论文部分内容阅读
摘 要：太阳能作为一种清洁能源，其转化和使用也应该是清洁的，这是全社会对太阳能光伏发电的期望。经过近几年爆发似的增长，国内这个行业存在着一些亟待解决的问题，清洁生产便是其中之一。随着产能快速扩张，光伏产业的污染与能耗问题备受关注与质疑。在这样的背景下，本文以光伏产业的重要环节——多晶硅的生产为研究对象，阐述了清洁生产在多晶硅行业中的应用。
关键词：多晶硅；清洁生产；光伏
太阳能以其安全、少污染、可循环和资源无限等优良属性被誉为21世纪最重要的清洁能源之一。中国的太阳能资源极其丰富，与其他能源从可获得性上相比，优势十分明显。2010年太阳能电池产量达到13GW，电池组件产量上升到10GW，占世界产量的45%，太阳能电池产量连续五年世界第一。但是，这个尚处在发展初期的产业也存在着一些问题，亟需尽快解决。清洁生产就是其中之一[1]。国内的光伏企业良莠不齐，有些企业想通过将环境和健康成本外部化来降低自身生产成本，获得更多竞争力。而这种做法无异于饮鸩止渴，会带来更多的发展隐患。本文以光伏产业的重要环节——多晶硅的生产为研究对象，阐述了清洁生产在多晶硅行业中的应用，为国内多晶硅生产企业提供新的思路。
一、国内多晶硅行业概况
多晶硅属光伏产业上游的重要基础一环，2005年以后，国内外光伏市场迅猛发展，对多晶硅的需求迅速增长，使得中国多晶硅行业规模迅速扩大。2010年产量达到超过4.5万吨，产能规模已经或将跻身世界前列。由于多晶硅市场前阶段供不应求，价格水平长期居高不下，受暴利驱使，很多地方开始新建多晶硅项目。国外先进企业的能耗能够做到80-100kWh/kg，生产成本低于25美元/kg，而国内多数企业的能耗还远远达不到先进水平，其产品也不具备竞争力，代价高昂，造成了一部分落后产能出现，使得行业在快速发展的同时，清洁生产、降低能耗等问题也面临着巨大的挑战和压力。
二、多晶硅的生产工艺
目前多晶硅的生产技术主要包括：改良西门子法、物理冶金法和硅烷法。改良西门子法能耗较高在80-200kWh/kg，纯度可以达到电子级多晶硅标准9N-12N；物理冶金法虽然能耗较低为30-50kWh/kg，但是纯度只能做到5N-6N，而且生产出的多晶硅存在纯度不均匀，产出的电池存在转换效率衰减等问题；硅烷法可以生产12N以上的电子级多晶硅，但是硅烷属于易燃易爆物质，存在一定的安全隐患[2]。改良西门子法因技术相对成熟，可以相对较低的成本生产出高纯度的多晶硅，是目前多晶硅生产的主流技术，占全球多晶硅产能的80%，在中国的多晶硅产能中份额超过90%。
三、清洁生产在多晶硅产业中应用
1.清洁生产政策
光伏行业的高利润吸引了大量企业趋之若鹜，但是国内项目无序上马的负面现象也逐渐显现出来。2009年9月，国务院38号文件《关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展的若干意见》指出国内多晶硅存在产能过剩的情况。2010年年底，国家发布了《多晶硅行业准入条件》，对多晶硅生产的选址、能耗、环保、规模做出了明确规定和限制。《多晶硅行业准入条件》的出台对于促进多晶硅行业节能降耗，引导行业健康发展起到指导作用。
2.清洁生产技术
（1）冷氢化技术
多晶硅因生产过程中产生的副产品四氯化硅有剧毒和腐蚀性，加之生产所需电耗极高，该行业在早年被视作高耗能高污染行业。而冷氢化技术就是将四氯化硅在低温高压环境下转化为三氯氢硅。这样不仅可避免环境污染，生产多晶硅的另一重要原材料三氯氢硅也可在制造过程中循环产生。
冷氢化技术是有效降低多晶硅生产成本的技术。改良西门子法下多晶硅生产能耗80-200kWh/Kg，生产成本18-45 美元/Kg，企业间差距很大，除生产规模之外，主要是各企业在改良西门子法的生产环节选择使用传统的热氢法技术还是使用冷氢化技术，在多晶硅生产成本上就可以相差10 美元/Kg。原因在于热氢法的反应温度高，需要1000度以上的高温，而从硅到三氯氢硅一次转换效率只有15%，企业通常需要从外采购三氯氢硅，致使多晶硅生产成本较高，冷氢法反应温度仅需要300-500度，一次三氯氢硅合成效率达到25%。电耗下降主要依赖于冷氢化技术的广泛应用，目前国内的冷氢化设备实际运行率在60%以下，与国际平均水平90%还存在一定的差距[3]。其原因主要是国内大多数企业的生产工艺还比较落后，要想通过技术改造，实现冷氢化生产需要大笔资金投入。
（2）闭路循环技术
硅片的成本中，多晶硅成本占比约为55%，切割线、切割液和刃料总占比为33%，电力、折旧及其他占12%。其中，使用金刚石线可以提高效率，同时节约成本；浆料内部回收再利用也能降低硅片的加工成本。铸锭热场改造，使用大尺寸坩埚，可以提高铸锭合格率，降低能耗。此环节中，切割液的排放是液体废弃物中化学需氧量的主要来源。通过对切割液的回收使用，能够降低废水排放，从而削减处理成本。而且，通过使用金钢线切割，还能够避免使用切割液，虽然金钢线在成本上不具有太大优势，但因为能不使用切割液，不但能减少切割液的使用成本，还节省了大部分的废水处理成本，而且对环境有利，使它成为切割线的发展方向。在钢线切割的过程中，磨碎的晶硅颗粒与钢线上的碎屑，碳化硅颗粒混杂在聚乙二醇切割液中，形成废砂浆。通过对旋转物理工艺实现对切片砂浆中硅粉的最大化去除，然后固液分离，对聚乙二醇、碳化硅微粉进行再次回收。提高砂浆中旧砂的使用比例，回收切割液可以降低砂浆使用成本[4]。
根据《中国光伏产业清洁生产研究报告》显示，每生产1MW的硅片，约消耗30吨的切割液，若新旧切割液比例由7：3提高到6：4，则每生产1MW的硅片可以节约30万元。可见，多晶硅的闭路循环技术的环境效益与经济效益均很可观。
四、建议
1.清洁生产从源头做起，努力实现全产业链清洁生产
多晶硅生产企业应将清洁生产的概念和标准融入产品的设计和工艺流程管理之中，从源头上减少或者避免“三废”的产生，通过技术改造和创新，实现全闭路的循环生产，淘汰落后生产技术，将有毒有害废弃物的排放降到最低。对于难以避免的排放，企业应当制定和完善管理制度，对生产末端产生的废气、废水及废渣进行及时有效回收处理，并将危险化学品或者废弃物交由有资质的部门或者企业管理，不达标的不排放，杜绝生产中排放物对环境造成危害。
2.制定多晶硅清洁生产行业标准或清洁生产评价指标体系
目前，《多晶硅行业准入条件》是中国第一份也是唯一一份对光伏企业进行要求以及约束的标准，尚无针对多晶硅行业的清洁生产标准与清洁生产评价指标体系，不利多晶硅企业的清洁生产审核。
五、结论
在全球范围内，清洁生产被看作是污染防治的最佳模式。与污染发生后进行末端治理不同，它倡导从源头做起、预防为主、全过程控制，最终实现节能降耗、减污增效。2011年光伏产业进入低谷，产能过度膨胀和市场需求放缓导致企业竞争加剧。清洁生产在减少了环境污染的同时，也有助于淘汰落后产能，督促多晶硅生产企业不断通过改进工艺和技术，扩大规模，提高效率，降低成本。本文以光伏产业的重要环节——多晶硅的生产为研究对象，阐述了清洁生产在多晶硅行业中的应用，为国内多晶硅生产企业提供新的思路。
参考文献：
[1]韩晓艳，宋行宾等.中国光伏行业面临的机遇与挑战[J].太阳能，2011，02：18-21.
[2]曾亚龙，丁国江等.改良西门子法多晶硅还原新技术研究进展[J].四川有色金属，2011，02：7-10.
[3]王新刚.太阳能级多晶硅生产技术研究现状及展望[J].化工技术与开发，2012，02：21-25.
[4]郭平. 浅析多晶硅副产物的综合利用与循环经济[J].有色金属加工，2009，04：6-9.
关键词：多晶硅；清洁生产；光伏
太阳能以其安全、少污染、可循环和资源无限等优良属性被誉为21世纪最重要的清洁能源之一。中国的太阳能资源极其丰富，与其他能源从可获得性上相比，优势十分明显。2010年太阳能电池产量达到13GW，电池组件产量上升到10GW，占世界产量的45%，太阳能电池产量连续五年世界第一。但是，这个尚处在发展初期的产业也存在着一些问题，亟需尽快解决。清洁生产就是其中之一[1]。国内的光伏企业良莠不齐，有些企业想通过将环境和健康成本外部化来降低自身生产成本，获得更多竞争力。而这种做法无异于饮鸩止渴，会带来更多的发展隐患。本文以光伏产业的重要环节——多晶硅的生产为研究对象，阐述了清洁生产在多晶硅行业中的应用，为国内多晶硅生产企业提供新的思路。
一、国内多晶硅行业概况
多晶硅属光伏产业上游的重要基础一环，2005年以后，国内外光伏市场迅猛发展，对多晶硅的需求迅速增长，使得中国多晶硅行业规模迅速扩大。2010年产量达到超过4.5万吨，产能规模已经或将跻身世界前列。由于多晶硅市场前阶段供不应求，价格水平长期居高不下，受暴利驱使，很多地方开始新建多晶硅项目。国外先进企业的能耗能够做到80-100kWh/kg，生产成本低于25美元/kg，而国内多数企业的能耗还远远达不到先进水平，其产品也不具备竞争力，代价高昂，造成了一部分落后产能出现，使得行业在快速发展的同时，清洁生产、降低能耗等问题也面临着巨大的挑战和压力。
二、多晶硅的生产工艺
目前多晶硅的生产技术主要包括：改良西门子法、物理冶金法和硅烷法。改良西门子法能耗较高在80-200kWh/kg，纯度可以达到电子级多晶硅标准9N-12N；物理冶金法虽然能耗较低为30-50kWh/kg，但是纯度只能做到5N-6N，而且生产出的多晶硅存在纯度不均匀，产出的电池存在转换效率衰减等问题；硅烷法可以生产12N以上的电子级多晶硅，但是硅烷属于易燃易爆物质，存在一定的安全隐患[2]。改良西门子法因技术相对成熟，可以相对较低的成本生产出高纯度的多晶硅，是目前多晶硅生产的主流技术，占全球多晶硅产能的80%，在中国的多晶硅产能中份额超过90%。
三、清洁生产在多晶硅产业中应用
1.清洁生产政策
光伏行业的高利润吸引了大量企业趋之若鹜，但是国内项目无序上马的负面现象也逐渐显现出来。2009年9月，国务院38号文件《关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展的若干意见》指出国内多晶硅存在产能过剩的情况。2010年年底，国家发布了《多晶硅行业准入条件》，对多晶硅生产的选址、能耗、环保、规模做出了明确规定和限制。《多晶硅行业准入条件》的出台对于促进多晶硅行业节能降耗，引导行业健康发展起到指导作用。
2.清洁生产技术
（1）冷氢化技术
多晶硅因生产过程中产生的副产品四氯化硅有剧毒和腐蚀性，加之生产所需电耗极高，该行业在早年被视作高耗能高污染行业。而冷氢化技术就是将四氯化硅在低温高压环境下转化为三氯氢硅。这样不仅可避免环境污染，生产多晶硅的另一重要原材料三氯氢硅也可在制造过程中循环产生。
冷氢化技术是有效降低多晶硅生产成本的技术。改良西门子法下多晶硅生产能耗80-200kWh/Kg，生产成本18-45 美元/Kg，企业间差距很大，除生产规模之外，主要是各企业在改良西门子法的生产环节选择使用传统的热氢法技术还是使用冷氢化技术，在多晶硅生产成本上就可以相差10 美元/Kg。原因在于热氢法的反应温度高，需要1000度以上的高温，而从硅到三氯氢硅一次转换效率只有15%，企业通常需要从外采购三氯氢硅，致使多晶硅生产成本较高，冷氢法反应温度仅需要300-500度，一次三氯氢硅合成效率达到25%。电耗下降主要依赖于冷氢化技术的广泛应用，目前国内的冷氢化设备实际运行率在60%以下，与国际平均水平90%还存在一定的差距[3]。其原因主要是国内大多数企业的生产工艺还比较落后，要想通过技术改造，实现冷氢化生产需要大笔资金投入。
（2）闭路循环技术
硅片的成本中，多晶硅成本占比约为55%，切割线、切割液和刃料总占比为33%，电力、折旧及其他占12%。其中，使用金刚石线可以提高效率，同时节约成本；浆料内部回收再利用也能降低硅片的加工成本。铸锭热场改造，使用大尺寸坩埚，可以提高铸锭合格率，降低能耗。此环节中，切割液的排放是液体废弃物中化学需氧量的主要来源。通过对切割液的回收使用，能够降低废水排放，从而削减处理成本。而且，通过使用金钢线切割，还能够避免使用切割液，虽然金钢线在成本上不具有太大优势，但因为能不使用切割液，不但能减少切割液的使用成本，还节省了大部分的废水处理成本，而且对环境有利，使它成为切割线的发展方向。在钢线切割的过程中，磨碎的晶硅颗粒与钢线上的碎屑，碳化硅颗粒混杂在聚乙二醇切割液中，形成废砂浆。通过对旋转物理工艺实现对切片砂浆中硅粉的最大化去除，然后固液分离，对聚乙二醇、碳化硅微粉进行再次回收。提高砂浆中旧砂的使用比例，回收切割液可以降低砂浆使用成本[4]。
根据《中国光伏产业清洁生产研究报告》显示，每生产1MW的硅片，约消耗30吨的切割液，若新旧切割液比例由7：3提高到6：4，则每生产1MW的硅片可以节约30万元。可见，多晶硅的闭路循环技术的环境效益与经济效益均很可观。
四、建议
1.清洁生产从源头做起，努力实现全产业链清洁生产
多晶硅生产企业应将清洁生产的概念和标准融入产品的设计和工艺流程管理之中，从源头上减少或者避免“三废”的产生，通过技术改造和创新，实现全闭路的循环生产，淘汰落后生产技术，将有毒有害废弃物的排放降到最低。对于难以避免的排放，企业应当制定和完善管理制度，对生产末端产生的废气、废水及废渣进行及时有效回收处理，并将危险化学品或者废弃物交由有资质的部门或者企业管理，不达标的不排放，杜绝生产中排放物对环境造成危害。
2.制定多晶硅清洁生产行业标准或清洁生产评价指标体系
目前，《多晶硅行业准入条件》是中国第一份也是唯一一份对光伏企业进行要求以及约束的标准，尚无针对多晶硅行业的清洁生产标准与清洁生产评价指标体系，不利多晶硅企业的清洁生产审核。
五、结论
在全球范围内，清洁生产被看作是污染防治的最佳模式。与污染发生后进行末端治理不同，它倡导从源头做起、预防为主、全过程控制，最终实现节能降耗、减污增效。2011年光伏产业进入低谷，产能过度膨胀和市场需求放缓导致企业竞争加剧。清洁生产在减少了环境污染的同时，也有助于淘汰落后产能，督促多晶硅生产企业不断通过改进工艺和技术，扩大规模，提高效率，降低成本。本文以光伏产业的重要环节——多晶硅的生产为研究对象，阐述了清洁生产在多晶硅行业中的应用，为国内多晶硅生产企业提供新的思路。
参考文献：
[1]韩晓艳，宋行宾等.中国光伏行业面临的机遇与挑战[J].太阳能，2011，02：18-21.
[2]曾亚龙，丁国江等.改良西门子法多晶硅还原新技术研究进展[J].四川有色金属，2011，02：7-10.
[3]王新刚.太阳能级多晶硅生产技术研究现状及展望[J].化工技术与开发，2012，02：21-25.
[4]郭平. 浅析多晶硅副产物的综合利用与循环经济[J].有色金属加工，2009，04：6-9.