多晶硅生产不存在_高能耗_高排放_

1、多晶硅生产不存在 高能耗、高排放严大洲 宗绍兴 汤传斌 肖荣晖(中国恩菲工程技术有限公司, 北京100038摘 要 多晶硅是信息产业和太阳能光伏发电产业的基础原材料, 世界多个国家将其列为战略性材料。经过多年的努力, 2005年洛阳中硅高科技有限公司在国内建成第一条产业化示范线, 打破了国外多年的技术封锁和市场垄断, 初步形成了一个具有战略意义的新兴产业。本文分析了多晶硅乃至整个光伏行业生产过程中的能源消耗、能源贡献以及对降低GDP 能耗的贡献, 分析了多晶硅清洁生产过程, 以利于行业的长久健康发展。关键词 多晶硅; 光伏发电; 能耗; 清洁生产中图分类号TN 304 1+2; TK01+8

2、文献标识码B 文章编号1008-5122(2010 06-0019-04Polycrystalli ne Silicon Producti on withoutH ighEnergy Consu m ption and Em issionYAN Da zhou, ZONG Shao x i n g , TANG Chuan bin , XI AO Rong hu iAbst ract :Po lycrystalli n e silicon is t h e basic ra w m aterial in i n for m ati o n and so lar photovolta i c p

3、o w er generati o n i n dustries , it is c lassifi e d as strateg ic m ateri a l in m any countr i e s in the w orl d . W ith the efforts for m any years , Ch i n a silicon co r po ration LTD (Luoyang built the first do m estic industri a l de m onstrationli n e , it broke the fore i g n coun tries

4、technical b l o ckade and m ar ketm onopo ly f o rm any years , an e m er g ing i n dustry o f strateg ic sign ificance has already taken initial shape . Th is paper analyzes the energy consum p ti o n and contribution for reducing GDP energy consum ption in po l y crysta lline silicon production an

5、d even the who le pho tovo lta ic i n dustries . This paper a lso analyzes the c leaner producti o n pr ocess of po lycrystal li n e silicon , wh ich is beneficia l to developm ent forever .K ey w ords :po l y crysta lline silicon ; so lar photovo ltaic po w er generati o n ; energy consu m pti o n

6、; c leaner producti o n收稿日期2010-04-29作者简介严大洲(1963-, 男, 湖北宜昌人, 教授级高级工程师, 中国恩菲副总工程师, 全国有色行业设计大师, 全国劳动模范, 中国光伏产业联盟副秘书长, 主要从事多晶 1 多晶硅生产能耗情况1 1 光伏发电的生产电耗与寿命周期发电量对比2009年, 全世界光伏发电组件产量10 1G W 。其中, 晶体硅太阳电池产量为8 5GW, 薄膜太阳电池1 6G W, 晶体硅太阳电池占总产量的84 16%, 是当今市场主流, 因此重点分析晶体硅太阳电池的能耗。1 1 1 晶体硅光伏发电产业链晶体硅光伏发电产业链见图1。图1 晶

7、体硅太阳电池产业链1 1 2 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 表达式为:EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6(1 其中:EP1为 硅砂! 冶金硅 的能耗:13k W h /kg;EP2为! 多晶硅 200k W h ,192010年12月第6期 多晶硅生产不存在 高能耗、高排放 ! ! ! 严大洲 宗绍兴 汤传斌等(改良西门子法国内平均水平, 世界先进水平为150180k W h /kg;EP3为 多晶硅! 多晶硅片 的能耗:9k W h/kg, (多晶硅铸锭重量270kg , 使用多线切割机切片能耗水平, 单晶硅约为60k W

8、 h /kg;EP4为 多晶硅片! 多晶硅光伏电池 的能耗:0 2k W h /Wp ;EP5为 光伏电池! 光伏组件 的能耗:0 15k W h /W p , 含封装材料(钢化玻璃, EVA, TPT 等 的生产能耗;EP6为 光伏组件! 光伏系统 的能耗:0 31k W h /W p ; 含并网控制逆变器、电缆、开关、支架、仪表等的生产能耗。1 1 3 能耗计算结果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#12

9、5mm 的硅片(薄片可切7090片, 每片平均制造2 4W p 太阳电池, 合计为144W p /kg。制造每瓦太阳电池需要的高纯多晶硅:1200g /144W p=8 3g /W p(国内先进水平:6g /W p; 制造每瓦太阳电池需要的工业硅:1 2#1 5#1000g /144Wp=12 5g /W p ;根据上述参数计算, 得到各环节电力消耗情况如下:EP1=13k W h /kg#12 5g /W p /1000=0 1625k W h /W p EP2=200k W h /kg#8 3g /W p /1000=1 66k W h /W pEP3=9k W h /kg144W p /

10、kg=0 0625k W h /Wp 全部能量消耗:EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6=2 545k W h /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 597k W h /Wp1 1 4 能量回收期计算光伏发电系统的能量回收期TP (年 =制造光伏系统的全部能耗/光伏发电系统年发电量, 即光伏根据上面的测算, 可以得到光伏发电从硅石到系统的总能耗为2 597k W h /Wp 。中国西部的太阳能资源丰富, 光伏发电系统的年平均利用小时数为3000h(已经考虑了系统效率, 东部差一些, 约为1000h , 平均1500h, 即每峰

11、瓦太阳电池一年可以发出1 5k W h 的电。由此, 可以计算出光伏发电的能量回收期:TP =2 597/1 5=1 73年随着太阳级硅材料能耗下降(200160k W h /kg,光伏电池效率继续提高(17%22%, 基片继续减薄, 晶体硅光伏发电系统的能量回收期有可能降到1年。按照测算结果, 完全可以实现光伏发电对传统能源的替代作用, 实现良性的, 可永续的太阳能产业。目前, 国内生产的太阳能组件的合理使用寿命25年, 以此推算, 生产出的太阳能组件在实现生产能耗回收后, 几乎不用再消耗电量, 即可发电约22年, 并且没有任何污染物排放。事实上, 即使25年之后, 太阳能组件的发电效率大约

12、相当于25年之前的80%, 仍可使用很长一段时间。国内1977年生产的单晶硅太阳能电池组件, 用于气象观测站, 目前仍可发电, 计算寿命已达到33年。我国已经向国际社会承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%45%, 非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右。这其中, 继风电、核电大发展之后, 太阳能光伏发电将迎来发展的春天。1 2 晶硅光伏发电与传统煤电比较据统计:2009年全国发电煤耗平均为342gce /kW h 。光伏发电从硅石到系统的总能耗为2 597k W h /Wp , 折标煤为888 2gce /W p 。晶硅太阳能电池寿命30年, 基本免维护,

13、寿命期内平均发电量1 5#30=45k W h , 折标煤为19 73g ce /kW h , 耗煤量仅相当于煤电的1/17。2009年中国光伏发电装机容量140MW, 占总产量的2%, 截止到2009年底, 全国历年光伏发电总装机容量为320MW, 国内应用刚刚开始。随着光伏发电被社会认识, 有识之士富有远见的投资, 推广应用会更加普及, 假设中国每年安装10GW p , 其总能耗折标煤为31 9万, t 对应的多晶硅消耗量为8 82万, t 2009年全国耗煤量为31亿, t 仅占0 02865%, 能耗微不足道。2009年中国的多晶硅2亿k 20有色冶金节能%专论与综述电力消耗为3697

14、3亿k W h , 占0 1203%; 折标煤152 19万, t 占全国总煤耗的0 04613%, 能源消耗甚微。2009年多晶硅需求4万, t 仍有50%需要进口, 能源消耗有限。根据光伏产业的学习曲线, 光伏发电装机容量每增长一倍, 光伏发电成本降低20%。2008年4月28日, 国内光伏行业上下游联合, 发布 洛阳宣言 , 确定在2012年使中国光伏发电成本降低到1元/kW h 的目标, 按此目标, 多晶硅2008价格降低到700元/kg, 2009价格降低到600元/kg, 2010价格降低到500元/kg, 中硅高科降低成本的努力及多晶硅市场售价已经完全符合该目标要求。与此同时,

15、光伏组件的价格也由3 55USD /Wp 降低到目前的1 31 5USD /Wp , 效果显著。近两年全世界装机容量与比例见表1。由表1可看出, 中国光伏装机容量与世界第一光伏生产大国极不相称。因此, 适时启动内需市场已成必然趋势。表1 部分国家装机容量与占有率比较GW p国家德国西班牙美国日本意大利法国中国韩国捷克比利时其他合计装机容量2008年1 5302 2800 3500 2300 3400 1000 0400 2800 0300 0480 2905 522009年3 8000 1500 4750 4840 7000 2850 1400 1700 4110 2920 3737 3020

16、09年占有率/%52 12 16 56 69 63 92 02 35 64 05 11001 3 多晶硅生产与电解铝的耗能比较多晶硅与电解铝比较, 多晶硅耗电200k W h /kg(折标煤68 4kgce /kg; 电解铝耗电14k W h /kg(折标煤4 788kgce /kg, 由于两者的用途不同、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, 不宜相提并论。对电解铝来说, 目前售价1 46万元/,t 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, t 耗电1 4万k W h /t #1

17、439万t=2014 6亿k W h , 2009年全国电力消费量36973亿k W h , 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 4tce , GDP 产值65#6 83#1000=44 395万元/, t 其万元GDP 产值能耗指标: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。通过限产多晶硅对降低GDP 能耗毫无帮助。如果多晶硅10万t 产能全部发挥, 按多晶硅耗电200k W h

18、 /kg计算, 满负荷生产后, 全国多晶硅耗电200k W h/kg#10#10000#1000=200亿k W h , 占全国2009年总用电量的0 541%, 不到全国电解铝耗电的1/10。10万t 多晶硅可制造12 5GW 太阳能电池, 每年发电量187 5亿k W h , 一年多的发电量, 基本偿还电能消耗。2 多晶硅生产污染物及处理2 1 多晶硅生产工艺与副产物处理四氯化硅是多晶硅生产的副产物, 每生产1t 多晶硅产生1020t 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: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:生产气相白碳黑、硅酸

19、乙酯、高纯石英、光纤预制棒、有机硅等产业链其它产品。2 2 多晶硅生产 三废 处理多晶硅生产的 三废 :废气:主要成份N 2, 含少量H 2、H C l 、S i 2HC l 2、S H i C l 3、S i C l 4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淋洗涤, 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

20、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。多晶硅生产处理 三废 没有技术难题, 国内上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 。2008年3月9日, 西方某媒体发表了一篇题为212010年12月第6期 多晶硅生产不存在 高能耗、高排放 ! ! ! 严大洲 宗绍兴 汤传斌等报道, 在国内外太阳能产业领域中引起了不少议论, 有关领导也给予关注。国家环保部、国家科技部、国家发改委、中央电视台等专家、领导和媒体, 多次、随机到洛阳中硅高科技有限公司现场调查, 当地环保部门也

21、进行为期2周现场突击检测, 最终结论是中硅高科 三废 全部达标排放。3 世界多晶硅产能分布美国是多晶硅产量最大的国家, 2009年全世界多晶硅产量10 48万, t 美、日、德、韩四国多晶硅总产量84500, t 较2008年57400t 增长47 2%。其中美国4家公司5家多晶硅厂的总产48000, t 占世界总产量的45 8%。而美国黑姆洛克(He m lock 公司2009年多晶硅产量27500t/a , 位列世界首位, 长年维持世界总产量的30%左右; 先进硅(REC 材料公司的产量11000t/a, 列世界第三; ME MC 的多晶硅产量9000t/a, 列世界第五。美国的多晶硅企业

22、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。世界多晶硅重心集聚美国, 得益于美国给多晶硅厂优惠电价, 长期以来, 电价23美分/kW h , 具备明显优势, 还有税收的优惠; 而世界第二大多晶硅生产企业! ! ! 德国瓦克拥有自备水电站和火力电站, 排名世界第五的日本德山曹达也拥有自备火力电站。时至今日, 传统7大多晶硅公司依然没有一家在中国建厂, 也没有一家对外系统转让技术。

23、扩建仍在美国、德国等地。如果多晶硅生产是 高能耗、高排放 , 美、日、德为何一直把多晶硅生产留在本国, 产品高价出口? 为何一直封锁技术、垄断市场? 如果出口多晶硅是出口 宝贵的能源 , 为何美、日、德仍然乐此不疲?多年来, 中国多晶硅需求依赖进口, 在艰苦、被动的环境下发展壮大, 2009年洛阳中硅高科技有限公司多晶硅产量位列全球第九位, 中国多晶硅企业也首次出现在世界前十行列之中; 而中国光伏企业连续3年成为世界第一, 4家中国光伏企业位居国际排名前十位。中国一大批光伏企业进军国际市场, 解决国内就业、增加税收的同时, 培养了一大批国际型企业, 按照 出口多晶硅就是出口优质能源的逻辑, 国际多晶硅公司为何还要低价出口中国? 多晶硅和煤炭、石油等是具备同样属性的产品, 是一种重要的、高效的能源材料, 如果考虑到未来光伏产业的大趋势, 多晶硅产业更是关系到未来一个大国竞争力的核心产业, 如果发展的比较弱,