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专题报道

物“晶”天择 “硅”在创新——中国化学华陆公司自主开发多晶硅技术引领行业发展纪实

2021/8/9 9:21:18

编者按:

7月26日,《中国化工报》二版刊登了《物“晶”天择   “硅”在创新——中国化学华陆公司自主开发多晶硅技术引领行业发展纪实》专题报道,对中国化学华陆公司以突破国外“卡脖子”技术为己任,彰显央企担当作为,长期以来致力于技术进步,潜心钻研攻关、大胆开拓创新,成功掌握多晶硅冷氢化核心技术,填补我国在多晶硅生产领域的多项技术空白,为推动我国光伏产业蓬勃发展等方面进行了详细报道。据统计,2019年我国多晶硅产量达到34.2万吨,连续7年位居全球首位,产能占比达到近70%,稳居全球第一。

仅近两年来,由中国化学华陆公司承担的多晶硅设计项目达产后,预计贡献清洁能源年发电约200GW。按火电测算,可减少煤炭消耗约1.2亿吨标煤,降低碳排放3.5亿吨,这将为实现碳达峰、碳中和目标作出积极贡献。

展望未来,中国化学华陆公司将从企业实际出发,强化技术创新驱动引领,积极响应国家重大战略决策,持续强化工程、研发、实业等业务板块的核心竞争力,努力打造成为实现“双碳”目标的整体解决方案提供商。

现将《中国化工报》专题报道全文转载,供读者阅读。


物“晶”天择  “硅”在创新

——中国化学华陆公司自主开发多晶硅技术引领行业发展纪实

近日,中国化学华陆工程科技有限责任公司与印度、中亚地区相关企业达成前期合作意向,华陆公司开发的具有自主知识产权的多晶硅生产技术有望进入国际市场。这将是我国多晶硅技术首次走出国门、走向海外。

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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、出口国外,华陆公司经过15年孜孜以求的攻关探索,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基础。

从无到有 突破国外技术封锁

在我国多晶硅技术研发领域,华陆公司独树一帜,在这其中不能不提及公司原副总工程师、工艺室主任陈维平。他几十年如一日专注有机硅、多晶硅技术创新,获得了多项成果,为行业快速发展倾注了无数心血和汗水,在业内传为佳话。

 “2006年之前,我国多晶硅严重依赖进口,那时年产量不足100吨,仅用于半导体行业。”陈维平回忆道。

 

  多晶硅是太阳能光伏和电子信息产业重要的基础原料,作为半导体材料,全球85%以上的光伏电池和95%以上的半导体元器件均采用硅基材料。2005年,全球太阳能电池产量快速增加,直接拉动多晶硅迅猛增长,市场供不应求,迎来井喷式发展。

  国外热火朝天,国内却冷冷清清。由于多晶硅生产技术被德国、美国、日本等少数发达国家掌握,彼时中国95%以上多晶硅材料依赖进口。国内生产规模小、工艺技术路线不完整、环境污染重、消耗成本高,多晶硅行业一直带着“高污染、高能耗”的帽子,成为制约信息产业和光伏产业发展的瓶颈。国外实行严格的技术封锁,中国多晶硅生产面临严重的“卡脖子”风险。

  为改变技术受制于人的被动局面,华陆公司凭借自身在有机硅、三氯氢硅合成方面积累的丰富经验和技术优势,2005年由陈维平牵头组建多晶硅技术开发和工程设计团队,着手多晶硅核心工艺开发。

  技术研发之路没有鲜花和掌声,只有辛勤的汗水和默默的付出。在国外技术封锁、国内缺少资料,没有经验可借鉴的情况下,陈维平领衔的技术团队发扬华陆人“能啃、敢啃硬骨头”的精神,舍弃了几乎所有的休息时间,一头扎进研发工作中。他们反复钻研、仔细推敲,积极探索、大胆创新,攻克了还原炉高压启动、冷氢化、精馏、尾气回收等一个又一个技术难关,攀登一座又一座高峰。不到1年时间,该团队成功掌握多晶硅冷氢化核心技术,填补了我国在多晶硅生产领域的多项技术空白。

从有到优 站在全球技术之巅

  多晶硅是由硅纯度较低的冶金级硅提炼而来,此前国内外多晶硅生产主要工艺技术有改良西门子法、硅烷法等,其中改良西门子法一直是多晶硅生产最主要的工艺,生产电子级和太阳能级多晶硅。

  陈维平介绍,生产1吨多晶硅副产约20吨四氯化硅,如何有效地将四氯化硅转化为多晶硅的原料三氯氢硅,是整个多晶硅生产环节的关键。冷氢化技术因具有转化率高、能耗低、投资小等特点,近年来逐渐代替热氢化技术。

  在2006年陈维平技术团队攻克冷氢化技术的同时,江苏中能敏锐把握先机,果断启动建设1500吨/年多晶硅生产装置。

  这个当时国内最大的多晶硅项目,是华陆公司负责多晶硅技术开发和工程设计的首个“作品”。陈维平扎根项目现场,发扬敢为人先、不甘人后的拼搏进取精神,与技术人员、操作人员一起研究、分析和调试运行参数,经常在深夜讨论设计方案、解决难题。

  功夫不负有心人。经过1年半的努力,2007年12月该装置建成投产。“这是全国第一个使用冷氢化技术的项目,还创造了当时的3项世界第一,即同类规模项目建设施工周期最短、单位产品规模投资最少、技术创新水平最高。”陈维平说。

  与国外冷氢化技术相比,华陆公司创新性地解决了副产物氯化氢的循环问题;设计的大型流化床反应器,使四氯化硅转化率达到26%以上,比国外同类技术高6个百分点;通过优化热量回收系统设计,三氯氢硅电耗大幅降低至0.2千瓦时/吨,为国外冷氢化技术的一半;开发的文丘里+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,提高了系统的运行稳定性,冷氢化装置连续运行周期延长至1年以上。

  与国外技术采用导热油加热汽化四氯化硅不同,华陆公司开发的四氯化硅和氢气混合汽化工艺,仅使用副产的0.8MPa蒸汽,不需要配套复杂的导热油系统。同时,他们开发了大型还原炉和还原炉热能回收技术、多级耦合精馏技术、尾气回收分离技术等,使多晶硅成本进一步降低。

  宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。华陆公司的冷氢化技术在江苏中能的首次成功应用,并不断在关键核心技术研发上取得突破,优于国外先进技术水平,一时间引起了全球多晶硅行业的关注,推动多晶硅格局发生重大变革。国外企业2009年开始陆续向我国主动转让冷氢化技术,转让费迅速下跌。

  近年来,华陆公司以冷氢化技术为代表的多晶硅工艺技术群,累计获得专有专利技术14项,获得国家、省级、行业级奖项8项。陈维平主持设计的江苏中能1500吨/年多晶硅项目荣获全国优秀工程勘察设计银奖,主持开发的“一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法”荣获中国氟硅行业专利一等奖,四氯化硅氯氢化法制取三氯氢硅技术荣获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖,多晶硅生产技术应用获得陕西省科学技术二等奖、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖。

顺应大势 奉献清洁能源

  在华陆公司企业文化展厅的显眼位置,展示着一份多晶硅样品。这是江苏中能生产出的第一炉多晶硅硅棒。

  尝到发展甜头的江苏中能不断扩大产能,尤其是2008年建成的1.05万吨/年三期项目,为同期装置规模最大。该项目同时采用冷氢化技术、还原炉热能回收技术和高效的精馏分离技术,能耗为当时国内最低。

  技术创新永无止境。华陆公司坚持技术进步,不断优化完善冷氢化工艺。2009年以来,该公司与多家多晶硅企业合作,以“节能降耗、挖潜消瓶、提高效益”为目标,实施一系列技术升级改造,解决了制约多晶硅生产能耗及成本高等共性问题,使多晶硅装置的投资和生产成本大幅降低。

  通过系统整合优化,多晶硅的电耗由200千瓦时/千克降至65千瓦时/千克,蒸汽单耗由160吨降为零,硅粉单耗由2.3吨下降到1.08吨,主要原材料和公用工程消耗也进一步下降,直接带动光伏发电成本大幅下降至火电先进水平。

  从年产1500吨规模起步,近年来华陆公司形成了3000吨级、6000吨级、10000吨级、15000吨、30000吨级等一系列完整的多晶硅技术工艺包,实现多晶硅产品由千吨级到万吨级的跨越,使得吨多晶硅成本降低了95%以上,为中国多晶硅及光伏产业的快速发展奠定了基础。截至2020年底,国内多晶硅总年产能达45万吨。

  2020年,华陆公司斩获当年国内新开工所有多晶硅项目的设计合同,7个项目总年产能为20万吨,占当年国内总产量的约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。目前,该项目设计已结束,正在进行设备吊装和管道预制,预计今年10月建成开车。2021年上半年,华陆公司又新签多晶硅项目9个,总年产能达40万吨。

  近两年华陆公司承担的多晶硅设计项目达产后,预计贡献清洁能源年发电约200GW。按火电测算,减少煤炭消耗约1.2亿吨标煤,降低碳排放3.5亿吨。

  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。目前,光伏发电仅占我国发电总量的3.5%,距离12%的目标仍有很大空间。预计2022年国内光伏装机容量达到300GW以上,多晶硅需求超过100万吨。而到2050年,近四成的用电量将来自光伏,多晶硅作为光伏产业的主要原料前景广阔。

  陈维平表示,华陆公司积极响应国家碳达峰、碳中和政策,将矢志不渝坚持技术创新,增强核心竞争力,为我国光伏产业快速发展、奉献清洁能源贡献华陆力量。他们将进一步提高多晶硅品质,降低能耗和生产成本,力争使生产成本再降低10%,使光伏低电成为现实;同时开发颗粒硅技术,与协鑫集团合作进行颗粒硅项目工程化及技术优化等。


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