国产高纯晶硅成就光伏“中国芯”——记科学技术进步一等奖高纯晶硅制备核心技术开发与集成及工业化应用

  目前，我国高纯晶硅产量全球占比超八成，光伏全产业链占比超九成。高纯晶硅生产从被国外技术封锁到自主创新再到如今技术领先全球，与其核心关键技术国产化有着直接关系。正因如此，华陆工程科技有限责任公司作为第一完成单位，与四川永祥股份有限公司、中国科学院过程工程研究所等联合开发的“高纯晶硅制备核心技术开发与集成及工业化应用”荣获中国石油和化学工业联合会科技奖科学技术进步一等奖。

  高纯晶硅是重要的太阳能光伏与半导体材料，但此前生产技术仅由德国、美国、日本等少数发达国家掌握，中国95%以上的高纯晶硅材料依赖进口，工艺技术不完整、环境污染重、消耗成本高，成为制约高纯晶硅规模化生产的“绊脚石”。

  面对国外的技术封锁，华陆公司凭借自身在有机硅、三氯氢硅合成方面积累的经验和技术优势，经过10余年持续技术创新，开发成功高纯晶硅系列技术，改变了关键核心技术受制于人的局面，使我国成为全世界第四个拥有高纯晶硅生产技术和自主知识产权的国家。与国内外其他生产技术相比，该产品质量稳定，实现全系统闭路循环，高纯晶硅生产所带来的成本降低了94.8%。

  华陆公司材料能源事业部总经理姚又省和记者说，高纯晶硅制备核心技术最重要的包含冷氢化、精馏、还原和尾气回收四大核心单元。其中，冷氢化是高纯晶硅生产的核心装置，将四氯化硅转化为生产高纯晶硅的原料——三氯氢硅。与传统热氢化工艺相比，冷氢化技术具有转化率高、能耗低、投资小等特点，降低了装置投资和运行成本。

  2007年12月，我国第一套使用冷氢化技术的高纯晶硅生产装置在江苏中能建成投产。此后，华陆公司高纯晶硅团队一直在改进优化，二代、三代、四代和五代技术接连诞生，冷氢化装置反应器直径从0.9米增大到4.5米，不但装置产能规模扩大，而且四氯化硅转化率从一代技术的20%左右提升至第五代的28%~30%，能耗不断降低。2022年4月，第五代冷氢化技术在新特能源股份有限公司高纯晶硅项目首次应用建成投产，单套冷氢化装置四氯化硅解决能力提升到了全球最大的35万吨/年，四氯化硅转化率、能耗等关键指标均优于国内同类装置。

  精馏是高纯晶硅制备的关键环节。华陆公司高纯晶硅团队开发的热量耦合技术，使精馏装置从原有的11塔精馏逐渐变为7塔精馏流程，设备投资降低60%以上，实现精馏装置从零耦合到两塔、三塔和四塔等多塔耦合升级换代，蒸汽单耗从1.60吨/吨三氯氢硅降低至0.51吨/吨三氯氢硅，同时产品的质量不断提高。

  同时，华陆公司通过优化全厂换热网络和充分的利用还原炉的辐射能，开发成功还原热能综合利用技术，使改良西门子法高纯晶硅生产技术的蒸汽接近“零消耗”。该技术通过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。该技术还将移出的辐射能转化为饱和蒸汽供全厂用热单元使用，从而大幅度降低外供新鲜蒸汽和循环水使用。

  据介绍，华陆公司高纯晶硅团队还大胆采用新技术，完成了尾气回收技术的突破和升级。他们将吸收、吸附机理与生产实际相结合，在高纯晶硅行业首次采用高效过滤、换热设备，在线反吹过滤器除去还原尾气中的细硅粉，引入绕管式换热器应用于大负荷、小对数温差场合，使甲硅烷、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的提高，同时减轻精馏提纯难度和负荷，来提升高纯晶硅产品质量。

  近5年来，高纯晶硅制备技术在国内累计推广43项，行业覆盖率超过90%，促进了我国高纯晶硅产业的发展。2022年，我国高纯晶硅产量达82.7万吨，占全球总量的82.6%。光伏累计装机392GW，发电总量4275亿千瓦时，减少碳排放近4亿吨，有力保障国家能源安全，助力实现“双碳”目标。如今，光伏组件已成为中国出口的“新三样”之一。

  经过不断技术迭代创新，华陆公司形成了从3000吨级到5万吨级的系列高纯晶硅技术工艺包，实现高纯晶硅产品由产能千吨级到万吨级的跨越，承担设计的高纯晶硅项目总产能占全国总产能的90%以上。

  据统计，截至2022年底，华陆公司累计完成高纯晶硅设计产能近200万吨，全部达产后年可新增光伏装机容量1200GW，年发电量约1.58万亿千瓦时，相当于14个三峡电站的发电量。

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