多晶硅生產(chǎn)不存在_高能耗_高排放_

1、多晶硅生產(chǎn)不存在 高能耗、高排放嚴(yán)大洲 宗紹興 湯傳斌 肖榮暉(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京100038摘 要 多晶硅是信息產(chǎn)業(yè)和太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料, 世界多個國家將其列為戰(zhàn)略性材料。經(jīng)過多年的努力, 2005年洛陽中硅高科技有限公司在國內(nèi)建成第一條產(chǎn)業(yè)化示范線, 打破了國外多年的技術(shù)封鎖和市場壟斷, 初步形成了一個具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè)。本文分析了多晶硅乃至整個光伏行業(yè)生產(chǎn)過程中的能源消耗、能源貢獻以及對降低GDP 能耗的貢獻, 分析了多晶硅清潔生產(chǎn)過程, 以利于行業(yè)的長久健康發(fā)展。關(guān)鍵詞 多晶硅; 光伏發(fā)電; 能耗; 清潔生產(chǎn)中圖分類號TN 304 1+2; TK01+8

2、文獻標(biāo)識碼B 文章編號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作者簡介嚴(yán)大洲(1963-, 男, 湖北宜昌人, 教授級高級工程師, 中國恩菲副總工程師, 全國有色行業(yè)設(shè)計大師, 全國勞動模范, 中國光伏產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長, 主要從事多晶 1 多晶硅生產(chǎn)能耗情況1 1 光伏發(fā)電的生產(chǎn)電耗與壽命周期發(fā)電量對比2009年, 全世界光伏發(fā)電組件產(chǎn)量10 1G W 。其中, 晶體硅太陽電池產(chǎn)量為8 5GW, 薄膜太陽電池1 6G W, 晶體硅太陽電池占總產(chǎn)量的84 16%, 是當(dāng)今市場主流, 因此重點分析晶體硅太陽電池的能耗。1 1 1 晶體硅光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈晶體硅光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈見圖1。圖1 晶

7、體硅太陽電池產(chǎn)業(yè)鏈1 1 2 能耗計算邊界條件以原料硅砂為起點, 到制成晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng), 全部能量消耗EP 表達式為:EP=EP1+EP2+EP3+EP4+EP5+EP6(1 其中:EP1為 硅砂! 冶金硅 的能耗:13k W h /kg;EP2為! 多晶硅 200k W h ,192010年12月第6期 多晶硅生產(chǎn)不存在 高能耗、高排放 ! ! ! 嚴(yán)大洲 宗紹興 湯傳斌等(改良西門子法國內(nèi)平均水平, 世界先進水平為150180k W h /kg;EP3為 多晶硅! 多晶硅片 的能耗:9k W h/kg, (多晶硅鑄錠重量270kg , 使用多線切割機切片能耗水平, 單晶硅約為60k W

8、 h /kg;EP4為 多晶硅片! 多晶硅光伏電池 的能耗:0 2k W h /Wp ;EP5為 光伏電池! 光伏組件 的能耗:0 15k W h /W p , 含封裝材料(鋼化玻璃, EVA, TPT 等 的生產(chǎn)能耗;EP6為 光伏組件! 光伏系統(tǒng) 的能耗:0 31k W h /W p ; 含并網(wǎng)控制逆變器、電纜、開關(guān)、支架、儀表等的生產(chǎn)能耗。1 1 3 能耗計算結(jié)果多晶硅生產(chǎn)消耗工業(yè)硅原料1 5kg , 即每生產(chǎn)1kg 高純多晶硅需要1 5kg 冶金硅;拉制硅棒或澆鑄硅錠消耗高純多晶硅1 2kg , 即1kg 硅錠/硅棒需要1 2kg 高純多晶硅;1kg 硅棒或硅錠可以切60片125#12

9、5mm 的硅片(薄片可切7090片, 每片平均制造2 4W p 太陽電池, 合計為144W p /kg。制造每瓦太陽電池需要的高純多晶硅:1200g /144W p=8 3g /W p(國內(nèi)先進水平:6g /W p; 制造每瓦太陽電池需要的工業(yè)硅:1 2#1 5#1000g /144Wp=12 5g /W p ;根據(jù)上述參數(shù)計算, 得到各環(huán)節(jié)電力消耗情況如下: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 太陽電池組件產(chǎn)率=98%(即封裝成品率, 全部能量消耗:2 545/0 98=2 597k W h /Wp1 1 4 能量回收期計算光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收期TP (年 =制造光伏系統(tǒng)的全部能耗/光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量, 即光伏根據(jù)上面的測算, 可以得到光伏發(fā)電從硅石到系統(tǒng)的總能耗為2 597k W h /Wp 。中國西部的太陽能資源豐富, 光伏發(fā)電系統(tǒng)的年平均利用小時數(shù)為3000h(已經(jīng)考慮了系統(tǒng)效率, 東部差一些, 約為1000h , 平均1500h, 即每峰

11、瓦太陽電池一年可以發(fā)出1 5k W h 的電。由此, 可以計算出光伏發(fā)電的能量回收期:TP =2 597/1 5=1 73年隨著太陽級硅材料能耗下降(200160k W h /kg,光伏電池效率繼續(xù)提高(17%22%, 基片繼續(xù)減薄, 晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收期有可能降到1年。按照測算結(jié)果, 完全可以實現(xiàn)光伏發(fā)電對傳統(tǒng)能源的替代作用, 實現(xiàn)良性的, 可永續(xù)的太陽能產(chǎn)業(yè)。目前, 國內(nèi)生產(chǎn)的太陽能組件的合理使用壽命25年, 以此推算, 生產(chǎn)出的太陽能組件在實現(xiàn)生產(chǎn)能耗回收后, 幾乎不用再消耗電量, 即可發(fā)電約22年, 并且沒有任何污染物排放。事實上, 即使25年之后, 太陽能組件的發(fā)電效率大約

12、相當(dāng)于25年之前的80%, 仍可使用很長一段時間。國內(nèi)1977年生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池組件, 用于氣象觀測站, 目前仍可發(fā)電, 計算壽命已達到33年。我國已經(jīng)向國際社會承諾到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%45%, 非化石能源占一次能源消費的比重達到15%左右。這其中, 繼風(fēng)電、核電大發(fā)展之后, 太陽能光伏發(fā)電將迎來發(fā)展的春天。1 2 晶硅光伏發(fā)電與傳統(tǒng)煤電比較據(jù)統(tǒng)計:2009年全國發(fā)電煤耗平均為342gce /kW h 。光伏發(fā)電從硅石到系統(tǒng)的總能耗為2 597k W h /Wp , 折標(biāo)煤為888 2gce /W p 。晶硅太陽能電池壽命30年, 基本免維護,

13、壽命期內(nèi)平均發(fā)電量1 5#30=45k W h , 折標(biāo)煤為19 73g ce /kW h , 耗煤量僅相當(dāng)于煤電的1/17。2009年中國光伏發(fā)電裝機容量140MW, 占總產(chǎn)量的2%, 截止到2009年底, 全國歷年光伏發(fā)電總裝機容量為320MW, 國內(nèi)應(yīng)用剛剛開始。隨著光伏發(fā)電被社會認(rèn)識, 有識之士富有遠(yuǎn)見的投資, 推廣應(yīng)用會更加普及, 假設(shè)中國每年安裝10GW p , 其總能耗折標(biāo)煤為31 9萬, t 對應(yīng)的多晶硅消耗量為8 82萬, t 2009年全國耗煤量為31億, t 僅占0 02865%, 能耗微不足道。2009年中國的多晶硅2億k 20有色冶金節(jié)能%專論與綜述電力消耗為3697

14、3億k W h , 占0 1203%; 折標(biāo)煤152 19萬, t 占全國總煤耗的0 04613%, 能源消耗甚微。2009年多晶硅需求4萬, t 仍有50%需要進口, 能源消耗有限。根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)的學(xué)習(xí)曲線, 光伏發(fā)電裝機容量每增長一倍, 光伏發(fā)電成本降低20%。2008年4月28日, 國內(nèi)光伏行業(yè)上下游聯(lián)合, 發(fā)布 洛陽宣言 , 確定在2012年使中國光伏發(fā)電成本降低到1元/kW h 的目標(biāo), 按此目標(biāo), 多晶硅2008價格降低到700元/kg, 2009價格降低到600元/kg, 2010價格降低到500元/kg, 中硅高科降低成本的努力及多晶硅市場售價已經(jīng)完全符合該目標(biāo)要求。與此同時,

15、光伏組件的價格也由3 55USD /Wp 降低到目前的1 31 5USD /Wp , 效果顯著。近兩年全世界裝機容量與比例見表1。由表1可看出, 中國光伏裝機容量與世界第一光伏生產(chǎn)大國極不相稱。因此, 適時啟動內(nèi)需市場已成必然趨勢。表1 部分國家裝機容量與占有率比較GW p國家德國西班牙美國日本意大利法國中國韓國捷克比利時其他合計裝機容量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 多晶硅生產(chǎn)與電解鋁的耗能比較多晶硅與電解鋁比較, 多晶硅耗電200k W h /kg(折標(biāo)煤68 4kgce /kg; 電解鋁耗電14k W h /kg(折標(biāo)煤4 788kgce /kg, 由于兩者的用途不同、兩者的價值不同、技術(shù)附加值和總能源消耗規(guī)模不同, 對國家的貢獻和戰(zhàn)略意義不同, 不宜相提并論。對電解鋁來說, 目前售價1 46萬元/,t 其萬元GDP 產(chǎn)值耗能指標(biāo):4 788/1 46=3 279tce /萬元。2009年全國電解鋁消費量1439萬, t 耗電1 4萬k W h /t #1

17、439萬t=2014 6億k W h , 2009年全國電力消費量36973億k W h , 占總用電量的5 45%。對多晶硅來說, 根據(jù)業(yè)內(nèi)測算, 即使多晶硅的價格從高峰時的每千克400美元掉到目前約65美元的水平, 每噸多晶硅電耗折算68 4tce , GDP 產(chǎn)值65#6 83#1000=44 395萬元/, t 其萬元GDP 產(chǎn)值能耗指標(biāo):68 4/44 395=1 54tce /萬元。不到鋁電解萬元GDP 產(chǎn)值能耗一半, 低于全國2008年萬元GDP 工業(yè)產(chǎn)值耗能指標(biāo)2 189。通過限產(chǎn)多晶硅對降低GDP 能耗毫無幫助。如果多晶硅10萬t 產(chǎn)能全部發(fā)揮, 按多晶硅耗電200k W h

18、 /kg計算, 滿負(fù)荷生產(chǎn)后, 全國多晶硅耗電200k W h/kg#10#10000#1000=200億k W h , 占全國2009年總用電量的0 541%, 不到全國電解鋁耗電的1/10。10萬t 多晶硅可制造12 5GW 太陽能電池, 每年發(fā)電量187 5億k W h , 一年多的發(fā)電量, 基本償還電能消耗。2 多晶硅生產(chǎn)污染物及處理2 1 多晶硅生產(chǎn)工藝與副產(chǎn)物處理四氯化硅是多晶硅生產(chǎn)的副產(chǎn)物, 每生產(chǎn)1t 多晶硅產(chǎn)生1020t 四氯化硅, 如不妥善處理, 將直接影響生產(chǎn)并導(dǎo)致環(huán)境污染。主流處理工藝:氫化轉(zhuǎn)變?yōu)槿葰涔? 成為多晶硅原料, 返回系統(tǒng)使用。輔助工藝:生產(chǎn)氣相白碳黑、硅酸

19、乙酯、高純石英、光纖預(yù)制棒、有機硅等產(chǎn)業(yè)鏈其它產(chǎn)品。2 2 多晶硅生產(chǎn) 三廢 處理多晶硅生產(chǎn)的 三廢 :廢氣: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; 廢水:廢氣淋洗水、純水制備排水等, 呈酸性; 廢渣:硅粉、二氧化硅、石灰石渣等, 無害、不溶, 屬一般固體廢物。處理辦法:將系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣通過管道匯集至三廢處理站中的廢氣處理塔, 利用氯硅烷極易水解和酸堿中和的原理, 在廢氣處理塔內(nèi)用堿性水對廢氣進行噴淋洗滌, 從廢氣處理塔頂排出中性氣體, 主要成分是氮氣和少量的氫氣; 氯硅烷水解產(chǎn)生的鹽酸和二氧化硅, 鹽酸與堿反應(yīng)形成

20、中性水, 進一步處理后達標(biāo)排放; 二氧化硅通過壓濾固化后運至政府指定垃圾場。多晶硅生產(chǎn)處理 三廢 沒有技術(shù)難題, 國內(nèi)上千噸級規(guī)模的工廠都有 尾氣干法回收 系統(tǒng), 環(huán)保評估和檢測體系完善, 需達標(biāo)才能獲得生產(chǎn)許可, 工廠潔凈, 環(huán)境優(yōu)美, 不存在 高排放 。2008年3月9日, 西方某媒體發(fā)表了一篇題為212010年12月第6期 多晶硅生產(chǎn)不存在 高能耗、高排放 ! ! ! 嚴(yán)大洲 宗紹興 湯傳斌等報道, 在國內(nèi)外太陽能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中引起了不少議論, 有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)也給予關(guān)注。國家環(huán)保部、國家科技部、國家發(fā)改委、中央電視臺等專家、領(lǐng)導(dǎo)和媒體, 多次、隨機到洛陽中硅高科技有限公司現(xiàn)場調(diào)查, 當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門也

21、進行為期2周現(xiàn)場突擊檢測, 最終結(jié)論是中硅高科 三廢 全部達標(biāo)排放。3 世界多晶硅產(chǎn)能分布美國是多晶硅產(chǎn)量最大的國家, 2009年全世界多晶硅產(chǎn)量10 48萬, t 美、日、德、韓四國多晶硅總產(chǎn)量84500, t 較2008年57400t 增長47 2%。其中美國4家公司5家多晶硅廠的總產(chǎn)48000, t 占世界總產(chǎn)量的45 8%。而美國黑姆洛克(He m lock 公司2009年多晶硅產(chǎn)量27500t/a , 位列世界首位, 長年維持世界總產(chǎn)量的30%左右; 先進硅(REC 材料公司的產(chǎn)量11000t/a, 列世界第三; ME MC 的多晶硅產(chǎn)量9000t/a, 列世界第五。美國的多晶硅企業(yè)

22、中, 國外股份占多數(shù), 黑姆洛克的股份分布:道康寧63 25%、日本信越24 5%、日本三菱占12 25%; 先進硅(REC 材料公司2005年時是全日資企業(yè), 當(dāng)年在多晶硅市場興起之時, 將全部股份售給挪威, 并更名為REC 公司; 三菱(美國 也是全日資企業(yè)。世界多晶硅重心集聚美國, 得益于美國給多晶硅廠優(yōu)惠電價, 長期以來, 電價23美分/kW h , 具備明顯優(yōu)勢, 還有稅收的優(yōu)惠; 而世界第二大多晶硅生產(chǎn)企業(yè)! ! ! 德國瓦克擁有自備水電站和火力電站, 排名世界第五的日本德山曹達也擁有自備火力電站。時至今日, 傳統(tǒng)7大多晶硅公司依然沒有一家在中國建廠, 也沒有一家對外系統(tǒng)轉(zhuǎn)讓技術(shù)。

23、擴建仍在美國、德國等地。如果多晶硅生產(chǎn)是 高能耗、高排放 , 美、日、德為何一直把多晶硅生產(chǎn)留在本國, 產(chǎn)品高價出口? 為何一直封鎖技術(shù)、壟斷市場? 如果出口多晶硅是出口 寶貴的能源 , 為何美、日、德仍然樂此不疲?多年來, 中國多晶硅需求依賴進口, 在艱苦、被動的環(huán)境下發(fā)展壯大, 2009年洛陽中硅高科技有限公司多晶硅產(chǎn)量位列全球第九位, 中國多晶硅企業(yè)也首次出現(xiàn)在世界前十行列之中; 而中國光伏企業(yè)連續(xù)3年成為世界第一, 4家中國光伏企業(yè)位居國際排名前十位。中國一大批光伏企業(yè)進軍國際市場, 解決國內(nèi)就業(yè)、增加稅收的同時, 培養(yǎng)了一大批國際型企業(yè), 按照 出口多晶硅就是出口優(yōu)質(zhì)能源的邏輯, 國際多晶硅公司為何還要低價出口中國? 多晶硅和煤炭、石油等是具備同樣屬性的產(chǎn)品, 是一種重要的、高效的能源材料, 如果考慮到未來光伏產(chǎn)業(yè)的大趨勢, 多晶硅產(chǎn)業(yè)更是關(guān)系到未來一個大國競爭力的核心產(chǎn)業(yè), 如果發(fā)展的比較弱,