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利用化工节能新技术实现多晶硅绿色制造

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来源: 作者: 2018-10-28 11:57:32

利用化工节能新技术实现多晶硅绿色制造

导读:

目前多晶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。目前我国太阳能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。

作者:北京化工大学博士生导师 李群生 目前多晶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。目前我国太阳能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。 太阳能光伏产业链包括晶体硅原料生产、硅棒与硅片生产、太阳能电池制造、组件封装、光伏产品生产和光伏发电系统等环节。其中硅原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,世界上太阳能光伏电池90%以上以是单晶硅或多晶硅为原材料生产的。目前摆在多晶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。我国太阳能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。 技术尚有欠缺我国太阳能硅料主要依赖进口 在全球光伏产业链中,高纯度硅料不仅要求硅的纯度高达7~9个9,而且其中的硼、磷等杂质限制在几十个ppt(万亿分之一),它是光伏企业生产太阳能电池所需的核心原料。因此,高纯度硅料的合成、精制、提纯、生产也就成为光伏产业集群中最上游的产业。目前,尽管中国的硅原料矿藏储量占世界总储量的25%,但是国内太阳能电池生产企业(如尚德、天威英利等)所需原材料绝大部分需要从国外进口。这是因为用于太阳能电池生产的硅料主要是通过不同的提炼方式从硅原料中提炼而成的单晶硅和多晶硅。在中国,现有的高纯度硅原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光伏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、高污染的粗原料的同时,用极高的价格购回高纯硅料。 据了解,虽然我国硅料工业起步较早(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,且能满足太阳能电池生产需要的硅料实际产量只有80吨。专家预计,2010年我国用于太阳能电池生产的硅料需求量将达到4365吨,2015年为1.62万吨。若不以自主知识产权改变国内多晶硅的生产现状,我国硅料工业受制于国际市场的状况将无法改变,这将危及我国光伏产业的进一步发展。 精馏节能技术降低能耗综合利用减少污染 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。我国的多晶硅生产,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”。对多晶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。 多晶硅生产中,很多塔器都是为了提纯多晶硅而设置的,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、提高回收率、提高企业效益。在多晶硅精馏过程中,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多晶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。将多晶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太阳能电池的要求。 此外,多晶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多晶硅生产成本、实现节能减排的关键,也是现在多晶硅生产企业面临的重大技术难题。 尾气、副产物、余热的回收综合利用可以降低多晶硅项目对环境的污染,从而进一步达到节能减排的目的。国外多晶硅企业的建厂,大多是与化工企业结合,在“化工集团伞下”经营,容易实现集团内部的“循环经济”,废物可以做到“零排放”。例如德国瓦克公司就实现了多晶硅的全封闭循环生产,硅材料生产年销售额在30亿欧元以上,其中有10亿欧元就是对多晶硅副产物进行深加工的有机硅产品所得。除了把四氯化硅氢化成三氯氢硅回收利用外,还可以利用四氯化硅、氯化氢等制成目前市场上需求的气相白炭黑、硅酸乙酯、有机硅产品、人造石英等材料。 提高光电转换效率降低生产成本 提高光伏材料的转换效率和降低太阳电池的制造成本是光伏工业一直追求的两个目标。多晶硅硅片是太阳能光伏电池的核心部分,硅片的质量对于太阳能的光电转化率起着至关重要的作用。一般情况下,普通太阳能光伏电池的光电转化率为10%~14%,而高纯度硅片的太阳能光伏电池转化率可达16%,甚至更高,因此,对于太阳能电池的生产过程来说,多晶硅的生产更加至关重要。 从冶金级硅生产半导体级多晶硅有两个主要的方法:改良西门子法和硅烷法。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。 我们注意到近几年由于各国政府推进政策的支持,下游光伏产业增长迅速,而上游由于扩产的大规模投入及时间问题,多晶硅供应量明显不足,因此供需不平衡导致多晶硅价格持续上涨。 多晶硅材料是整个光伏发电成本中最高的部分。 在大多数国内光伏企业中,硅材料的成本占到了太阳能电池总生产成本的56.2%以上,约占并光伏发电系统成本的30%。 因此,进一步地降低成本,提高多晶硅材料的市场竞争力,对推动整个光伏产业链的发展有着很重要的作用。主要应对方法有:一、引入新型的分离传质设备,如北京化工大学的高效导向筛板塔和填料塔对加速多晶硅生产精馏过程的一体化并实现闭环清洁生产有着很大的促进作用;二、通过引入新型精馏装置从而提高多晶硅产量,实现多晶硅生产的大型化;三、开发和应用大型合成炉和还原炉。 目前85%以上的太阳能电池都是用晶硅片制成的,在未来相当一段时间内还不可能有其他材料可以完全替代硅材料来制作太阳能电池。多晶硅产品纯度高,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。国内多晶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。 (:xiaoyao)

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