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華陸公司多晶硅技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展紀(jì)實(shí)
發(fā)布者:       瀏覽量:12518       時(shí)間:2023-02-01

多晶硅是太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)中重要的功能性材料,也是硅材料產(chǎn)業(yè)鏈中十分重要的中間產(chǎn)品,被喻為“產(chǎn)業(yè)發(fā)展基石”。

回顧多晶硅國(guó)產(chǎn)化十年發(fā)展歷程,從被國(guó)外技術(shù)封鎖到自主創(chuàng)新填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,再到如今技術(shù)領(lǐng)先全球、競(jìng)爭(zhēng)力顯著,華陸公司在艱辛探索中拼搏奮進(jìn),走出了一條多晶硅關(guān)鍵核心技術(shù)的自主創(chuàng)新之路,為我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

 

冷靜面對(duì)危機(jī),堅(jiān)守發(fā)展方向

2005年,華陸公司材料能源事業(yè)部組建多晶硅團(tuán)隊(duì)開始攻關(guān)多晶硅的技術(shù)開發(fā)和工程設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)多晶硅行業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)的這個(gè)時(shí)期,多晶硅團(tuán)隊(duì)先后設(shè)計(jì)完成了以“江蘇中能一期1500噸/年多晶硅項(xiàng)目”為代表的多個(gè)項(xiàng)目。公司團(tuán)隊(duì)也實(shí)現(xiàn)了從無到有的快速發(fā)展,開發(fā)并掌握了華陸公司第一代冷氫化技術(shù),在市場(chǎng)上嶄露頭角,有了一席之地。然而好景不長(zhǎng),正當(dāng)多晶硅團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備大干的時(shí)候,整個(gè)多晶硅行業(yè)卻遇到了“滅頂之災(zāi)”。

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“高能耗、高污染”的產(chǎn)業(yè)定性以及2008年席卷全球的金融海嘯,讓中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)隨即陷入絕境。更為致命地是,2011年底,西方國(guó)家聯(lián)手打壓我國(guó)光伏生產(chǎn)企業(yè),對(duì)我國(guó)輸出光伏產(chǎn)品展開“反傾銷、反補(bǔ)貼”調(diào)查。整個(gè)行業(yè)遭受降維打擊,某些西方國(guó)家更是加征250%的反傾銷關(guān)稅,企圖直接將我國(guó)的光伏出口計(jì)劃全部扼殺。面對(duì)非市場(chǎng)化的打壓,我國(guó)光伏企業(yè)幾乎全軍覆沒。

面對(duì)幾乎席卷全行業(yè)的大敗局,剛剛起步成長(zhǎng)的多晶硅團(tuán)隊(duì)不得不思考如何生存下去。身處充分市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的材料能源事業(yè)部,面對(duì)團(tuán)隊(duì)幾十號(hào)人嚴(yán)峻的“吃飯”問題,擺在面前的只有兩種選擇,要么“舍棄”多晶硅,尋求其他工程產(chǎn)品,保證大家碗里有飯;要么“堅(jiān)守”多晶硅,過幾年苦日子,熬過寒冬。在“舍棄”和“堅(jiān)守”之間,以陳維平、薛民權(quán)為代表的多晶硅團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定地選擇了后者。因?yàn)樵谒麄兛磥恚吧釛墶?,意味著之前的努力就白費(fèi)了;“堅(jiān)守”,就有可能打開另一番天地。

 

技術(shù)迭代創(chuàng)新,持續(xù)降低能耗

多晶硅技術(shù)團(tuán)隊(duì)以“提供有競(jìng)爭(zhēng)力的工程產(chǎn)品和高品質(zhì)的工程服務(wù)”為使命,積極探索多晶硅產(chǎn)品發(fā)展之路。面對(duì)高能耗、高污染的問題,減少電耗、降低成本才是唯一的出路,而實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)在于技術(shù)。歷經(jīng)十余年持續(xù)的研究和攻關(guān),多晶硅技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)和優(yōu)化了以四氯化硅冷氫化技術(shù)為首的多項(xiàng)工藝技術(shù),包括冷氫化技術(shù)、熱量耦合技術(shù)、還原熱能綜合利用技術(shù)、尾氣回收技術(shù)、渣漿回收和高沸處理技術(shù)等,成功解決了多晶硅生產(chǎn)技術(shù)中遇到的一系列難題。

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從2009年起,多晶硅團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)入多家生產(chǎn)企業(yè),以“節(jié)能降耗、挖潛消瓶、提高效率”為目標(biāo),詳細(xì)了解各裝置的工藝技術(shù)路線、裝置規(guī)模和裝備水平,結(jié)合各裝置實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)條件,系統(tǒng)性地進(jìn)行研究、分析和評(píng)估,對(duì)系統(tǒng)的物料、能量以及生產(chǎn)管理的安全性和便捷性進(jìn)行分析,尋求物料和能量的充分利用,保證裝置的穩(wěn)定性,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)資源,揚(yáng)長(zhǎng)避短,提出合理可行的改造方案,保證裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。在多個(gè)項(xiàng)目的改造過程中,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐,努力提高裝置的性價(jià)比,自主開發(fā)的冷氫化技術(shù)攻克了多晶硅生產(chǎn)中副產(chǎn)物四氯化硅有效轉(zhuǎn)化為三氯氫硅的世界性難題,在此基礎(chǔ)上獨(dú)創(chuàng)的大型高效冷氫化流化床反應(yīng)器,其單程轉(zhuǎn)化率高達(dá)29~32%,超出國(guó)外技術(shù)30%以上,單臺(tái)年處理能力高達(dá)40萬噸,超出國(guó)外技術(shù)50%以上,核心設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

十年來,在第一、二代冷氫化技術(shù)的基礎(chǔ)上,多晶硅團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)優(yōu)化,成功完成三、四、五代冷氫化技術(shù)的開發(fā)。冷氫化裝置反應(yīng)器直徑從一二代0.9米、1.6米,擴(kuò)大到三代2.4米、四代3.6~4.0米和五代4.5米。每一次技術(shù)的迭代創(chuàng)新,都會(huì)帶來能耗的大幅降低。三代技術(shù)首次采用混合汽化工藝,僅使用副產(chǎn)的0.8MPa(G)蒸汽就能滿足熱源要求,不再配套復(fù)雜的導(dǎo)熱油系統(tǒng)。四代技術(shù)首次增加了熱能利用回收、氫氣回收技術(shù)等,能耗進(jìn)一步降低,僅為熱氫化技術(shù)的1/10。五代技術(shù)使得四氯化硅轉(zhuǎn)化率從一代20%左右提升至第五代的28%-30%,在原有轉(zhuǎn)化率的基礎(chǔ)上提高了40%,冷氫化技術(shù)四氯化硅轉(zhuǎn)化率已經(jīng)超過了理論轉(zhuǎn)化率的70%,為全球領(lǐng)先水平。與第一代相比,第五代技術(shù)三氯氫硅電耗從1000千瓦時(shí)/噸降至150千瓦時(shí)/噸,為目前國(guó)外冷氫化技術(shù)的三分之一左右,不到傳統(tǒng)熱氫化工藝的6%。同時(shí)開發(fā)了文丘里+洗滌塔相結(jié)合的濕法除塵系統(tǒng),以及旋風(fēng)+過濾器的干法除塵系統(tǒng),減少了渣漿中硅粉含量,有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

作為首次采用華陸公司五代冷氫化技術(shù)的多晶硅項(xiàng)目,新疆新特多晶硅技改項(xiàng)目將單套冷氫化裝置四氯化硅處理能力提升到了全球最大的35萬噸/年。2022年4月建成投產(chǎn)以來,不但短期實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行,裝置投資降低10%以上,而且四氯化硅轉(zhuǎn)化率、能耗等關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類裝置,三氯氫硅電耗降至145千瓦時(shí)/噸,創(chuàng)國(guó)內(nèi)最佳水平。

十年來,多晶硅團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)精餾裝置從零耦合到多塔耦合的升級(jí)換代,成功開發(fā)了熱量耦合技術(shù)。精餾裝置從原有的11塔精餾,逐漸變?yōu)?塔精餾以及最新的7塔精餾流程,設(shè)備投資降低60%以上。從零耦合逐漸升級(jí)為兩塔耦合,三塔耦合和四塔耦合,蒸汽單耗從1.60噸/噸TCS降低至0.51噸/噸TCS。同時(shí)產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高,從十年前的太陽(yáng)能級(jí)一級(jí)、二級(jí)品,提升至電子級(jí)一級(jí)、二級(jí)品。

十年來,多晶硅團(tuán)隊(duì)開發(fā)出還原熱能綜合利用技術(shù),并不斷優(yōu)化提升,使得目前國(guó)內(nèi)多晶硅工藝裝置的蒸汽接近“零消耗”。根據(jù)多年的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),通過優(yōu)化全廠換熱網(wǎng)絡(luò)和充分利用還原爐的輻射能,開發(fā)出還原熱能綜合利用技術(shù)。在還原爐生產(chǎn)過程中,向還原爐尾氣前夾套管通循環(huán)熱水,移走輻射還原尾氣夾套管的熱量,以維持適宜的溫度。同時(shí)將移出的輻射能轉(zhuǎn)化為0.4MPa(G)、0.6MPa(G)、1.0MPa(G)的飽和蒸汽供全廠用熱單元使用,從而大幅降低全廠外供新鮮蒸汽和循環(huán)水的使用。該技術(shù)的開發(fā)成功并推廣使用,使得目前國(guó)內(nèi)棒狀多晶硅工藝裝置的蒸汽接近“零消耗”,從而大幅度降低生產(chǎn)成本。

十年來,多晶硅團(tuán)隊(duì)完成了尾氣回收技術(shù)的突破和升級(jí)。團(tuán)隊(duì)將吸收、吸附機(jī)理與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,優(yōu)化操作參數(shù),將甲硅烷、甲烷等雜質(zhì)有效分離,避免帶入回收氫氣和氯硅烷,回收氫氣品質(zhì)大幅度提升同時(shí)減輕精餾提純難度和負(fù)荷,從而提高多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化尾氣回收換熱網(wǎng)絡(luò),將有效熱能和冷量充分利用,使得同規(guī)模蒸汽消耗下降70%,電耗下降60%。團(tuán)隊(duì)大膽采用新技術(shù),將高效過濾、換熱設(shè)備引入多晶硅行業(yè)并成功應(yīng)用,采用在線反吹過濾器除去還原尾氣中的細(xì)硅粉;引入繞管式換熱器和全焊接板換應(yīng)用于大負(fù)荷、小對(duì)數(shù)溫差場(chǎng)合。團(tuán)隊(duì)對(duì)全廠其他含氫廢氣根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行分類處理并回收,大幅度降低多晶硅生產(chǎn)氫氣消耗。

十年來,多晶硅團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)渣漿回收和高沸處理技術(shù)的從無到優(yōu)的跨越。多晶硅規(guī)模在萬噸以下時(shí),渣漿經(jīng)過簡(jiǎn)單蒸發(fā)回收后水解處理,氯硅烷回收率不足80%,高沸物全部水解處理,零回收,裝置連續(xù)運(yùn)行周期不足3個(gè)月,同時(shí)產(chǎn)生大量的水解廢水。多晶硅團(tuán)隊(duì)通過分析渣漿和高沸物的組成以及性質(zhì),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,從減少物料堵塞等方面入手,成功開發(fā)了渣漿回收和高沸處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了氯硅烷回收率98%以上,高沸回收率90%以上,使得每噸產(chǎn)品原料硅耗從2.4噸降為1.05噸,降低56.25%;氯耗從3.5噸降為0.19噸,降低94.5%。

十年來,多晶硅團(tuán)隊(duì)始終圍繞系統(tǒng)優(yōu)化提升、降低能耗、挖潛增效,主動(dòng)解決客戶的難點(diǎn)痛點(diǎn),引領(lǐng)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。十年來,多晶硅團(tuán)隊(duì)開發(fā)、升級(jí)并完全掌握了以冷氫化技術(shù)為核心,包括熱量耦合技術(shù)、還原熱能綜合利用技術(shù)、尾氣回收技術(shù)、渣漿回收和高沸處理技術(shù)等完備的多晶硅技術(shù)體系?;仡櫴陙矶嗑Ч杓夹g(shù)迭代創(chuàng)新和持續(xù)降低能耗的歷程,華陸公司材料能源事業(yè)部總經(jīng)理姚又省說:“比別人快半步,這是我們不斷創(chuàng)新、超越自我的關(guān)鍵訣竅?!?/p>

 

領(lǐng)軍研發(fā)設(shè)計(jì),助推能源轉(zhuǎn)型 

經(jīng)過不斷的技術(shù)迭代創(chuàng)新,華陸公司多晶硅技術(shù)主要消耗指標(biāo)已優(yōu)于國(guó)際先進(jìn)水平,加速了國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)水平快速提高,大大促進(jìn)了國(guó)內(nèi)多晶硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2021年,四川永祥2.5萬噸多晶硅項(xiàng)目榮獲國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng),該項(xiàng)目單體裝置為國(guó)內(nèi)首套噸成本4萬元以下的萬噸級(jí)生產(chǎn)裝置,標(biāo)志著多晶硅低成本產(chǎn)品由千噸級(jí)到萬噸級(jí)的規(guī)??缭?,一舉奠定了華陸公司在國(guó)內(nèi)多晶硅研發(fā)和設(shè)計(jì)的領(lǐng)軍地位。

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2020年9月,我國(guó)向世界鄭重宣布:二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)后,并在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布國(guó)家自主貢獻(xiàn),即到2030年,我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。由此,光伏產(chǎn)業(yè)成為“超級(jí)風(fēng)口”之上的黃金賽道。機(jī)會(huì)只留給有準(zhǔn)備的人。正是有了十年前的“堅(jiān)守”,正是有了十年來不斷的技術(shù)迭代與創(chuàng)新,華陸公司多晶硅團(tuán)隊(duì)在本輪產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期搶得了先機(jī)。

2020年,華陸公司多晶硅團(tuán)隊(duì)斬獲當(dāng)年國(guó)內(nèi)新開工幾乎所有多晶硅項(xiàng)目的設(shè)計(jì)合同,總年產(chǎn)能為20萬噸,單個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)能以5萬噸為主,占2019年底國(guó)內(nèi)總產(chǎn)能的約45%。同時(shí)承接了國(guó)內(nèi)第一個(gè)多晶硅EPC總承包項(xiàng)目——江蘇中能硅烷法多晶硅配套冷氫化技改工程,多晶硅團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)在國(guó)內(nèi)多晶硅行業(yè)的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域占絕對(duì)領(lǐng)先地位。

2021年,華陸公司多晶硅團(tuán)隊(duì)繼續(xù)高歌猛進(jìn),新簽多晶硅設(shè)計(jì)合同總產(chǎn)能超過100萬噸,單個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)能達(dá)到10萬噸,總承包合同多晶硅產(chǎn)能近30萬噸。

2022年,華陸公司多晶硅團(tuán)隊(duì)已經(jīng)新簽多晶硅設(shè)計(jì)合同總產(chǎn)能達(dá)到150萬噸,單個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)能達(dá)到20萬噸,實(shí)現(xiàn)了以冷氫化反應(yīng)器為代表的裝備輸出。

過去十年對(duì)華陸公司多晶硅團(tuán)隊(duì)而言,是極不平凡、充滿挑戰(zhàn)的十年,也是戮力同心、攻堅(jiān)克難的十年,更是拼搏奮進(jìn)、收獲滿滿的十年。

2012年底,全球多晶硅產(chǎn)能約40萬,產(chǎn)量為23.4萬噸;國(guó)內(nèi)多晶硅產(chǎn)能為19萬噸,產(chǎn)量為7.1萬噸;華陸公司多晶硅團(tuán)隊(duì)參與設(shè)計(jì)的多晶硅產(chǎn)能不到10萬噸,約占國(guó)內(nèi)產(chǎn)能的50%,占全球產(chǎn)能的25%。到2022年底,華陸公司多晶硅技術(shù)團(tuán)隊(duì)將累計(jì)完成近200萬噸多晶硅產(chǎn)能的設(shè)計(jì),正在設(shè)計(jì)的多晶硅產(chǎn)能超過150萬噸,多晶硅團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)完成和正在設(shè)計(jì)的總產(chǎn)能是十年前的35倍;承擔(dān)設(shè)計(jì)的多晶硅項(xiàng)目總產(chǎn)能占全國(guó)總產(chǎn)能的95%以上,占全球多晶硅產(chǎn)能的90%以上。項(xiàng)目全部建成并達(dá)產(chǎn),相當(dāng)于年可裝機(jī)1200GW的太陽(yáng)能光伏電站,年發(fā)電量約1.58萬億度,相當(dāng)于14個(gè)三峽電站的發(fā)電量。按照火電測(cè)算,年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.0億噸,減排二氧化碳13.7億噸。

 

千帆競(jìng)發(fā)勇者勝,聚焦“雙碳”開新局。大力發(fā)展可再生清潔能源是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要途徑。面向未來,華陸公司將矢志不渝堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新,進(jìn)一步提高多晶硅品質(zhì),努力降低能耗和生產(chǎn)成本,力爭(zhēng)使生產(chǎn)成本再降低10%,切實(shí)為推動(dòng)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展,打造高質(zhì)量發(fā)展“綠色引擎”貢獻(xiàn)央企力量。


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