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多晶硅西门子法面临能耗下降瓶颈,颗粒硅技术有望在本轮竞争中占据先机

发布时间:2023-02-20  来源:立鼎产业研究网  点击量: 896 

改良西门子法降电耗近瓶颈,硅烷流化床法优势明显。过去,改良西门子法通过改进物料循环体系、增强能量回收利用显著降低生产过程综合电耗,从而实现降本。根据 CPIA数据,2021 年以改良西门子法为主导的多晶硅生产平均综合电耗已降至 63kWh/kg-Si,相较于2010年的水平已下降62.9%。其中,三氯氢硅还原环节电耗达46kWh/kg-Si,占73.0%,是高能耗的主要原因,且未来进一步下降空间有限。

CPIA预计2030年改良西门子法综合电耗有望降至55kWh/kg-Si,换言之,未来下降空间仅12.7%。而根据协鑫科技2021年报披露,其硅烷流化床法综合电耗仅14.8kWh/kg-Si,相较于当前主流水平实现质的飞跃。硅烷流化床法得益于该工艺先天具有的低能耗优势,或将成为下一代具备成本优势的技术选择。

改良西门子法电耗下降空间有限


资料来源:CPIA(含预测)

颗粒硅的自动化优势来源于生产过程连续、人工参与少,且球状形态便于下游拉棒企业自动化运输与装料。改良西门子法在一炉硅棒长成后,需断电断气降温出炉,手动移出棒状硅后才能进行下一轮生产;而还原炉产出的产品形态为直径 130mm、长度 2.5m 的棒状硅,经破碎后的致密料尺寸约 50-100mm,进一步破碎的复投料尺寸约8-50mm,因此西门子法的产品从出炉到可用的状态,需经历人工截断、破碎、分选等步骤。从生产过程来看,改良西门子法属于间断反应,人工介入程度高。而在硅烷流化床法中,籽晶长大到一定程度后,会因为重力掉落收集,从而排出流化床,同时反应物硅烷气通过喷嘴持续注入,实现连续生产;产出的颗粒硅产品为直径 1-3mm 的球形,可直接用于单晶硅棒拉制。

对于下游拉棒企业而言,由于颗粒硅产品流动性更好,可以通过自动材料运输、坩埚装填、重新加料等方式,提高下游硅片企业的自动化程度和生产效率。颗粒硅厂商与拉棒厂商合作,可以进一步简化从颗粒硅产出到运输、装料的过程。

硅烷流化床法颗粒硅具有自动化优势


资料来源:亚洲硅业等

颗粒硅的低碳化优势来源于生产过程转化效率高、反应温度低、原料易处理。硅烷流化床法生产颗粒硅的原料是甲硅烷,与三氯氢硅相比,甲硅烷的热稳定性差,受热易于分解,因此带来两个好处:(a)硅烷流化床法一次转化率高达 98%,而西门子法仅 10-12%;(b)流化床内操作温度约 600-800℃,显著低于西门子法的 1150℃。另外,两种方法的生产过程中均涉及氯硅烷等杂质,甲硅烷与氯硅烷的熔点、沸点差异更大,因此易于分离,而三氯氢硅分离难度更高,导致西门子法需要更复杂的精馏系统,并造成更高的能耗。

改良西门子法与硅烷流化床法生产特征对比


资料来源:协鑫科技公告

据中信证券测算,颗粒硅创造的碳收益达2.04-11.56/kg-Si2021年,协鑫科技获得法国环境与能源控制署颁发的碳足迹证书,证明公司颗粒硅产品的碳足迹仅为

37kg-CO2/kg-Si(千克二氧化碳当量/千克硅),此前全球最低记录为德国Wacker57.56,而改良西门子法棒状硅平均约71。以下分为保守和乐观两个场景进行测算。

保守场景:按照我国目前碳交易价格,假设单位成本为0.06/kg-CO2。乐观场景:2021年欧洲碳税高达50欧元/吨(折合人民币0.34/kg-CO2),据此进行假设。

测算结果显示,硅烷流化床法颗粒硅相较于改良西门子法棒状硅在保守和乐观场景下分别具有2.0411.56/kg-Si的潜在碳收益。未来随着碳价格进一步提高、碳边境税等政策落地,预计颗粒硅生产的碳减排优势将更直接地体现在企业利润中。

颗粒硅的碳收益测算


资料来源:协鑫科技《2021 环境、社会及管治报告》,中信测算


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