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[隆眾聚焦]:多晶硅迭代清潔生產(chǎn) 源頭“減碳”助力光伏產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展

發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè),是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑之一。太陽(yáng)能作為可再生能源,具有取之不盡、用之不竭、清潔等特點(diǎn),大面積使用光伏發(fā)電電能,能夠有效地減少二氧化碳排放,降低溫室氣體效應(yīng),改善氣候環(huán)境。同時(shí)光伏產(chǎn)業(yè)能夠和氫能源、新能源汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)相耦合,成為未來(lái)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑。

太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)多晶硅產(chǎn)業(yè)的支撐。高效太陽(yáng)能電池的推廣和發(fā)展以及單晶拉棒技術(shù)的變革,連續(xù)加料和多次拉棒,對(duì)多晶硅品質(zhì)提出了更高的要求,高純晶硅將成為高效電池的主流。

目前,國(guó)內(nèi)、外多采用改良西門(mén)子法、硅烷流化床法及物理(冶金)法來(lái)制備多晶硅產(chǎn)品,下面就這三種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1、改良西門(mén)子法

自西門(mén)子發(fā)明采用提純的三氯氫硅在氫氣氣氛下,加熱的硅芯表面反應(yīng)沉積多晶硅的方法(西門(mén)子法)后,經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的改進(jìn),逐步增加了四氯化硅的綜合利用(冷氫化為其中之一)和還原尾氣的“干法回收”系統(tǒng),工藝技術(shù)已趨于完善,即目前廣泛采用的改良西門(mén)子法。

具體而言,為了穩(wěn)妥可靠,主要的生產(chǎn)工藝采用主流技術(shù):氯化氫合成產(chǎn)生的HCl,同硅粉在三氯氫硅合成爐裝置中生成三氯氫硅,同時(shí)利用冷氫化裝置,硅粉與還原尾氣回收的四氯化硅、氯化氫以及氫氣反應(yīng)生成三氯氫硅,經(jīng)過(guò)徹底除塵后的混合氣體通過(guò)冷凝器分離得到氫氣和由反應(yīng)生成的三氯氫硅、未反應(yīng)的四氯化硅等組成的混合液,氫氣回系統(tǒng)重新參與反應(yīng),混合液則用精餾的方法分離出高純度的三氯氫硅(四氯化硅經(jīng)過(guò)提純后回冷氫化回收利用),再將汽化的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合引入多晶硅還原爐,在置于還原爐內(nèi)的棒狀硅芯兩端加以電壓,產(chǎn)生高溫,在高溫硅芯表面,三氯氫硅被氫氣還原成元素硅,并沉積在硅芯表面,逐漸生成所需規(guī)格的多晶硅棒。其工藝主要特點(diǎn)如下:

(1)采用先進(jìn)的冷氫化技術(shù)。四氯化硅循環(huán)使用,且絕大部分可以轉(zhuǎn)化為三氯氫硅,利用率高,降低了多晶硅生產(chǎn)的單位電耗,使多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)的廢氣、廢液、廢渣排放量、排放種類(lèi)大大減少,環(huán)境保護(hù)從根本上得到了保證。更強(qiáng)化了物料的內(nèi)部循環(huán),大大減少了外購(gòu)原料數(shù)量,從原料上對(duì)多晶硅質(zhì)量更有保障。

(2)冷氫化采用濕法除塵系統(tǒng),污染小、除塵徹底,且能除去金屬雜質(zhì)。

(3)三氯氫硅提純裝置,確保SiHCl3質(zhì)量關(guān)。

(4)采用高效、綜合回收的多塔連續(xù)耦合精餾工藝系統(tǒng),降低了能耗及物料消耗。

(5)采用大流量、高沉積速度的大型高效節(jié)能還原爐工藝技術(shù),大幅度提高了單爐年產(chǎn)量,降低了能耗、土建及配套設(shè)施投資。

(6)采用還原尾氣的干法回收技術(shù),原料綜合回收率高,分離的氫氣、氯化氫產(chǎn)品質(zhì)量高,使混合氣中的各種有用物料得到最大限度回收利用,減少原材料的補(bǔ)給量,有利于提高多晶硅產(chǎn)品品質(zhì),也減少了環(huán)境污染。

(7)采用雙向可控硅的還原電氣自動(dòng)控制技術(shù),提高了還原的成功率、產(chǎn)量和安全性。

(8)采用還原熱能綜合利用技術(shù),降低了綜合能耗。

(9)完善的產(chǎn)品后處理技術(shù),全部按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)、凈化、包裝和運(yùn)輸。

(10)在系統(tǒng)綜合回收減少原料損耗的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)有完善的尾氣、殘液處理系統(tǒng)和先進(jìn)的廢水循環(huán)處理系統(tǒng),確保了各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家環(huán)保要求。

(11)采用先進(jìn)的DCS自動(dòng)控制系統(tǒng),過(guò)程產(chǎn)量、質(zhì)量更穩(wěn)定,并使全裝置定員降到較低水平。

2、硅烷流化床法

以四氯化硅、氫氣、氯化氫和工業(yè)硅為原料在流化床內(nèi)(沸騰床)高溫高壓下生成三氯氫硅,將三氯氫硅再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)生成二氯二氫硅,繼而生成硅烷氣。制得的硅烷氣通入加有小多晶硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng),生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。因?yàn)樵诹骰卜磻?yīng)爐內(nèi)參與反應(yīng)的硅表面積大,生產(chǎn)效率高,電耗低與成本低,適用于大規(guī)模生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。流化床法最開(kāi)始只有美國(guó)MEMC在使用,2005年開(kāi)始德國(guó)瓦克考慮到流化床法成本比較低,符合太陽(yáng)能需要,因此進(jìn)行該技術(shù)的研發(fā)和投入,并于2009年投產(chǎn)使用。因其產(chǎn)品呈顆粒狀,可以100%滿(mǎn)足RCZ、CCZ系列用料需求,所以無(wú)需人工成本和雜質(zhì)引入較高的后處理工序。只是瓦克的項(xiàng)目很小,目前還處于試驗(yàn)階段。

據(jù)悉,GCL通過(guò)其美研中心歷時(shí)8年的自主研發(fā),已突破FBR法無(wú)法長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸,并且通過(guò)吸收SunEdison先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了FBR法技術(shù)、品質(zhì)的雙優(yōu)化。目前為止,GCL是全世界唯一擁有成熟FBR法和其長(zhǎng)周期管理經(jīng)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的集團(tuán),在全球擁有技術(shù)專(zhuān)利700余項(xiàng),業(yè)內(nèi)尚無(wú)人能在這一領(lǐng)域望其項(xiàng)背。

FBR法生產(chǎn)多晶硅因其工藝路線(xiàn)簡(jiǎn)潔,去除了還原、凈化工序,故其系統(tǒng)能耗、物耗、副產(chǎn)物、物料轉(zhuǎn)化率均優(yōu)于改良西門(mén)子法棒狀硅生產(chǎn)工藝。

因其產(chǎn)品呈顆粒狀,可以100%滿(mǎn)足RCZ、CCZ系列用料需求,所以無(wú)需人工成本和雜質(zhì)引入較高的后處理工序。GCL現(xiàn)有FBR法可實(shí)現(xiàn)全成本約40元/kg,并進(jìn)一步推動(dòng)光伏平價(jià)上網(wǎng)的到來(lái)。

3、物理(冶金)法

物理法生產(chǎn)多晶硅的主要工藝是:選擇純度較好的工業(yè)硅(即冶金硅)進(jìn)行水平區(qū)熔單向凝固成硅錠,去除硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分后,進(jìn)行粗粉碎與清洗,在等離子體融解爐中去除硼雜質(zhì),再進(jìn)行第二次水平區(qū)熔單向凝固成硅錠,去除第二次區(qū)熔硅錠中金屬雜質(zhì)聚集的部分和外表部分,經(jīng)粗粉碎與清洗后,在電子束融解爐中去除磷和碳雜質(zhì),直接生成太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。

而物理法開(kāi)始于2001年日本JFE一條中試線(xiàn),也是首個(gè)宣布掌握物理法提純6N多晶硅的企業(yè),但該企業(yè)的技術(shù)人員表示物理法的成本太高,而且降不下來(lái),因此停止了中試線(xiàn)的運(yùn)作。真正讓物理法走入前臺(tái)的應(yīng)該是2008年中國(guó)阿特斯使用加拿大TIM物理法多晶硅生產(chǎn)了太陽(yáng)能電池組件(轉(zhuǎn)換率13.3%~14.0%)并且獲得了大量的訂單,而且計(jì)劃2009年建設(shè)一個(gè)150MW的UMG硅電池組件基地,這個(gè)事件可以認(rèn)為物理法走入前臺(tái)的標(biāo)志,另外一個(gè)事件就是2008年11月Q-CELL與LDK簽訂每年2萬(wàn)噸的硅片加工協(xié)議,而這份協(xié)議提及的2萬(wàn)噸多晶硅全部是UMG硅(來(lái)自加拿大TIM和挪威ElkemSolar)。

對(duì)于目前多晶硅生產(chǎn)工藝進(jìn)行比較,結(jié)果如下:

表 多晶硅生產(chǎn)工藝優(yōu)劣對(duì)比

名稱(chēng)

FBR法顆粒硅法

改良西門(mén)子法

物理(冶金)法

原料來(lái)源

硅粉,四氯化硅,氫氣

硅粉,四氯化硅,氫氣

硅粉

工藝復(fù)雜程度

設(shè)有冷氫化、歧化、硅烷氣制備、硅烷分解等車(chē)間,工藝較為復(fù)雜

設(shè)有冷氫化、精餾、硅還原、整理、還原尾氣回收等車(chē)間,工藝復(fù)雜

設(shè)有爐外精煉、濕法治金、真空熔煉、定向凝固工序,工藝簡(jiǎn)單

工藝成熟度

技術(shù)先進(jìn),全球僅有MEMC、REC、GCL連續(xù)生產(chǎn)

技術(shù)先進(jìn)成熟

尚不成熟

安全性

溫度壓力較高,含有硅烷、氫氣介質(zhì),非常危險(xiǎn)

溫度壓力較高,含有氫氣介質(zhì),危險(xiǎn)

安全

產(chǎn)品純度

太陽(yáng)能級(jí)以上

太陽(yáng)能級(jí)、電子級(jí)

5~6N

生產(chǎn)成本

5~6$/kgSi

7~8$/kgSi

10$/kgSi以下

生產(chǎn)投資

7億RMB/萬(wàn)噸

9億RMB/萬(wàn)噸

投資最小

存在問(wèn)題

硅烷氣體是一種易燃易爆的氣體,對(duì)系統(tǒng)的氣密性要求比三氯氫硅法高。穩(wěn)定生產(chǎn)周期較改良西門(mén)子法略短。

投資大,成本較高

工藝不成熟,沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,產(chǎn)品質(zhì)量差

結(jié)論

硅烷法流程相對(duì)簡(jiǎn)單,投資較小,成本較傳統(tǒng)改良西門(mén)子法低25%以上,具有很大優(yōu)勢(shì)。

投資及成本較硅烷法高,工藝流程復(fù)雜,純度能夠得到保證。工藝成熟可靠,發(fā)展前景好

純度不能保證

資料整理:隆眾資訊

所以整體看,物理冶金法的純度不能滿(mǎn)足目前光伏產(chǎn)業(yè)下游生產(chǎn)的要求。硅烷流化床法成本相對(duì)較低,但目前操作的安全性很難保證,而且,技術(shù)僅掌握在少數(shù)幾家公司手上。所以,目前市場(chǎng)主流多晶硅廠(chǎng)家多采用相對(duì)成熟,相對(duì)安全的改良西門(mén)子法,即氯化氫合成生成HCl,同硅粉在三氯氫硅合成爐裝置中生成三氯氫硅,同時(shí)利用冷氫化裝置,硅粉與還原尾氣回收的四氯化硅、氯化氫以及氫氣反應(yīng)生成三氯氫硅,經(jīng)過(guò)徹底除塵后的混合氣體通過(guò)冷凝器分離得到氫氣和由反應(yīng)生成的三氯氫硅、未反應(yīng)的四氯化硅等組成的混合液,氫氣回系統(tǒng)重新參與反應(yīng),混合液則用精餾的方法分離出高純度的三氯氫硅(四氯化硅經(jīng)過(guò)提純后回氫化回收利用),再將汽化的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合引入多晶硅還原爐,在置于還原爐內(nèi)的棒狀硅芯兩端加以電壓,產(chǎn)生高溫,在高溫硅芯表面,三氯氫硅被氫氣還原成元素硅,并沉積在硅芯表面,逐漸生成所需規(guī)格的多晶硅棒。該工藝實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)生產(chǎn),技術(shù)成熟,生產(chǎn)穩(wěn)定、安全、可靠,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

因此,作為上游基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)的多晶硅,清潔生產(chǎn)符合國(guó)家大力發(fā)展新能源的能源政策和產(chǎn)業(yè)政策,對(duì)改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少溫室氣體排放等具有重要意義。

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