碳化硅新材料必须提高技术改变受制于人的局面
时间：2016-10-26 作者：91再生 来源：91再生网
目前碳化硅生产面临着降低能耗，减少污染，提高质量，扩大产量四大难题。目前我国硅材料行业绝大部分依赖进口，因此必须提高技术改变受制于人的局面。
新材料产业链包括晶体碳化硅废料生产、硅棒与硅生产、陶瓷制造、组件封装、新材料产品生产和新材料系统等环节。其中碳化硅废料是最重要的生产环节，在业界曾有“拥硅者为王”的说法。目前，世界上新材料陶瓷90%以上以是单晶硅或碳化硅为原材料生产的。目前摆在碳化硅生产中有四个主要的问题需要解决：降低能耗、减少污染、提高质量、扩大产量。我国硅材料行业目前绝大部分依赖进口，因此必须提高技术改变受制于人的局面。
尽管中国的碳化硅废料矿藏储量占世界总储量的25%，但是国内陶瓷生产企业所需原材料绝大部分需要从国外进口。这是因为用于陶瓷生产的
碳化硅废料主要是通过不同的提炼方式从碳化硅废料中提炼而成的单晶硅和碳化硅。在中国，现有的高纯度碳化硅废料生产技术与西方发达国家相比，在产量和能耗等方面尚有不足之处。如此一来，这不仅大大增加企业的生产成本，更成为制约当前我国新材料产业向上游环节发展难以逾越的“瓶颈”，使我们国家用很低的价格卖出高能耗、高污染的碳化硅废料的同时，用极高的价格购回高纯碳化硅。
据了解，虽然我国碳化硅废料工业起步较早（20世纪50年代），但由于生产规模小、工艺技术落后、环境污染严重、消耗大、成本高，绝大部分企业因亏损而相继停产或转产。到2004年我国只剩下峨眉半导体材料厂和洛阳单晶硅有限公司两家生产企业，其生产能力仅为100吨/年，且能满足陶瓷生产需要的碳化硅废料实际产量只有80吨。专家预计，2010年我国用于陶瓷生产的碳化硅废料需求量将达到4365吨，2015年为1.62万吨。若不以自主知识产权改变国内碳化硅的生产现状，我国碳化硅废料工业受制于国际市场的状况将无法改变，这将危及我国新材料产业的进一步发展。
现代化工过程对节能工作非常重视，国外投入大量人力物力进行节能技术的开发，节能新技术、新工艺、新措施、新方法不断问世。我国的碳化硅生产，在采用化工上已经成熟的先进技术后，将不再是“高能耗、高污染”产业，而是“绿色的阳光事业”。对碳化硅精馏过程进行研究，在运用精馏节能技术对其进行分析后，可以从以下几个方面来实现节能：
第一，实行多效精馏，使能量得到充分利用。多效精馏是将原料分成大致相等的N股进料，分别送入压力依次递增的N个精馏塔中，N个塔的操作温度也依次递增。压力和温度较高塔的塔顶蒸汽向较低塔的塔釜再沸器供热，同时自身也被冷凝，以此类推，这样就节省了低压塔再沸器的能耗和高压塔冷凝器的水耗。在这个系统中，只需向第一个最高压力塔供热，系统即可进行工作，所需能量约为单塔能耗的1/N，如将三个塔串在一起采用三效精馏技术，其能耗仅用原来的1/3，节能幅度达到67%，节能效果非常明显。碳化硅生产中，很多塔器都是为了提纯碳化硅而设置的，可以根据合理的能量和温差匹配，实现多效精馏，达到大幅度节能减排的目的。
第二，提高分离效率，降低回流比，进一步实现节能降耗。分离过程中，分离效率的提高可以在很大程度上降低能耗、提高产品质量、减少排放、提高碳化硅废料回收率、提高企业效益。在碳化硅精馏过程中，采用高效导向筛板、新型填料等新型分离设备，可以提高其分离效率，降低精馏塔的操作回流比，由于精馏塔的能耗与回流比呈线性关系，这样就成比例地降低了能耗。提高分离效率也是提高碳化硅产品质量和降低四氯化硅排放的最有效方法。
第三，全面优化流程，实现节能。将碳化硅生产各股物料进行全面的物料平衡和能量平衡，考察其能耗的合理性，采用热集成技术，将流程优化，最大限度地节能降耗。通过贯穿生产线的节能和清洁生产，并在生产过程中实现闭环清洁生产，达到降低能耗和Si（硅）、H2（氢气）、Cl2（氯气）等原料消耗，降低成本的目的，使产品具有国际竞争能力，质量符合目前和未来超大规模集成电路和陶瓷的要求。
此外，碳化硅生产过程中产生大量的SiCl4（四氯化硅）、SiH2Cl2（二氯二氢硅）、SiHCl3（三氯氢硅）等氯硅烷副产物，使生产成本居高不下，部分氯硅烷及氯化氢进入尾气排放系统，既增加了尾气处理成本，也增大了污染物的排放量，废水中的氯离子浓度达1700～2500mg/L。如何有效地解决氯硅烷副产物的出路是降低碳化硅生产成本、实现节能减排的关键，也是现在碳化硅生产企业面临的重大技术难题。
提高新材料材料的转换效率和降低太阳陶瓷的制造成本是新材料工业一直追求的两个目标。碳化硅是新材料陶瓷的核心部分，硅的质量对于的光电转化率起着至关重要的作用。一般情况下，普通新材料陶瓷的光电转化率为10%～14%，而高纯度硅的新材料陶瓷转化率可达16%，甚至更高，因此，对于陶瓷的生产过程来说，碳化硅的生产更加至关重要。在其生产过程中，多级精馏技术及其设备至关重要，通过新型的化工精馏设备及相关精馏技术可以提高最终产物超纯硅的质量。
因此，进一步地降低成本，提高碳化硅材料的市场竞争力，对推动整个新材料产业链的发展有着很重要的作用。引入新型的分离传质设备，通过引入新型碳化硅废料精馏装置从而提高碳化硅产量，实现碳化硅生产的大型化；开发和应用大型合成炉和还原炉。碳化硅产品纯度高，工艺要求严格，行业技术进步快，研究费用投入大，生产中的副产物和三废处理投入较大，产业链和规模效应明显。国内碳化硅厂家今后也会在人才、生产成本、产品质量和价格等方面面临严峻挑战。
第 12 年
