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多晶硅生产可做到零排放
关于多晶硅污染高的说法,严大洲表示,这与其生产技术和工艺密切相关,改良的技术完全可以实现达标排放,甚至做到零排放。多晶硅可以实现充分的循环利用,其生产以金属硅为原料,与氯化氢反应合成三氯氢硅,三氯氢硅经过精馏提纯后,用高纯氢气还原得到多晶硅产品。还原过程中,产生大量尾气,采用干法回收系统将尾气中的成份分离,其中:SiCl4、SiHCl3混合液送精馏提纯,得到高纯SiHCl3还原生产多晶硅,SiCl4送氢化系统转化为三氯氢硅,提纯后再返回还原系统使用;HCl气体送三氯氢硅合成工序;氢气返回还原工序生产多晶硅。整个多晶硅生产系统是一个理想的物料循环、能量回收利用的闭路循环系统。
在多晶硅生产过程中,四氯化硅是多晶硅生产的副产物,每生产1吨多晶硅产生10~20吨四氯化硅,如不妥善处理,将直接影响生产并导致环境污染。主流处理工艺是氢化转变为三氯氢硅,成为多晶硅原料,返回系统使用。辅助工艺包括生产气相白碳黑、硅酸乙酯、高纯石英、光纤预制棒、有机硅等产业链其它产品。
多晶硅生产“三废”处理。多晶硅生产的“三废”:废气:主要成份N2,含少量H2、HCl、Si2HCl2、SiHCl3、SiCl4等;废水:废气淋洗水、纯水制备排水等,呈酸性;废渣:硅粉、二氧化硅、石灰石渣等,无害、不溶,属一般固体废物。处理办法:将系统产生的废气通过管道汇集至三废处理站中的废气处理塔,利用氯硅烷极易水解和酸碱中和的原理,在废气处理塔内用碱性水对废气进行喷林洗涤,从废气处理塔顶排出中性气体,主要成分是氮气和少量的氢气;氯硅烷水解产生的盐酸和二氧化硅,盐酸与碱反应形成中性水,进一步处理后达标排放;二氧化硅通过压滤固化后运至政府指定垃圾场。
以江西赛维LDK公司为例,该公司2009年9月投产的1.5万吨高纯硅料一期项目,通过不断对最新一代的改良西门子工艺进行优化和创新,从精馏、氢化、还原、尾气回收,形成了一个全闭环的、全回收的系统,每生产一千克多晶硅的电耗不超过60kWh,物耗水平也控制在行业标准的50%以下,产品纯度远高于目前国内精炼纯化度行业标准,达到国际先进技术水平。“目前这一项目在运行时,对所有废弃物进行回收,真正做到了对环境无污染无危害。”赛维公司董事长兼首席执行官彭小峰表示。
可以说,目前我国的多晶硅生产,在“三废”处理方面基本没有技术难题,国内千吨级规模的工厂都有“尾气干法回收”系统,环保评估和检测体系完善,需达标才能获得生产许可,工厂洁净,环境优美,不存在“高排放”。
多晶硅耗能不应单纯比较
严大洲告诉记者,国内有些专家和政府官员,将多晶硅生产与钢铁和电解铝比较,认为多晶硅耗电200kWh/kg(折标煤68.4kgce/kg);电解铝耗电14kWh/kg(折标煤4.788kgce/kg);理所当然是高能耗!“但是,两者的用途不同、两者的价值不同、技术附加值和总能源消耗规模不同,对国家的贡献和战略意义不同,不宜简单处置。”严大洲分析说。
对电解铝来说,目前售价1.46万元/吨,其万元GDP产值耗能指标:4.788/1.46=3.279tce/万元。2009年全国电解铝消费量1439万吨,耗电1.4万kWh/t×1439万吨=2014.6亿kWh,2009年全国电力消费量36973亿kWh,占总用电量的5.45%。
对多晶硅来说,根据业内测算,即使多晶硅的价格从高峰时的每千克400美元掉到目前约65美元的水平,每吨多晶硅电耗折算68.4吨标煤,GDP产值65×6.83×1000=44.395万元/吨,其万元GDP产值值耗指标:68.4/44.395=1.54tce/万元,不到铝电解万元GDP产值能耗一半,低于全国2008年万元GDP工业产值耗能指标2.189,同时可以减少二氧化碳排放量30%。
国外积极扩产多晶硅
尽管国内对多晶硅“两高”的质疑声不断,但资料显示,国外大型企业仍在积极新建、扩建多晶硅项目。
美国是多晶硅产量最大的国家,2009年,美、日、德、韩四国多晶硅总产量84500吨,较2008年57400吨增长47.2%。其中美国4家公司5家多晶硅厂的总产48000吨,占世界总产量的45.8%。其中,黑姆洛克公司2009年多晶硅产量27500吨/年,位列世界首位;先进硅(REC)材料公司的产量11000吨/年,列世界第三;MEMC的多晶硅产量9000吨/年,列世界第五。美国的多晶硅企业中,国外股份占多数,黑姆洛克的股份分布:道康宁63.25%、日本信越24.5%、日本三菱占12.25%;先进硅(REC)材料公司2005年时是全日资企业,当年在多晶硅市场兴起之时,将全部股份售给挪威,并更名为REC公司;三菱(美国)也是全日资企业。世界多晶硅项目集聚美国,得益于美国给多晶硅厂优惠电价,长期以来,电价2~3美分/kWh,具备明显优势,还有税收的优惠。
2010年以来国外多晶硅企业扩产迅速。其中德国瓦克公司的产能将在今年底达到2.2万吨以上;美国的海姆洛克公司也宣布将产能扩大一倍;日本的德山曹达公司也忙着扩产。
据了解,时至今日,传统七大多晶硅公司依然没有一家在中国建厂,也没有一家对外转让技术,一直把多晶硅生产留在本国,产品高价出口。扩建仍在美国、德国、马来西亚等地。
多晶硅和石油、煤炭等产品的属性一样,是关系到未来一个大国竞争力的核心产业。值得注意的是,目前国外多晶硅产品在中国多晶硅发展的幼稚期间,低价进口到中国,与中国本土多晶硅企业争抢客户,竞争已异常激烈。
晶体硅太阳能电池产业链示意图
能耗计算边界条件。以原料硅砂为起点,到制成晶体硅光伏发电系统,全部能量消耗EP表达式:
EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6
其中:EP1为“硅砂--冶金硅”的能耗:13kwh/kg;
EP2为“冶金硅--多晶硅”的能耗200kwh/kg(改良西门子法国内平均水平);
EP3为“多晶硅--多晶硅片”的能耗9kwh/kg(目前国内主流,使用多线切割机切片能耗水平);
EP4为“多晶硅片—多晶硅光伏电池”的能耗0.2kwh/Wp;
EP5为“光伏电池—光伏组件”的能耗0.15kwh/Wp,含封装材料的生产能耗;
EP6为“光伏组件—光伏系统”的能耗0.31kwh/Wp,含并网控制逆变器、电缆等的生产能耗。
计算结果为:
多晶硅生产消耗工业硅原料:1.5kg,即每生产1kg高纯多晶硅需要1.5kg冶金硅;
拉制硅棒或浇铸硅锭消耗高纯多晶硅:1.2kg,即1kg硅锭/硅棒需要1.2kg高纯多晶硅;
1kg硅棒或硅锭可以切60片125×125mm的硅片(薄片可切70~90片),每片平均制造2.4Wp太阳电池,合计为:144Wp/kg;
制造每瓦太阳电池需要的高纯多晶硅:1200g/144Wp=8.3g/Wp(国内先进水平:6g/Wp);
制造每瓦太阳电池需要的工业硅:1.2×1.5×1000g/144Wp=12.5g/Wp;
根据上述参数计算,得到各环节电力消耗情况如下:
EP1=13kWh/kg×12.5g/Wp/1000=0.1625kWh/Wp
EP2=200kWh/kg×8.3g/Wp/1000=1.66kWh/Wp
EP3=9kWh/kg÷144Wp/kg=0.0625kWh/Wp
全部能量消耗:EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6=2.545kWh/Wp
太阳电池组件产率=98%(即封装成品率)
全部能量消耗:2.545/0.98=2.597kWh/Wp
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