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新技術實現多晶硅的綠色制造
發布日期:2009/2/20 16:36:16  來源:http://xh.chinaxh.com.cn/show.aspx?id=26778&cid=29  

       目前多晶硅生產面臨著降低能耗,減少污染,提高質量,擴大產量四大難題。目前我國太陽能硅材料行業絕大部分依賴進口,因此必須提高技術改變受制于人的局面。

        太陽能光伏產業鏈包括晶體硅原料生產、硅棒與硅片生產、太陽能電池制造、組件封裝、光伏產品生產和光伏發電系統等環節。其中硅原料是最重要的生產環節,在業界曾有“擁硅者為王”的說法。目前,世界上太陽能光伏電池90%以上以是單晶硅或多晶硅為原材料生產的。目前擺在多晶硅生產中有四個主要的問題需要解決:降低能耗、減少污染、提高質量、擴大產量。我國太陽能硅材料行業目前絕大部分依賴進口,因此必須提高技術改變受制于人的局面。

        技術尚有欠缺我國太陽能硅料主要依賴進口

        在全球光伏產業鏈中,高純度硅料不僅要求硅的純度高達7~9個9,而且其中的硼、磷等雜質限制在幾十個ppt(萬億分之一),它是光伏企業生產太陽能電池所需的核心原料。因此,高純度硅料的合成、精制、提純、生產也就成為光伏產業集群中最上游的產業。目前,盡管中國的硅原料礦藏儲量占世界總儲量的 
      25%,但是國內太陽能電池生產企業(如尚德、天威英利等)所需原材料絕大部分需要從國外進口。這是因為用于太陽能電池生產的硅料主要是通過不同的提煉方式從硅原料中提煉而成的單晶硅和多晶硅。在中國,現有的高純度硅原料生產技術與西方發達國家相比,在產量和能耗等方面尚有不足之處。如此一來,這不僅大大增加企業的生產成本,更成為制約當前我國光伏產業向上游環節發展難以逾越的“瓶頸”,使我們國家用很低的價格賣出高能耗、高污染的粗原料的同時,用極高的價格購回高純硅料。

        據了解,雖然我國硅料工業起步較早(20世紀50年代),但由于生產規模小、工藝技術落后、環境污染嚴重、消耗大、成本高,絕大部分企業因虧損而相繼停產或轉產。到2004年我國只剩下峨眉半導體材料廠和洛陽單晶硅有限公司兩家生產企業,其生產能力僅為100噸/ 
      年,且能滿足太陽能電池生產需要的硅料實際產量只有80噸。專家預計,2010年我國用于太陽能電池生產的硅料需求量將達到4365噸,2015年為 
      1.62萬噸。若不以自主知識產權改變國內多晶硅的生產現狀,我國硅料工業受制于國際市場的狀況將無法改變,這將危及我國光伏產業的進一步發展。

        精餾節能技術降低能耗綜合利用減少污染

        現代化工過程對節能工作非常重視,國外投入大量人力物力進行節能技術的開發,節能新技術、新工藝、新措施、新方法不斷問世。我國的多晶硅生產,在采用化工上已經成熟的先進技術后,將不再是“高能耗、高污染”產業,而是“綠色的陽光事業”。對多晶硅精餾過程進行研究,在運用精餾節能技術對其進行分析后,可以從以下幾個方面來實現節能:

        第一,實行多效精餾,使能量得到充分利用。多效精餾是將原料分成大致相等的N股進料,分別送入壓力依次遞增的N個精餾塔中,N個塔的操作溫度也依次遞增。壓力和溫度較高塔的塔頂蒸汽向較低塔的塔釜再沸器供熱,同時自身也被冷凝,以此類推,這樣就節省了低壓塔再沸器的能耗和高壓塔冷凝器的水耗。在這個系統中,只需向第一個最高壓力塔供熱,系統即可進行工作,所需能量約為單塔能耗的1/N,如將三個塔串在一起采用三效精餾技術,其能耗僅用原來的1/3,節能幅度達到67%,節能效果非常明顯。

        多晶硅生產中,很多塔器都是為了提純多晶硅而設置的,可以根據合理的能量和溫差匹配,實現多效精餾,達到大幅度節能減排的目的。

        第二,提高分離效率,降低回流比,進一步實現節能降耗。分離過程中,分離效率的提高可以在很大程度上降低能耗、提高產品質量、減少排放、提高回收率、提高企業效益。在多晶硅精餾過程中,采用高效導向篩板、新型填料等新型分離設備,可以提高其分離效率,降低精餾塔的操作回流比,由于精餾塔的能耗與回流比呈線性關系,這樣就成比例地降低了能耗。提高分離效率也是提高多晶硅產品質量和降低四氯化硅排放的最有效方法。

        第三,全面優化流程,實現節能。將多晶硅生產各股物料進行全面的物料平衡和能量平衡,考察其能耗的合理性,采用熱集成技術,將流程優化,最大限度地節能降耗。通過貫穿生產線的節能和清潔生產,并在生產過程中實現閉環清潔生產,達到降低能耗和Si(硅)、H2(氫氣)、Cl2(氯氣)等原料消耗,降低成本的目的,使產品具有國際競爭能力,質量符合目前和未來超大規模集成電路和太陽能電池的要求。

        此外,多晶硅生產過程中產生大量的SiCl4(四氯化硅)、 
      SiH2Cl2(二氯二氫硅)、SiHCl3(三氯氫硅)等氯硅烷副產物,使生產成本居高不下,部分氯硅烷及氯化氫進入尾氣排放系統,既增加了尾氣處理成本,也增大了污染物的排放量,廢水中的氯離子濃度達1700~2500mg/L。如何有效地解決氯硅烷副產物的出路是降低多晶硅生產成本、實現節能減排的關鍵,也是現在多晶硅生產企業面臨的重大技術難題。

        尾氣、副產物、余熱的回收綜合利用可以降低多晶硅項目對環境的污染,從而進一步達到節能減排的目的。國外多晶硅企業的建廠,大多是與化工企業結合,在“化工集團傘下”經營,容易實現集團內部的“循環經濟”,廢物可以做到“零排放”。例如德國瓦克公司就實現了多晶硅的全封閉循環生產,硅材料生產年銷售額在30億歐元以上,其中有10億歐元就是對多晶硅副產物進行深加工的有機硅產品所得。除了把四氯化硅氫化成三氯氫硅回收利用外,還可以利用四氯化硅、氯化氫等制成目前市場上需求的氣相白炭黑、硅酸乙酯、有機硅產品、人造石英等材料。提高光電轉換效率降低生產成本。

        提高光伏材料的轉換效率和降低太陽電池的制造成本是光伏工業一直追求的兩個目標。多晶硅硅片是太陽能光伏電池的核心部分,硅片的質量對于太陽能的光電轉化率起著至關重要的作用。一般情況下,普通太陽能光伏電池的光電轉化率為10%~14%,而高純度硅片的太陽能光伏電池轉化率可達16%,甚至更高,因此,對于太陽能電池的生產過程來說,多晶硅的生產更加至關重要。

        從冶金級硅生產半導體級多晶硅有兩個主要的方法:改良西門子法和硅烷法。在其生產過程中,多級精餾技術及其設備至關重要,通過新型的化工精餾設備及相關精餾技術可以提高最終產物超純硅的質量。

        我們注意到近幾年由于各國政府推進政策的支持,下游光伏產業增長迅速,而上游由于擴產的大規模投入及時間問題,多晶硅供應量明顯不足,因此供需不平衡導致多晶硅價格持續上漲。

        多晶硅材料是整個光伏發電成本中最高的部分

        在大多數國內光伏企業中,硅材料的成本占到了太陽能電池總生產成本的56.2%以上,約占并網光伏發電系統成本的30%。

        因此,進一步地降低成本,提高多晶硅材料的市場競爭力,對推動整個光伏產業鏈的發展有著很重要的作用。主要應對方法有:一、引入新型的分離傳質設備,如北京化工大學的高效導向篩板塔和填料塔對加速多晶硅生產精餾過程的一體化并實現閉環清潔生產有著很大的促進作用;二、通過引入新型精餾裝置從而提高多晶硅產量,實現多晶硅生產的大型化;三、開發和應用大型合成爐和還原


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