我国多晶硅技术已实现清洁生产达到世界先进水平

科技日报 2017/5/25

硅片分选

多晶硅材料制备技术国家工程实验室

中硅高科全景

提到多晶硅,很多人并不陌生,太阳能电池板、集成电路芯片等,都是由其生产制作而成。然而,对于多晶硅的生产过程,很多人还保留着“高能耗、高污染”的印象。“没技术,只按传统工艺,污染能耗问题难以避免。但通过自主技术研发,我们在多年前已经实现了清洁生产,多晶硅综合能耗降低超过80%,并有效解决了污染问题。”中国恩菲工程技术有限公司(下称中国恩菲)副总工程师、多晶硅材料制备技术国家工程实验室主任严大洲说。

我国多晶硅产业链的发展并不是一番风顺的。在我国自主研发的多晶硅生产技术诞生之前,只能从国外进口多晶硅原料,美日德等国对中国实施技术封锁,只卖产品,不卖技术。2007年堪称中国多晶硅元年,当年中国产多晶硅首超千吨,洛阳中硅产量占一半以上,在2008年奥运会的背景下,遭遇华盛顿邮报的对多晶硅产业产生污染的不实报导,舆论打压刚刚兴起的中国多晶硅产业,2010年,我国光伏产业遭遇美、韩多晶硅低价倾销,2012年又遭到了欧美对光伏终端产品的“双反”制裁。经过多年努力,如今,单就光伏产业而言,我国目前的市场规模已达到3600亿元,很多中国企业的光伏发电产品远销海外。

逆境崛起

在行业内,多晶硅有着“上帝赐给人类的宝石”的美称。硅矿资源丰富,无毒无害。我国硅尤其丰富,由此中国金属硅产量占世界2/3,自用仅1/4,其余全部出口。只有极少量用于多晶硅,如今,多晶硅已成为信息产业和新能源产业重要的原材料。

虽然我国拥有丰富的矿产资源,但在2005年以前,美、日、德等国家都将多晶硅作为战略材料,对我国实施技术封锁和市场垄断。我国多晶硅需求几乎全部依赖进口。技术受制于人的情况下,国内多晶硅行业的生产水平、规模、成本、能耗、污染等问题备受诟病。

带着对光伏行业巨大发展潜力的预期,中国恩菲的科研人员经过多年的技术攻关,打破了国外垄断,形成了中国特色的技术路线。2005年,中国恩菲利用自主研发的技术在子公司洛阳中硅高科技有限公司(下称“中硅高科”)建成了国内第一条年产300吨的多晶硅产业化示范线。2007年,国内多晶硅产量超过1000吨,尽管当时相关技术和原材料还需进口,但我国光伏发电板的产量已居世界第一位。2011年,国产多晶硅产量进一步提升,促使太阳能电池板产业链下游的硅成本大幅下降,让利于全产业链。

就在我国多晶硅产业快速发展时,2012年,欧美对我国光伏产业进行了“双反”调查,使我国的光伏产品被拦在了欧美的国门之外。欧美国家的多晶硅公司通过签订长单合同锁定大量客户保障利润长期化,再通过签订短单合同低价打压中国新兴产业。几轮措施下来,2012年我国多晶硅行业全产业亏损,40多家企业停产,大批从国外进口的数十亿元设备打了水漂。

海外市场受阻刺激了光伏内需市场的快速发展,进而促进了我国能源结构的调整。随着光伏内需市场的快速启动,我国多晶硅产业肩负起了发展新能源的重任。

技术突围

为了解决多晶硅生产的高耗能问题,中国恩菲的科研人员在大型节能还原炉系统研发上下了很大功夫。“节能还原炉系统是实现大规模生产多晶硅产品的关键技术之一,是解决多晶硅大规模生产、降低成本、提高产品质量的根本途径。”严大洲介绍,节能还原炉系统设计优化大幅提高了多晶硅节能还原炉单炉年产量,为万吨级多晶硅生产线和节能技术提供技术支撑。目前,还原反应过程气体单套装置处理能力达到45000Nm3/h,多晶硅生产综合电耗小于每公斤75千瓦时,生产每公斤多晶硅的蒸汽消耗低于30公斤。综合能源消耗数据代表着我国多晶硅生产技术已达到世界先进水平。

在多晶硅生产过程中,会产生四氯化硅等副产物,以往的回收技术难以对副产物进行有效处理,容易对环境造成污染。“事实上,如果技术得当、处理得好,将相关副产物继续投入生产环节利用,通过物料内部循环,就可以进一步提高利用效率,解决污染问题。”严大洲介绍,中国恩菲创造性地提出了反应过程气体梯级分离提纯技术,采用“加压分离—吸收—解析—吸附—再生”工艺,实现了物料循环净化,颠覆了传统多晶硅生产技术把反应过程气体作为尾气处理的技术路线,使多晶硅生产过程气体的分离提纯、再处理与循环利用率从25%提升到99.9%,单线尾气处理能力达到每小时4.5万立方米,能耗与国外进口技术相比进一步降低了30%,实现了清洁生产,大幅降低物料消耗和生产成本。

多晶硅纯度是衡量产品品质的关键因素,为此,中国恩菲从提高原料三氯氢硅的纯度入手,攻克了高品质多晶硅原料提纯的难题,发明了三氯氢硅合成、高效筛板与填料组合的加压精馏提纯技术,将原料三氯氢硅的纯度精馏至9N以上,研究了影响多晶硅品质的几十种微量组份及处理措施。此外,中国恩菲在多晶硅生产工艺方面还相继取得了技术突破,成功引入差压热耦合技术,减少蒸汽和塔顶循环水消耗。

持续研发与提升多晶硅工艺技术及装备水平,进一步节能、减耗、降本是多晶硅行业生存和发展的唯一选择,是独立自主发展我国光伏产业的必经之路。经过8年的不懈努力和技术研发,如今,我国多晶硅综合能耗降低了81%,市场价格由10年前的325万元/吨降低到如今的9—12万元/吨,自主知识产权技术的研发为我国光伏产业发展奠定了基础。

如今,以多晶硅为原料制造的光伏发电在农村电气化、通信行业、大型地面电站、光伏精准扶贫等方面实现快速发展。在众多多晶硅应用中,令人印象深刻的一个实例是,在我国腾格里沙漠边缘的一处60MW光伏电站。起初建站时,这些太阳能电池板下方还是一片沙漠。渐渐地,由于电池板遮挡日照,减少了地面水分蒸发,沙化严重的土地上慢慢长出了草。后来,电站管理部门养了二十几只羊去吃草,到如今羊群已繁殖出了上百只。光伏电站的建设,除了进行发电外,还帮助当地实现了生态修复、绿色养殖。(记者 陈婕)

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