多晶硅产业概况

郑磊 原创 | 2009-11-06 23:24 | 收藏 | 投票 编辑推荐

1、国际多晶硅产业概况

当前,晶体硅材料(包括多晶硅和单晶硅)是最主要的光伏材料,其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中,形成技术封锁、市场垄断的状况。

多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同,分为电子级和太阳能级。其中,用于电子级多晶硅占55%左右,太阳能级多晶硅占45%,随着光伏产业的迅猛发展,太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展,预计到2008年太阳能多晶硅的需求量将超过电子级多晶硅。

1994年全世界太阳能电池的总产量只有69MW,而2004年就接近1200MW,在短短的10年里就增长了17倍。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。

据悉,美国能源部计划到2010年累计安装容量4600MW,日本计划2010年达到5000MW,欧盟计划达到6900MW,预计2010年世界累计安装量至少18000MW。从上述的推测分析,至2010年太阳能电池用多晶硅至少在3万吨以上。

世界多晶硅主要生产企业有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司,德国的Wacker公司等,其年产能绝大部分在1000吨以上,其中Tokuyama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大,年生产能力均在3000-5000吨。

2、国内多晶硅产业概况

我国集成电路的增长,硅片生产和太阳能电池产业的发展,大大带动多晶硅材料的增长。

根据2007年世界多晶硅行业市场调查报告披露,2006年全球高纯度多晶硅材料的消费量为4万吨,预计到2010年全球多晶硅的需求量将超过10万吨。巨大的市场需求造成了国际市场多晶硅的严重短缺。而中国的多晶硅产业更是方兴未艾,2007年中国太阳能电池产量突破1000MW,超过日本和欧洲,成为世界第一大太阳能电池生产国,2007年中国多晶硅产量仅为1130吨,但国内的需求量就超过10000吨。

我国多晶硅工业起步于上世纪五六十年代中期,生产厂多达20余家,由于生产技术难度大,生产规模小,工艺技术落后,环境污染严重,耗能大,成本高,绝大部分企业亏损而相继停产和转产,到1996年仅剩下四家,即峨眉半导体材料厂(所),洛阳单晶硅厂、天原化工厂和棱光实业公司,合计当年产量为102.2吨,到2006年,只有四川峨眉半导体厂和河南洛阳中硅两家有合计287吨产量,国内多晶硅产能与生产技术都与国外有很大的差距。

从2007年开始,位于四川乐山的新光硅业投产1260吨生产线,2007年试生产260吨,2008年的产量将达到800吨,后续两个3000吨项目正在建设,预计2009年底投产。2007年底前位于江苏徐州的中能硅业投产一条1500吨生产线,当年生产160吨,2008年5月又投产一条1500吨生产线,年底再投产一条约4500吨产能的生产线,江苏中能2008年全年产量可达到2000吨,后续扩产后,2009年上半年达到16500吨产能,2009年预计产量超过10000吨。位于河南的洛阳中硅也于2007年开始扩大生产,目前有超过1000吨的生产能力,年产量达到700吨。国内目前已经投产和在建的1000吨级以上的项目有重庆大全、江苏扬州顺大、宁夏阳光、青海亚洲硅业、江西赛维LDK等项目。国内产能将在2009年底集中释放。

 

社会上关于多晶硅项目高耗能、高污染的质疑一直不绝于耳。由于生产多晶硅是一个提纯过程,金属硅转化成三氯氢硅,再用氢气进行一次性还原,这样部分三氯氢硅就转化为多晶硅,其余大量进入尾气,同时形成副产品——四氯化硅。在这个过程中,如果回收工艺不成熟,三氯氢硅、四氯化硅、氯气等有害物质极有可能外溢,存在重大的安全和污染隐患。四氯化硅一遇潮湿空气即分解成硅酸和剧毒气体氯化氢,对人体眼睛、皮肤、呼吸道有强刺激性,遇火星会爆炸;氯气的外溢则可使人出现咳嗽、头晕、胸闷等病状,并导致农作物大面积减产和绝收。

而之前业内大多认为,作为多晶硅生产工艺中最核心的技术——尾气回收技术长期为美国、德国、日本等企业所垄断,中国企业很难染指,这就给国内多晶硅项目的环保带来了挑战。

目前国内大部分采用改良西门子法的多晶硅项目,都未解决氯氢化技术。这带来最大的问题一是投资大、耗能高,二是因系统工艺的问题。在海外,包括日本德山、挪威REC、德国瓦克等在内的行业巨头,采用的都是氯氢化技术。而江苏中能则早在两年前就吸收了国内外的技术,对氯氢化技术进行开发、研究,通过无数次的试验,终于掌握了氯氢化技术,并通过了国家技术产权局的批准。目前江苏中能的氯氢化工艺一次氢化转化率已经稳定在23%-25%,远高于其他热氢化技术12%-15%的一次转化率。中能硅业采用的氯氢化实现了系统零排放。在采用了氯氢化系统后,四氯化硅全部转换成三氯氢硅,而这正是多晶硅的一种原料。这项技术为国家的节能减排做出了重大的贡献。

关于“多晶硅是高耗能产业”的质疑也从未间断。事实上,随着光伏产业的不断发展、生产实践的不断深入,人们越来越清晰地认识到:光伏产业是能耗不断降低、对环境日益友好、发电成本迅速下降的新兴产业,更是全球祈盼“绿电通天下”的万年产业、永恒伟业。

 

对能耗问题,应该全面地、辩证地看待:

从全面看,就是要全面考察各个环节能耗的情况:高纯硅提纯占62%、多晶硅铸锭(单晶硅拉棒)占15%、硅切片占10%,电池片制造占10%,组件封装占2%、系统集成占1%,而并网发电是源源不断地生产绿色电能。从中看出,晶硅提纯是决定能耗高低的关键。目前,我省多晶硅提纯能耗指标已经达到国际标准。中能硅业已经达产的两条千吨线多晶硅综合电耗指标已经达到155-170千瓦时/公斤硅材料,年底即将投产的万吨级多晶硅生产线能耗设计值在120千瓦时/公斤硅材料,筹建中引进的万吨流化床技术生产多晶硅能耗设计值在40千瓦时/公斤以下。

从辩证来看,就是用单位GDP能耗、总能耗与其他行业进行比较。客观地说,发展光伏产业需要消耗能量的,但如果把它放到与其他行业比较来看,就更容易看清能耗情况。从单位GDP能耗看,江苏中能生产多晶硅的单位GDP能耗为0.160吨标准煤/万元(因多晶硅能耗是光伏行业能耗的重中之重,我们就以这个数据来代替,数据为全国半导体行业协会所测算),既远低于生产钢的单位GDP能耗0.91吨标准煤/万元(按全国钢铁行业较低的耗能标准计算),也远低于2007年我省GDP能耗0.85吨标准煤/万元(特别指出的是:该数据按照300美元/公斤高价来计算的,若价格下降为60美元/公斤且并不考虑技术进步与规模效益的话,多晶硅的单位GDP能耗为0.80吨标准煤/万元,仍然低于上述两项标准)。从总能耗看,2007年全国光伏行业耗电总量为22亿度,占全国0.06%,远低于电解铝(占5%)和钢铁(占14%)。总的来说,随技术进步、工艺路线改进,多晶硅生产能耗逐年下降,光伏行业现在已不是一个高耗能行业,而是一个能量回报率高的行业。

 

关于协鑫光伏(中能硅业)的情况

 

中能硅业已拥有十七项核心技术专利,并持续不断地对工艺进行改进:

1、目前在实施的主工艺路线为改良西门子法,采用具有自主知识产权的氯氢化工艺处理副产物,实现了全流程的闭路循环,与国际国内同行相比具有三个突出优势:(1)由于氯氢化在工艺设计上合理利用反应热,比同行普遍采用的热氢化工艺每公斤多晶硅可节电35度以上。(2)采用了硅芯高压击穿的启动模式和先进的功率调节系统,使还原电耗降至70-80kwh/kg,目前为国内最低,并接近国外最好水平。(3)全流程中优化了能量回收与综合利用设计,进一步降低了综合能耗。目前,本工艺运行综合电耗已经达到150kwh/kg,?为国内最低,接近国外最好水平。同时,整个生产系统实现了清洁环保和安全稳定的运行,没发生任何污染和安全问题。

2、公司下一步将引进TCS流化床工艺,生产颗粒状硅,新工艺的运用将综合电耗下降到三分之一以下,可大幅度降低生产成本。

3、公司第三步技术升级将引入硅烷气及流化床生产工艺,综合电耗可低于30kwh/kg。同时,硅烷气可单独作为产品出售。

有资料显示,目前中能硅业的研发团队,由一批经验丰富的中外专家组成,在150多名专业人才中,博士生、研究生20余人,高级工程师近40人。他们分别来自中国国内和国际一流的化工、冶金、半导体等领域的企业集团和社会团体,在多晶硅还原、氯氢化合成、高效精馏等专业领域有着深厚的造诣,保证了他们的生产工艺和流程设计理念一流,技术领先。其中,氯氢化合成三氯氢硅工艺成为该公司在中国国内自主研发、拥有知识产权的项目。同时,通过引进和消化美国、德国、日本等国世界上最先进的生产设备、制造工艺和核心技术,建成了国内一流、国际先进的多晶硅生产线。此外,公司投入了3亿元人民币,先后在徐州和美国休斯敦建立了研发中心,并将每年利润的5%至10%投入研发。研发中心运用灵活、高效的创新机制,聚集国际一流人才,不断推出新技术。

中能硅业有关负责人向记者介绍说,公司今后三年的发展目标是:一是建成世界最大的多晶硅企业之一;二是核心技术达到世界领先水平,采用硅烷气流化床法生产的多晶硅综合能耗低于30度/公斤;三是扩展产业链,在开发区带动年销售额超千亿元新能源产业,税收超百亿元;四是提供价格更低、质量更优的多晶硅产品,支持光伏产业更快发展,使光伏发电成本向1元/度电迈进,真正具备和火电相当的价格竞争力;五是公司形成完整的产业链,成为全球最具影响力的大型跨国企业;并以公司为龙头,聚集大批相关企业,使徐州成为世界级光伏产业基地。

为了确保多晶硅产品的生产质量,公司1-3期项目采用了世界上成熟的改良西门子工艺,从设计生产到检验检测都与世界先进的技术保持密切的同步,整个工序流程采用先进的集中控制系统(DCS),主要物料在相对封闭的系统内部循环,技术成熟,生产安全,产量稳定,品质可靠,真正实现了多晶硅生产的技术瓶颈,成为中能硅业的“飞天之本”。

氯氢化合成三氯氢硅。四氯化硅综合利用,转化为三氯氢硅,是由传统西门子法过渡到改良西门子法的重要标志之一,在中国还没有成熟运用的先例,成为制约多晶硅企业发展的主要瓶颈。氯氢化合成三氯氢硅,是利用四氯化硅在催化剂作用下发生高温热分解和加氢反应得到三氯氢硅。其产生的副产物氯化氢再与硅粉发生连锁反应,从而使硅和氯化氢反应生成三氯氢硅。采用先进的氯氢化技术,使生产过程的物料实现了封闭循环运转,并得到了最有价值的利用,降低了多晶硅生产的单位能耗。同时,氯氢化工艺采用湿法除尘系统,除尘彻底,且能除去金属杂质,有效控制环保排放。中能硅业的氯氢化工艺属于世界领先技术,已经申请国内外相关专利。

三氯氢硅精馏。利用原料中各种成分在一定压力、温度下挥发度不同的特点,采用高效、综合回收的精馏系统,通过高效筛板塔进行有效分离,最终得到产品纯度完全满足电子级要求的三氯氢硅产品。

三氯氢硅还原。经过精馏提纯的三氯氢硅在纯氢气环境下,在1080℃的硅芯表面沉积,生成棒状多晶硅。此工段采用大流量高沉积速度的进口还原炉工艺技术。还原的硅棒温度和进料流量,采用双相可控硅的还原电器自动控制技术,提高了还原的成功率、产量和安全性,降低了能耗,还原效率达到了国际先进水平。通过引进德国还原和电气自动控制技术,目前中能硅业已经开始批量稳定运用24对棒大型节能还原炉。

还原尾气回收。三氯氢硅制造多晶硅的过程中,有约60%的三氯氢硅没有还原成多晶硅,直接生成了以四氯化硅为主的氯硅烷副产物,另外反应过程还会产生大量的氯化氢,这些副产物都是重要的化学原料。通过引进了以美国为主的国际先进的干法回收技术,将还原反应后的“尾气”通过加压低温分离回收,分离出的氯硅烷到精馏塔提纯,氢气回还原炉循环使用,氯化氢回收到氯氢化车间合成三氯氢硅。通过系统循环,全部综合回收。同时,在系统综合回收的基础上,设计有完善的尾气、残液处理系统和先进的废水循环处理系统,确保了各项指标符合环保排放要求。

以上主要四道基本工序紧密相连,保证了系统的循环利用、环保节能、生产稳定等特点。

个人简介
首席经济学家,香港中文大学(深圳)SFI客座教授,行为经济学者,创新发展,金融投资专家,南开大学经济学博士,荷兰maastricht管理学院mba,兰州大学数学学士 email:prophd@126.com
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