华陆公司多晶硅技术产品发展纪实

2023-02-01

多晶硅是太阳能光伏电池产业、半导体工业和电子信息产业中重要的功能性材料，也是硅材料产业链中十分重要的中间产品，被喻为“产业发展基石”。回顾多晶硅国产化十年发展历程，从被国外技术封锁到自主创新填补国内空白，再到如今技术领先全球、竞争力显著，华陆公司在艰辛探索中拼搏奋进，走出了一条多晶硅关键核心技术的自主创新之路，为我国光伏产业的蓬勃发展奠定了坚实基础。冷静面对危机，坚守发展方向2005年，华陆公司材料能源事业部组建多晶硅团队开始攻关多晶硅的技术开发和工程设计。在国内多晶硅行业蓄势待发的这个时期，多晶硅团队先后设计完成了以“江苏中能一期1500吨/年多晶硅项目”为代表的多个项目。公司团队也实现了从无到有的快速发展，开发并掌握了华陆公司第一代冷氢化技术，在市场上崭露头角，有了一席之地。然而好景不长，正当多晶硅团队准备大干的时候，整个多晶硅行业却遇到了“灭顶之灾”。“高能耗、高污染”的产业定性以及2008年席卷全球的金融海啸，让中国光伏产业随即陷入绝境。更为致命地是，2011年底，西方国家联手打压我国光伏生产企业，对我国输出光伏产品展开“反倾销、反补贴”调查。整个行业遭受降维打击，某些西方国家更是加征250%的反倾销关税，企图直接将我国的光伏出口计划全部扼杀。面对非市场化的打压，我国光伏企业几乎全军覆没。面对几乎席卷全行业的大败局，刚刚起步成长的多晶硅团队不得不思考如何生存下去。身处充分市场竞争的材料能源事业部，面对团队几十号人严峻的“吃饭”问题，摆在面前的只有两种选择，要么“舍弃”多晶硅，寻求其他工程产品，保证大家碗里有饭；要么“坚守”多晶硅，过几年苦日子，熬过寒冬。在“舍弃”和“坚守”之间，以陈维平、薛民权为代表的多晶硅团队坚定地选择了后者。因为在他们看来，“舍弃”，意味着之前的努力就白费了；“坚守”，就有可能打开另一番天地。技术迭代创新，持续降低能耗多晶硅技术团队以“提供有竞争力的工程产品和高品质的工程服务”为使命，积极探索多晶硅产品发展之路。面对高能耗、高污染的问题，减少电耗、降低成本才是唯一的出路，而实现这一切的基础在于技术。历经十余年持续的研究和攻关，多晶硅技术团队成功开发和优化了以四氯化硅冷氢化技术为首的多项工艺技术，包括冷氢化技术、热量耦合技术、还原热能综合利用技术、尾气回收技术、渣浆回收和高沸处理技术等，成功解决了多晶硅生产技术中遇到的一系列难题。从2009年起，多晶硅团队开始进入多家生产企业，以“节能降耗、挖潜消瓶、提高效率”为目标，详细了解各装置的工艺技术路线、装置规模和装备水平，结合各装置实际的运行参数和现场条件，系统性地进行研究、分析和评估，对系统的物料、能量以及生产管理的安全性和便捷性进行分析，寻求物料和能量的充分利用，保证装置的稳定性，并结合当地的优势资源，扬长避短，提出合理可行的改造方案，保证装置运行的经济性和可靠性。在多个项目的改造过程中，结合生产实践，努力提高装置的性价比，自主开发的冷氢化技术攻克了多晶硅生产中副产物四氯化硅有效转化为三氯氢硅的世界性难题，在此基础上独创的大型高效冷氢化流化床反应器，其单程转化率高达29~32%，超出国外技术30%以上，单台年处理能力高达40万吨，超出国外技术50%以上，核心设备全部实现国产化。十年来，在第一、二代冷氢化技术的基础上，多晶硅团队不断改进优化，成功完成三、四、五代冷氢化技术的开发。冷氢化装置反应器直径从一二代0.9米、1.6米，扩大到三代2.4米、四代3.6～4.0米和五代4.5米。每一次技术的迭代创新，都会带来能耗的大幅降低。三代技术首次采用混合汽化工艺，仅使用副产的0.8MPa(G)蒸汽就能满足热源要求，不再配套复杂的导热油系统。四代技术首次增加了热能利用回收、氢气回收技术等，能耗进一步降低，仅为热氢化技术的1/10。五代技术使得四氯化硅转化率从一代20%左右提升至第五代的28%-30%，在原有转化率的基础上提高了40%，冷氢化技术四氯化硅转化率已经超过了理论转化率的70%，为全球领先水平。与第一代相比，第五代技术三氯氢硅电耗从1000千瓦时/吨降至150千瓦时/吨，为目前国外冷氢化技术的三分之一左右，不到传统热氢化工艺的6%。同时开发了文丘里+洗涤塔相结合的湿法除尘系统，以及旋风+过滤器的干法除尘系统，减少了渣浆中硅粉含量，有效提高了系统运行的稳定性。作为首次采用华陆公司五代冷氢化技术的多晶硅项目，新疆新特多晶硅技改项目将单套冷氢化装置四氯化硅处理能力提升到了全球最大的35万吨/年。2022年4月建成投产以来，不但短期实现满负荷运行，装置投资降低10%以上，而且四氯化硅转化率、能耗等关键指标均优于国内同类装置，三氯氢硅电耗降至145千瓦时/吨，创国内最佳水平。十年来，多晶硅团队实现精馏装置从零耦合到多塔耦合的升级换代，成功开发了热量耦合技术。精馏装置从原有的11塔精馏，逐渐变为9塔精馏以及最新的7塔精馏流程，设备投资降低60%以上。从零耦合逐渐升级为两塔耦合，三塔耦合和四塔耦合，蒸汽单耗从1.60吨/吨TCS降低至0.51吨/吨TCS。同时产品品质不断提高，从十年前的太阳能级一级、二级品，提升至电子级一级、二级品。十年来，多晶硅团队开发出还原热能综合利用技术，并不断优化提升，使得目前国内多晶硅工艺装置的蒸汽接近“零消耗”。根据多年的工程项目经验，通过优化全厂换热网络和充分利用还原炉的辐射能，开发出还原热能综合利用技术。在还原炉生产过程中，向还原炉尾气前夹套管通循环热水，移走辐射还原尾气夹套管的热量，以维持适宜的温度。同时将移出的辐射能转化为0.4MPa(G)、0.6MPa(G)、1.0MPa(G)的饱和蒸汽供全厂用热单元使用，从而大幅降低全厂外供新鲜蒸汽和循环水的使用。该技术的开发成功并推广使用，使得目前国内棒状多晶硅工艺装置的蒸汽接近“零消耗”，从而大幅度降低生产成本。十年来，多晶硅团队完成了尾气回收技术的突破和升级。团队将吸收、吸附机理与生产实际相结合，优化操作参数，将甲硅烷、甲烷等杂质有效分离，避免带入回收氢气和氯硅烷，回收氢气品质大幅度提升同时减轻精馏提纯难度和负荷，从而提高多晶硅产品质量。团队不断优化尾气回收换热网络，将有效热能和冷量充分利用，使得同规模蒸汽消耗下降70%，电耗下降60%。团队大胆采用新技术，将高效过滤、换热设备引入多晶硅行业并成功应用，采用在线反吹过滤器除去还原尾气中的细硅粉；引入绕管式换热器和全焊接板换应用于大负荷、小对数温差场合。团队对全厂其他含氢废气根据其特点进行分类处理并回收，大幅度降低多晶硅生产氢气消耗。十年来，多晶硅团队实现渣浆回收和高沸处理技术的从无到优的跨越。多晶硅规模在万吨以下时，渣浆经过简单蒸发回收后水解处理，氯硅烷回收率不足80%，高沸物全部水解处理，零回收，装置连续运行周期不足3个月，同时产生大量的水解废水。多晶硅团队通过分析渣浆和高沸物的组成以及性质，优化设计方案，从减少物料堵塞等方面入手，成功开发了渣浆回收和高沸处理技术，实现了氯硅烷回收率98%以上，高沸回收率90%以上，使得每吨产品原料硅耗从2.4吨降为1.05吨，降低56.25%；氯耗从3.5吨降为0.19吨，降低94.5%。十年来，多晶硅团队始终围绕系统优化提升、降低能耗、挖潜增效，主动解决客户的难点痛点，引领技术进步和产业发展。十年来，多晶硅团队开发、升级并完全掌握了以冷氢化技术为核心，包括热量耦合技术、还原热能综合利用技术、尾气回收技术、渣浆回收和高沸处理技术等完备的多晶硅技术体系。回顾十年来多晶硅技术迭代创新和持续降低能耗的历程，华陆公司材料能源事业部总经理姚又省说：“比别人快半步，这是我们不断创新、超越自我的关键诀窍。”领军研发设计，助推能源转型经过不断的技术迭代创新，华陆公司多晶硅技术主要消耗指标已优于国际先进水平，加速了国内多晶硅生产水平快速提高，大大促进了国内多晶硅产业的发展。2021年，四川永祥2.5万吨多晶硅项目荣获国家优质工程奖，该项目单体装置为国内首套吨成本4万元以下的万吨级生产装置，标志着多晶硅低成本产品由千吨级到万吨级的规模跨越，一举奠定了华陆公司在国内多晶硅研发和设计的领军地位。2020年9月，我国向世界郑重宣布：二氧化碳排放力争于2030年前碳达峰，2060年前实现碳中和目标后，并在气候雄心峰会上进一步宣布国家自主贡献，即到2030年，我国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。由此，光伏产业成为“超级风口”之上的黄金赛道。机会只留给有准备的人。正是有了十年前的“坚守”，正是有了十年来不断的技术迭代与创新，华陆公司多晶硅团队在本轮产业爆发期抢得了先机。2020年，华陆公司多晶硅团队斩获当年国内新开工几乎所有多晶硅项目的设计合同，总年产能为20万吨，单个项目产能以5万吨为主，占2019年底国内总产能的约45%。同时承接了国内第一个多晶硅EPC总承包项目——江苏中能硅烷法多晶硅配套冷氢化技改工程，多晶硅团队设计业务在国内多晶硅行业的工程设计领域占绝对领先地位。2021年，华陆公司多晶硅团队继续高歌猛进，新签多晶硅设计合同总产能超过100万吨，单个项目产能达到10万吨，总承包合同多晶硅产能近30万吨。2022年，华陆公司多晶硅团队已经新签多晶硅设计合同总产能达到150万吨，单个项目产能达到20万吨，实现了以冷氢化反应器为代表的装备输出。过去十年对华陆公司多晶硅团队而言，是极不平凡、充满挑战的十年，也是戮力同心、攻坚克难的十年，更是拼搏奋进、收获满满的十年。2012年底，全球多晶硅产能约40万，产量为23.4万吨；国内多晶硅产能为19万吨，产量为7.1万吨；华陆公司多晶硅团队参与设计的多晶硅产能不到10万吨，约占国内产能的50%，占全球产能的25%。到2022年底，华陆公司多晶硅技术团队将累计完成近200万吨多晶硅产能的设计，正在设计的多晶硅产能超过150万吨，多晶硅团队设计完成和正在设计的总产能是十年前的35倍；承担设计的多晶硅项目总产能占全国总产能的95%以上，占全球多晶硅产能的90%以上。项目全部建成并达产，相当于年可装机1200GW的太阳能光伏电站，年发电量约1.58万亿度，相当于14个三峡电站的发电量。按照火电测算，年可节约标准煤5.0亿吨，减排二氧化碳13.7亿吨。千帆竞发勇者胜，聚焦“双碳”开新局。大力发展可再生清洁能源是实现碳达峰、碳中和的重要途径。面向未来，华陆公司将矢志不渝坚持技术创新，进一步提高多晶硅品质，努力降低能耗和生产成本，力争使生产成本再降低10%，切实为推动我国光伏产业健康发展，打造高质量发展“绿色引擎”贡献央企力量。