肖文德教授-大规模连续化多晶硅生产技术

大规模连续化多晶硅生产技术肖文德,教授，长江学者[e-mail],13916955528上海交通大学能源化工实验室于2010江西省新能源合作推进会关于近代几次工业革命的新诠释第一次工业革命：蒸汽机，英国，18世纪中期，解决轻工业的矛盾问题，解放手。第二次工业革命：电力，美国，19世纪中后期，解决重工业的矛盾问题，解放脚。第三次工业革命：信息技术，美国，20世纪后期，解决软工业的矛盾问题，解放脑。第四次工业革命：新能源，美国、欧洲和中国，21世纪初期，解决工业的血液的矛盾问题。人的多数毛病都出在血液故障多晶硅产业的一个缺点就是规模小，一个反应器年产100-300吨，且是间歇生产，一个生产周期100-120小时，其结果是投资高，能耗高。1000吨投资10亿元，3000吨投资18亿元，1.5万吨投资120亿元。因此，降低投资和能耗的最好办法就是：提高生产规模即规模化，还有就是连续化。规模化的目标：单系列1.0万吨/年。何为大规模化？光伏发电的目标成本太阳能光伏发电组件成本已降到2＄/w，据称，2010年可到1.6-1.7，远景目标到1.5，而薄膜电池可低于1.0＄/w。燃煤火电投资0.55＄/w，核电1.6＄/w。但这两者都是不可再生的化石能源，且存在突出的环境问题。可见，欧盟预测，到2050年，太阳能占40%，化石能源仅占10%，在经济、环境上是完全可行的。因此，太阳能光伏发电将成为新兴能源工业的核心而得到快速发展。原料成本：多晶硅是公认的太阳能发电的基础材料，资源丰富，价格低廉，多晶硅原料=1.5-2.0＄/kg。售价：多晶硅售2008年4月475＄/kg，如今60＄/kg。成本：国外25＄/kg，国内要达到60-70＄/kg。国内先进成本：大全重庆40＄/kg。保利协鑫36。通威股份45。河北英利上半年38。国内外的多晶硅成本我国多晶硅产业的困境：从财富神话到进退维谷现状：我国到2010年总规划约30个多晶硅项目，总产量10万吨。2009年，产能约5万吨，但产量只有1万-1.5万吨，产能利用率不到30%。严重过剩？！矛盾：我国多晶硅进口依赖度又达到60-70%。症结：我国多晶硅产能的技术支撑没有竞争力，在质量和成本两方面都远落后于国际7大公司：Hemlock/Wacker/MEMC/REC/三菱/住友钛/德山，2010年全世界需求仅6万吨。国际7大巨头的产能完全可以满足全球需要，其产能将达12.6万吨。厂址一半，产能70%在美国。我国多晶硅行业发展的规范化问题多晶硅产业的特殊性：原料来自有色金属工业，通过化工的技术生产，产品用于光伏发电，横跨有色、化工、新能源三个行业。工信部最近要求：新建多晶硅项目规模必须•大于3000吨/年，•占地面积小于10000m2/千吨，•还原电耗小于60千瓦时/千克。•还原尾气中四氯化硅、氯化氢、氢气回收利用率不低于98.5%、99%、99%。•引导、支持以多种方式实现多晶硅—电厂—氯碱联营，•支持节能环保技术开发，降低生产成本。多晶硅生产属于什么行业？专业？学科？化工行业，而非能源，也非冶金化工学科，而非物理/能源，也非冶金化学工程专业，具体是化学反应工程，分离工程。涉及化学工程科学和技术的前沿技术：流化床反应器，精馏反应器，化学气相沉淀等。交大具有很强的物理、能源学科，也具有较强的化学和化工学科，交叉形成了能源化工学科，重点发展太阳能光伏发电技术，包括多晶硅材料的万吨级粒状多晶硅清洁生产技术。生产多晶硅的四种路线1.三氯氢硅法：SiHCl3+H2=Si+3HCl2.硅烷法：SiH4=Si+2H23.金属还原法SiCl4+2Zn=Si+ZnCl2SiF4+4Na=Si+4NaF4.冶金法采用特殊的冶金技术直接提纯工业硅获得太阳能级硅。生产路线的选择三氯氢硅加氢还原法：缺点是反应吸热大，且反应温度1100℃，能耗很高。工业反应器为间歇式钟罩反应器，能量利用率低，生产能力小。单台反应器100-200TPY。因而投资高，能耗高，成本高。硅卤化物金属还原法：缺点是需要配套金属卤化物电解装置，投资和能耗也难以降得下来，且产品纯度不会很高。冶金法：有可能具有最低的能耗，但技术很复杂，其纯度也很难令人满意。硅烷分解法：温度低，500-700℃，反应放热，投资小，能耗低，纯度高，反应器可采用化工过程常见的，特别适合大规模生产的流化床反应器，易实现连续化和规模化生产，最有可能大幅度降低生产成本，是必然发展方向。传统技术：改良西门子法反应器：双钟罩(还原+氢化)工艺：四循环(TCS\STC\HCl\H2)缺点：热效率低，产能低，能耗高。还原：HSiCl3+H2=Si+HCl+SiCl4氢化：SiCl4+H2=HSiCl3+HCl传统技术：钟罩反应技术\三氯氢硅法投资高•1000吨，投资10亿元•3000吨，投资18亿元，盾安环境•1.5万吨，投资120亿元，江西赛维LDK。能耗高•150-200度电/kg=15-20万度电/吨。•最新要求：(还原)60度/kg。成本高•30-40万元/吨。1年1万吨多晶硅需配套1个30万kW机组发电厂1吨硅原料成本1.5万元，仅占5%其余加工成本占95%，说明技术落后新技术：流化床反应技术\硅烷法三个反应步骤：•氢氯化：冶金硅变为三氯氢硅•Mo-Si+3SiCl4+H2=4HSiCl3•歧化：三氯氢硅变为硅烷•4HSiCl3=3SiCl4+SiH4•热解：硅烷分解变为多晶硅•SiH4=So-Si+2H2硅烷法工艺流程简图特点：•工艺：双循环(STC\H2)•反应器：双流化床•对电的依赖不强•对氯碱的依赖不强新工艺：硅烷法新技术的工业化特点流化床反应器，尤其如硅变三氯氢硅等“固变气”的例子，在化学工业中典型的是煤气化，其将固体的煤变为气体的煤气。典型的操作条件是压力3.0-6.0Mpa，温度为800-1200C。单台反应器的日处理1000-2000吨，即30-60万吨/年。因此，可借鉴化工中的煤气炉及其过程，完全可以设计大型三氯氢硅反应器。目前工业上典型的大型三氯氢硅流化床反应器直径在2-3m，处理规模相当于3000吨/年硅。发展的目标是单台反应器规模达到1万吨硅/年。对三部分详细分析结果：1万吨多晶硅，总投资可按7.5亿元估计。现有技术的10%，或十分之一。本技术的预估投资本技术的预估能耗对三部分详细分析结果：小于15度电/kg多晶硅。现有技术的10%，或十分之一。小于50吨蒸汽/吨多晶硅。1年1万吨多晶硅需配套老技术：1个30万kW机组发电厂（1100T/hr锅炉）新技术：1个2.5万kW机组发电厂（130T/hr锅炉）本技术的期望成本原料：15000(22500)电耗：6000(135000)折旧：7500(120000)财务：7500(80000)水汽：7500(50000)人员及管理：2000(3000)总成本：4.55亿(41.05/1.5=27.4亿)6.539.15$/kg可见，该方法的多晶硅生产的可期望的成本小于10$/kg万元/年新技术老技术本项研究的计划进度及费用估算实验室研究：2009.8-估计500万元100吨/年级别的中间实验研究：2010.6-估计5000万元10000吨级工业性实验研究：2012.12-估计5.0亿元不理解的内行：不相信会有这样的技术。理解的内外：诸如LDK、GCL等大型硅料商，尽管理解且相信其先进的技术目标，但却心有余而力不足。1万多吨的规模，100亿之投资，每年财务费+折旧费10亿元，且仅建成1/3-1/2能力，没实现任何利润，决不会抛弃老技术装置，转投新技术装置。需要理解的外行：没有负担，轻装上阵（内行包袱重!）。但是，国家的限制性文件{2009[38号]文}对进入多晶硅行业是一个障碍。地方也认为国家硅行业过剩，且属于高能耗、高污染产业，而给予限制。本项研究可能的境遇Thankyouforyourattention!