工业硅作为有机硅、光伏、硅合金等领域的核心原材料,在我国经济社会发展中具有重要地位。目前工业硅的生产是将硅石及碳基还原剂在电弧炉内加热,硅石被碳基还原剂还原生成工业硅液体和一氧化碳(CO)气体,CO气体通过料层逸出。同时在硅水包底部通入氧气、空气混合气体,以除去钙、铝等其他杂质。工业硅液体经铸锭、破碎、分级后得到成品。
从生产工艺的角度来看,根据碳质还原剂的使用不同,工业硅的生产可以分为全煤工艺、半煤半焦工艺等。全煤工艺使用洗精煤作为碳质还原剂,半煤半焦会使用木炭、烟煤、石油焦等作为还原剂。虽然木炭的还原性较好,但不环保,所以未来发展方向是以全煤为主。
硅石的洁净度:
杂质含量越高,炉口料面明显发粘,炉口透气性不好,料面温度升高且发红,热量损失大,从而电耗升高;因此硅石的精选和水洗是减少硅石带入杂质,节能降耗的主要措施之一。
据了解,对于生产优级工业硅的硅石,其氧化物杂质含量应达到Fe
2
O
3
小于0.15%,Al
2
O
3
小于0.20%,CaO小于0.15%。如果生产超优质工业硅,对氧化物杂质的控制更严格,Fe
2
O
3
小于0.1%,Al
2
O
3
小于0.15%,CaO小于0.10%,并对硅石中硼(B)磷(P)还有严格要求。
硅石的热稳定性和抗爆性:
加入电炉的硅石要有足够的热稳定和良好的抗爆性。否则会因为受热很快破裂且表面迅速剥落,导致电炉透气性变差,电炉上部炉料粘结,热量损失增大,电耗升高,因此选用时要考虑此现象。
硅石的粒度:
粒度过小,使得炉料透气性差,粒度过大未反应的硅石沉入炉底或进入硅溶液中造成渣量增多,使得电耗升高,因此需要控制硅石的粒径范围在50-120mm。
我国工业硅生产现状呈现多方面特点。产量方面,2024年新疆的产能占全国产能的37.66%,其次是云南和四川,产能分别占18.64%和13.38%,再者内蒙古和甘肃也占据比较重要的比例,产能占比分别是6.65%和4.61%。
炉型结构上,地域集中且中小炉型偏多,2021年底,拥有25000kVA及以上冶炼炉的硅厂较少,新疆、云南等地大炉数量有限,其他低产量地区多为配备小炉的小规模厂家,随着行业发展,落后产能面临淘汰与技改。
冶炼工艺上,“全煤冶炼”因木炭供应受限、成本上升而渐受青睐,低硫低灰分煤虽有优势,但高结焦性和高挥发分带来料面透气性差等问题,需调整原料配比和炉体参数,已有项目成功应用并降低成本、电耗,新上大炉型多倾向该工艺。
生产环节中,自动化程度低,众多流程依赖人力,随着工厂规模扩大,低效率、高成本问题凸显。环保措施简陋,多数厂家采用正压布袋除尘,缺乏脱硫脱硝设施,浇铸收尘困难,污染物排放不达标,行业面临整顿与技术革新。用水方面,以往采用新水开式循环,水耗高、易结垢,生产废水外排,水资源浪费严重,在缺水地区问题更突出。