数不包含还原仪表、电气、变压器及其他电损等所消耗的电量。氢化电耗也采用此数据进行统计。更有甚者，有些企业的统计的综合电耗是剔除公用工程以外的主车间的实际电耗。笔者虽然没有仔细算过这些除还原炉直接耗电以外的其他设备的耗电量是多少，其占真正意义上的还原电耗的比例有多大，但是这明显是一种投机取巧的做法，并美其名曰为“计算口径不同”。
另外，通过笔者的研究发现，由于多晶硅还原炉的整套设备供应不是由一家来完成，即还原炉由一家供应，而仪表电器等其他设备却有另一家供应，因此就出现了一个现象，即还原炉供应商所说的还原耗电量仅为还原炉本身的耗电量，而不包含还原炉对应的仪表电器等其他设备的耗电量。如果在这种情况下，还原炉的耗电量在45Kwh/kg也就不足为奇，因为在这种情况下还原的综合电耗(含仪表电器等)应在60Kwh/kg左右。
因此，对于国内各企业所公布的各项数据，大家都需要进行一个基本的行为判断，且不可人云亦云。
在改良西门子法多晶硅生产工艺中，耗电最大的工序主要是还原、氢化(包括冷氢化)和电解制氢，因此这三个工序对电耗的影响最大。另外，整个多晶硅生产系统的平稳运行也对电耗的影响很大，所以多晶硅生产过程控制也不容忽视。
2.2.1、电解制氢对电耗的影响：
电解制氢耗电量的大小与还原运行的好坏有直接关系。由于在多晶硅还原生产过程中，随着还原炉硅棒直径的变大，进料量的增加，还原炉出来的H2量要大于进入的H2量，所以还原系统总体是产出氢气的。因此，还原炉开的越多越好，系统的H2供应量也越多，电解制氢的生产负荷就越小，相应耗电量也就越少。
另外，现在由天然气直接裂解生产H2的技术已经非常成熟，因此，对于已经形成一定规模的多晶硅生产企业而言，此项技术可考虑应用。
2.2.2、氢化对电耗的影响：
无论是热氢化还是冷氢化，其电耗都是不容忽视的，即使是在冷氢化比热氢化电耗低一半的情况下。影响氢化电耗的主要因素是生产运行周期和转化率。
同等条件下，氢化的生产越平稳、生产运行周期越长、STC转化率越高，则生成的TCS量就越大，相应的TCS电耗就越低。
因此，对于氢化而言，生产能否平稳运行、生产周期的长短、STC转化率的高低是评判氢化生产系统好坏的主要参考指标。
2.2.3、还原对电耗的影响：
影响还原电耗的因素很多，主要包括生产周期、单炉重量、产品质量要求、工艺控制水平、还原炉状况、电气系统等。
2.2.3.1、生产周期：
对于多晶硅生产来讲，并非每炉的生产周期越短越好，生产周期始终需要控制在一个范围之内。单炉生产周期太短，炉内沉积速度比较低，单炉产量相应较低。单炉生产周期过长，虽然单炉产量比较高，但是从总体来看，单位时间内的生产炉次会减少，整体产量会降低。因此，只有将每炉的生产周期控制在一个合理的范围之内，才能保证炉内的沉积速度，电耗才会有一个比较理想的数值。
2.2.3.2、单炉产量：
这一点基本与生产周期的控制要求基本相同，需要将每炉的单炉产量控制在一个合理的范围之内。
但是在这里需要指出的是，还原炉的单炉产量与硅棒数量(还原炉大小)并非正比关系。比如，18对棒的还原炉的单炉产量并非会比12对棒的还原炉单炉产量多出50%，因为大部份12对棒的还原炉的硅棒高度一般在2.6m左右，而18对棒的还原炉的硅棒高度一般在2.0～2.2m之间，正常情况下，两者的单炉产能仅相差20%左右。同样18对、24对和36对棒的还原炉之间的单炉产量也并非有理论所述的差异值。还原炉的产能大小与设备、电气系统以及人员控制水平有很大的关系。这也是最近一段时间以来许多企业认识到还原炉越大而电耗降低程度越来越有限的主要原因。
2.2.3.3、产品质量要求：
对于还原电耗的影响在产品质量方面的主要表现就是产品爆米花的大小与多少。爆米花主要是反映多晶硅表观的好坏，爆米花比较多的硅棒在化学清洗时不易处理干净，杂质和水份会残留在多晶硅表面，影响区熔成晶，甚至迫使中断拉晶操作。即使用作直拉料，也会由于杂质玷污，使单晶纯度下降。而行成爆米花的根本原因是就是炉内硅的沉积速度和硅棒表面所能吸收并使之形成晶体的速度之间的差异。当化学反应沉积速度大于硅棒表面成晶速度时，晶粒来不及在硅棒表面进行有序的排列，就会造成硅棒表面的不均匀。
然而，在多晶硅生产中，要想降低还原电耗，就必须加快硅棒的生长速度，即炉内硅的沉积速度，这样就很容易产生爆米花。因此，企业对于爆米花要求的高低程度在很大程度上会影响还原电耗的大小。
爆米花一般来讲都是比较好的产品，因此如果有下游切片工厂的企业可以考虑在这方面进行调整，适当的接受爆米花产品，可采用掺配的方法来减少爆米花对硅片加工的影响，以降低多晶硅工厂的还原电耗。
另外，对于多晶硅生产者而言，还原生产中的无定形硅是要尽可能避免的，这也曾是生产控制过程中的一个重要的控制指标。一般而言，无定形硅是三氯氢硅在反应温度比较低的时候生成的，其对应的生产节点是沉积速度快，生产功率比较低。也正是如此，便在生产过程中出现为了提高产量和降低能耗不对无定形硅采取控制的生成控制方式。然而，无定形硅产生的危险性是比较大的，它可以引起生产设备的堵塞，对生产员工的身体造成严重的粉尘伤害，甚至会引起粉尘爆炸。所以，在多晶硅生产过程中，无定形硅的产生一定要引起企业的重视，切不可因为一时的利益驱使而产生更严重的问题。关于这一点可以参考笔者博客中的相关内容。
图1.3、各种硅棒表面形态
2.2.3.4、工艺控制水平：
这里所说的工艺控制水平主要是指多晶硅生产的平稳性，即生产过程控制的稳定程度，包括稳定的物料供应、稳定的电流控制、硅棒均匀的生长等方面。
在生产过程中，生产人员对物料供应要有预见性，必须提前根据物料的供应情况进行相应的生产调整，不能因为突然物料供应不上而降低进料量，然后又因为物料供应充足而迅速提高进料量。这种忽高忽低的调整方式可以完全破坏掉已经平稳的还原炉内热场，使炉内热场产生波动，对硅棒的生长影响非常大，所以生产人员需要提前预防，尽可能的避免这种操作的发生。
多晶硅正常生产过程中，生产人员对还原炉的控制主要是进行电流的调整，即常说的加电流。所以，作为有经验的生产人员在加电流时必须做到少量多次，即每次加载电流的量不能过大，避免因电流的波动而破坏还原炉内的热场。现在许多多晶硅企业已经设计出自动加电流的程序，这在一定程度上减轻了中控人员的劳动强度，但是这也带来了一些负面的不确定因素。正是因为绝大多数时间还原炉的控制是由DCS自动控制，许多中控人员也就会麻痹大意，没有过多的去对设备进行人为监控检查，这样就会出现生产异常而中控人员不知的现象。
由于多晶硅沉积过程的沉积速率是不一样的，因此同一炉的多晶硅硅棒的形态也是不一致的。在生产过程中，由于多晶硅硅棒形状的不一致，尤其是同一根硅棒直径的不均匀变化，会导致硅棒不同位置的发热量是不同的，所以就会出现裂棒、拉弧等生产异常。如果现场生产人员能够及时发现这些生产异常，并通知中控人员对电流进行人工调整、修正，那么这些问题都是可以在生产过程中解决的，否则将会直接导致停炉，单炉产量、电耗、转化率等都会受到影响。
2.2.3.5、还原炉状况：
还原炉状况对电耗的影响主要表现在设备的运转正常、炉壁的洁净度、高温水的综合利用、尾气热量的回收等方面。
设备的正常运转对于生产而言是一个不可或缺的必要条件，所以平时的维修保养非常关键，尤其是对一些关键设备及部件，必须做到预防性维护。
炉壁的洁净度对与还原电耗影响非常大，炉壁越洁净，对炉内的热量产生的反射效果就越好，则炉壁吸收的热量就越少，这样炉内热场的热量损失就越少，所以电耗也就会相应降低。这一点在日常生产过程中需要特别注意，每次清洗炉筒时必须彻底。
由于高温水均来自于还原炉筒的夹套冷却水，因此高温水的热量就相当于由还原炉内的电能产生的，所以对高温水的综合利用就相当于对还原的电损进行回收利用。一般常见的方法就是将高温水进行闪蒸，产生中压蒸汽，在精馏工段使用。
还原尾的温度都是比较高的，这部分热能是可以回收利用的。常见的方法就是利用还原尾气来预热还原物料，是还原物料在进入还原炉之前就能够得到充分的预热，这样就可以减少还原炉电的使用量。
2.2.3.6、电气系统：
许多工厂对于电气系统的耗电量没有太多的重视，其实电气系统对电的消耗还是比较大的，往往会占到还原总耗电量的20%左右，甚至更高。一套好的电气系统和差的电气系统的耗电量甚至会相差50%左右。因此，电气系统的日常维护也必须引起足够的重视。
2.2.4、生产过程控制对电耗的影响：
生产过程控制水平的高低主要是看生产系统运行是否平稳，这一点主要表现在物料供应、预防控制、生产异常时各工段之间的配合等方面。生产系统能够平稳运行，不出现大的异常波动或是非计划性停车，那么多晶硅的产量就会得到提升，各项损耗也就会得到降低。要满足生产系统平稳运行，除了提高生产人员的技能和操作水平外，还必须做到设备的预防性维护，即提前发现问题，及时解决问题，防患于未然。
本文作者：成都恒海化工技术服务有限公司 王恒
