我国光伏行业硅片制造环节产排污系数及环境技术调研与分析

我国光伏行业硅片制造环节产排污情况分析李海玲 张嘉 吕芳 陈东坡 周素 王文静太阳能热利用及光伏系统重点实验室，中国科学院电工研究所，北京， 100190摘要 我国是世界第一大光伏制造国家，其中硅片产量连续 6 年世界第一， 2012 年产量达到 28GW，占世界总产量的 70[1]。但如此庞大的产业却存在行业发展过快，缺少大量环境监管数据和决策支持数据的问题。 这些数据的缺失， 使得环境监管的力度不能落实到具体环节， 环境监管的效果也大打折扣。 本文在国家环保部公益项目的支持下， 对光伏行业的硅片制造环节进行了污染防治的重要因素识别， 对 “四同” 要素与产排污种类与强度的关系进行了探讨。课题调研发现，硅片制造过程污染物产生种类较少，治理技术成熟，对环境压力较小。 并且硅片制造技术的进步有效降低了单位产品的产污与排污强度， 一些正在走向产业化的新技术，如金刚石线切割、高效多晶铸锭技术、准单晶铸锭技术等，除具有提高产品质量降低生产成本的潜力外， 还将进一步降低硅片制造过程的物耗、 能耗及产排污强度， 提高该生产过程的清洁性。 本课题的研究成果将为实现我国光伏硅片制造环节污染最小化， 促进太阳能电池板行业环境友好的健康发展起到一定积极意义。关键词硅片制造、特征污染物、四同1、 前言光伏技术通过将太阳能转换成电能为人类带来清洁能源， 但目前其生产过程却需要消耗常规能源，同时带来一些污染物的排放。在 2010 年前后，我国光伏产业规模膨胀迅速，急速扩张的光伏产业给环境也带来一些负面影响， 如一些企业被媒体报道的污染物乱排、 生产能耗远高于国外等，给光伏生产带来了高污染、高能耗的帽子。本课题在国家环保部公益项目的支持下， 对光伏行业的硅片制造环境进行了污染防治的重要因素识别，对“四同”要素与产排污种类与强度的关系进行了探讨，完成了硅片生产过程重点污染物识别过程，并对技术进步对产排污的影响进行了分析。从硅片制造环节来说，硅片制造仍有降低生产成本提高生产清洁性的潜力，将能进一步提高光伏发电技术的竞争力。2、 研究边界课题的研究针对我国光伏行业的硅片制造环节，边界界定为 6N 多晶硅料到硅片的过程（如图 1 所示） ，包含硅料准备（过程 1 ） 、长晶（过程 2） 及切割与清洗（过程 3）三个工艺环节。三个过程的界定如下过程 1硅料准备。包含外购多晶硅料及切割过程产生的边角料的处理与清洗。对铸锭多晶硅而言，此过程还包含坩埚的喷涂过程。过程 2长晶过程，合格多晶硅料在高温热环境下转变为硅锭或硅棒的过程。多晶采用铸锭过程，单晶采用拉棒过程。过程 3切割及清洗。包含将硅锭或硅棒切割成硅片的过程及硅片的清洗过程。图 1 课题研究边界的界定3、 重点污染物的识别在对一个行业的污染物产生和排放进行分析时，需根据本行业污染物产生和排放的特点，识别影响污染物产生和排放的主要因素、次要因素、一般因素等。通常采用“四同” 分析法进行四同的划分和组合。一个四同组合（条件）代表生产相同（或类同）产品时、使用相同（类同）原材料、采用相同（相近）生产工艺、具有相同（相近）生产规模，即对产品、原材料、生产工艺和生产规模四种因素的组合。为对硅片生产过程的污染物产生和排放进行分析， 课题采用 “四同” 分析法对硅片生产的三个过程分别进行了分析，如表 1-3 所示。表 1 硅料准备过程污染物的产生和排放分析原料 产品 规模 工艺 污染物指标 治理措施排放去向“脏”多晶硅料“干净”多晶硅料所有酸洗废气粉尘 布袋除尘排放入大气中F 碱液喷淋NOx 碱液喷淋废水PH 中和 部分回用， 部分排放入市政污水处理设施中SS 絮凝沉淀F 絮凝沉淀固废指标 处理措施危险固废 -废酸委托有资质企业处理一般固废 -除尘灰外卖碱洗废气粉尘 布袋除尘 排放入大气中废水PH 中和部分回用， 部分排放入市政污水处理设施中固废一般固废 -除尘灰外卖表 2 长晶过程污染物的产生和排放分析原料 规模 产品 工艺 污染物指标 处理措施“干净”多晶硅料所有多晶硅锭定向凝固一般固废 -坩埚外售厂家进行回收所有单晶硅棒CZ法一般固废 -石英坩埚外售厂家进行回收表 3 切割及清洗过程污染物的产生和排放分析原料 工艺 规模 产品 污染物指标 治理措施 排放去向多晶硅锭/单晶硅棒多线切割 清洗所有 硅片有机废水PH 中和部分回用，部分排放入市政污水处理设施中COD水解酸化好氧氧化SS 沉淀危险固废污染物指标 处理措施废砂浆委外回收再利用厂家自己回收再利用废胶 委外处理一般固废 处理措施污泥 外卖废切割线 外卖废玻璃 外卖如表 1-3 所示，硅片生产过程属于比较清洁的过程，产生的污染物种类较少，主要污染物的产生集中切割与清洗环节，产生大量 COD、 SS及废砂浆。在硅料准备环节，不同企业采用的技术途径不同， 造成污染物种类的差异。 酸洗过程造成氟化物及氮氧化物的大气与水的排放；如采用碱洗，则除造成排放污水的 PH 值变化，仅造成部分无害污泥。4、 技术进步对污染物的产生与排放的影响除原料、产品、规模、技术分类对污染物的产生与排放的影响外，硅片制造技术进步也对产排污也产生了显著影响。 虽然硅片制造产业自诞生以来产业技术一直没有改变， 但随着工艺水平及污染物治理技术的不断进步， 单位产品的污染物产生量与排放量出现逐渐降低趋势。 如铸锭技术的改进使得铸锭炉的尺寸越来越大， 极大的降低了单位产品的能耗及对应固废排放量。 砂浆回收技术的进步及切割工艺的改进， 使得切割用砂浆中回收砂浆的比例越来越高，也极大的降低了单位产品污染物的排放，缓解了生产过程对环境的压力。随着技术水平的提高，一些新技术在逐步走出实验室实现小规模应用，这些新技术的使用将为环境解压带来更大益处。1） 金刚石切割技术。金刚石切割技术突破性的摆脱了切割过程中对砂浆的依赖，极大的减少了 COD 及 SS的来源，同时避免了砂浆回收过程。金刚石切割技术已经在单晶硅的切棒中有所使用，多晶硅的切割仍在实验室开发中，目前高的切割成本阻碍了金刚石线切割技术的市场化转移。但金刚石切割具有清洁、低成本、高精度、低损伤的优势，有潜力替代现有的砂浆切割技术，成为未来的主流切割技术。 MeyerBurger 和 RENA都宣布其设备可以使用纯水充当切割过程中的润滑至制冷剂 [2]，如果得以推广则在切割过程中实现零 COD排放， 且切割过程中产生的硅粉将更易回收从而提高硅料利用率，降低光伏发电成本。2） 高效或准单晶铸锭技术。通过改善铸锭炉的热场及结晶工艺，可以很好的提高铸锭多晶硅的质量，降低单位产品的能耗。高效多晶硅及准单晶铸锭技术已经在铸锭过程中广泛应用，将进一步降低铸锭能耗提高铸锭过程的环境友好性。5、 结论硅片制造过程较为清洁，排放的污染物种类较少，主要特征污染物包括 COD、 SS、废砂浆、废胶及氟化物、氮氧化物等。硅片制造过程表现出了产品、原料、技术的极大趋同性。通过调研发现，尽管硅片制造技术自诞生起未发生变化，但工艺进步降低了产排污强度。 一些新的铸锭 /拉棒及切割技术正逐渐走向市场， 术未来仍有巨大降低能耗及环境压力的空间，因此对硅片制造而言，生产过程环境友好，技术清洁。现有的光伏发电能量偿还期很短， 但未来还可以更短。这些将进一步提高光伏发电技术竞争力。致谢本课题感谢国家环保部公益项目新能源产业（太阳能电池板）环境影响与管理研究（ 201209056 ）的支持。参考文献[1] Lv Fang,Xu Honghua, Wang Sicheng, National Survey Report of PVPower Applications inChina 2012, IEAPVPS[2] Shravan Kumar Chunduri, The diamond rush, Photon International,20135, P92