云南省工業(yè)硅產業(yè)分析及發(fā)展建議

梅向陽，楊逢樂，王仁敏，劉群星，陳 瀟

(云南省生態(tài)環(huán)境工程評估中心,云南 昆明 650032)

1 工業(yè)硅產能概況

1.1 全國工業(yè)硅產能概況

根據(jù)上海有色金屬網(wǎng)統(tǒng)計,2021年全球工業(yè)硅產能662萬噸,其中我國工業(yè)硅產能529萬噸,占全球產能高達79.91%,全球工業(yè)硅總產量為377萬噸,其中中國產量達291萬噸,占比達77%[1]。根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會的統(tǒng)計,2016～2020年全球工業(yè)硅的產量呈現(xiàn)倒V態(tài)勢。2020年全球工業(yè)硅產量為303萬噸,中國具備資源優(yōu)勢和低成本優(yōu)勢,工業(yè)硅產量集中在中國。2020年中國工業(yè)硅產量210萬噸,約占全球產量的69.3%,居世界第一,巴西工業(yè)硅產量位列第二占比達7.3%,再次是挪威及美國[2]。

工業(yè)硅是資源性、高耗能、高污染冶金行業(yè),電力成本占工業(yè)硅生產成本比例較高,生產1 t工業(yè)硅消耗大約10,000～13,000度電,電力成本在總生產成本中占比高達30%～40%,碳質還原劑占工業(yè)硅生產成本的25%～30%[3],新疆的煤炭、電力、石墨電極等原材料的價格優(yōu)勢以及云南省資源和水電優(yōu)勢使其成為工業(yè)硅產能集中地,同時兩地又擁有豐富的高品位硅石資源,因此傳統(tǒng)工業(yè)硅大省湖南、貴州等地受到淘汰落后產能政策以及電價的不斷上調影響,很多企業(yè)紛紛退出市場,逐步向擁有廉價電力資源的西北和西南地區(qū)轉移[4],2009～2019年我國工業(yè)硅地區(qū)產量見表1。2020年新疆和云南產能占國內比重分別為35.3%和23.9%,產量占比分別為41.9%和21.4%,是國內最重要的工業(yè)硅生產基地[5]。

表1 2009～2019年我國工業(yè)硅分地區(qū)產量表萬噸[4]

污染防治作為決勝全面建成小康社會的三大攻堅戰(zhàn)之一,《大氣污染防治行動計劃》于2017年實施,國家加快調整能源結構,煤電工業(yè)硅產業(yè)模式的發(fā)展空間進一步受到了壓縮,構建水電硅產業(yè)模式符合工業(yè)硅行業(yè)綠色、環(huán)保、低成本、可持續(xù)的發(fā)展規(guī)律和發(fā)展方向,也是今后我國工業(yè)硅實現(xiàn)產業(yè)結構優(yōu)化轉型升級和可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

1.2 云南省工業(yè)硅產能概況

全省工業(yè)硅產能總量控制在130萬噸[5-6],加上開展前期工作的自有下游消納產能昭通龍海硅基80萬噸工業(yè)硅,省內年產能將達到210萬噸,重點布局在德宏、保山、怒江、臨滄、昭通等州市。

工業(yè)硅的下游應用廣泛,主要應用領域有機硅、鋁合金、多晶硅。據(jù)統(tǒng)計,2020年工業(yè)硅在有機硅、合金、多晶硅三大領域的消費占比分別為41.8%、34.1%、21.2%。云南省能源資源得天獨厚,可開發(fā)的水能、地熱、太陽能等綠色能源資源居全國第二,其中水電可開發(fā)裝機容量占全國可開發(fā)水電裝機容量的25%左右,為改變清潔能源資源豐富、載能產業(yè)弱小的局面,加快能源優(yōu)勢向產業(yè)優(yōu)勢轉化,云南省委、省政府旗幟鮮明地提出了打造世界一流“綠色能源牌”的目標[7],實施產業(yè)基礎再造工程,制定產業(yè)鏈補鏈強鏈計劃,利用綠色能源優(yōu)勢引領綠色硅等先進制造業(yè)和高新技術產業(yè)發(fā)展,打造綠色硅精深加工產業(yè)基地,建設工業(yè)硅的下游產業(yè),逐步發(fā)展硅光伏和硅電子全產業(yè)鏈,積極推進硅化工產業(yè),最終實現(xiàn)水電硅材加工一體化發(fā)展。

2 云南省水電硅產業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀

云南省在推動水電硅材一體化發(fā)展中,高度重視生態(tài)環(huán)境保護,在產業(yè)布局、清潔生產、污染治理、環(huán)境監(jiān)管等方面均嚴格要求,推動水電硅綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。將立足生態(tài)環(huán)境保護的各項要求,在工藝設備升級、資源能源消耗、污染物產排多個方面逐步向生產單位提出要求,進一步實現(xiàn)產業(yè)革新。

2.1 主體設備礦熱爐

云南省工業(yè)硅電爐全部為矮煙罩半封閉型或全密閉型,工業(yè)硅生產原料的貯存應采用封閉料場,配料和上料采用自動化控制操作系統(tǒng),配套機械化加料或加料搗爐機操作系統(tǒng),鼓勵研發(fā)和推廣應用精料入爐技術,原料處理、除塵系統(tǒng)計算機智能自動化操作和控制系統(tǒng),加快推廣木炭替代還原劑和工業(yè)硅爐余熱利用系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計,全省共有工業(yè)硅建成企業(yè)71戶,礦熱爐161臺,6300 kVA礦熱爐10臺于2018年底淘汰,8000 kVA礦熱爐2臺,其余均為12,500 kVA及以上,20,000 kVA以上的礦熱爐11臺,產能103.6萬噸,全省共有在建擬建工業(yè)硅項目的9個項目新增產能36.6萬噸[8]。

2.2 資源及能源消耗水平

根據(jù)云南省工信廳發(fā)布的數(shù)據(jù)及項目環(huán)評資料,云南省工業(yè)硅項目主要資源及能源消耗水平見表2。

表2 云南省水電鋁項目主要資源及能源消耗水平

現(xiàn)有的政策規(guī)定和相關專家認為,云南省應禁止或限制使用木炭(再生炭除外)做還原劑[9],并依法依規(guī)關停布局不合理、資源能源消耗高、環(huán)保措施不到位、安全質量不達標和木質碳消耗多的生產裝備[10]。按照省政府要求,新改擴建采用的還原劑將替換為石油焦(或半焦)以及木質疏松劑(包括玉米芯、甘蔗渣、稻殼、核桃殼及椰子殼)的組合。目前,大部分企業(yè)采用石油焦(或半焦)以及木質疏松劑(包括甘蔗渣、稻殼、玉米芯、核桃殼及椰子殼)的組合作為還原劑。

據(jù)項目環(huán)評統(tǒng)計,2015年以后審批新建工業(yè)硅項目極少,且對新建的水電硅項目清潔生產提出了嚴格要求,如2022年云南合盛硅業(yè)有限公司水電硅循環(huán)經(jīng)濟項目石油焦耗量0.4 t/t-Si、木質疏松劑耗量0.515 t/t-Si、硅石消耗2.7 t/t-Si、電耗10,953.77 kWh/t-Si、綜合能耗2493.40 kg標準煤/t-Si。

2.3 冶煉煙氣凈化及排放

工業(yè)硅煙氣除塵系統(tǒng)一般分為負壓除塵系統(tǒng)和正壓除塵系統(tǒng),負壓除塵系統(tǒng)除塵器設置在引風機之前,除塵器和管道處于引風機的負壓段,容易吸入空氣產生漏風,負壓系統(tǒng)的漏風率為5%～10%,加大了引風機的風量,增加了電耗,但由于煙氣經(jīng)過除塵后再進入風機,對風機的磨損大大降低,運行壽命延長。另外,負壓除塵煙氣通過引風機后可集中收集,煙氣后續(xù)可以增加脫硫系統(tǒng);正壓除塵系統(tǒng),除塵器設置在通風機之后,通過通風機的煙氣含塵濃度高,通風機容易磨損,但漏風率小,除塵器圍護結構簡單,通常煙氣經(jīng)布袋后通過百葉窗無組織排放,如果不作改造無法增設煙氣脫硫設施。目前,省內工業(yè)硅企業(yè)的電爐煙氣多采用正壓除塵方式,煙氣中的二氧化硫無法收集處理,且煙氣中氮氧化物及煙塵量大。

由于工業(yè)硅生產使用木炭作為還原劑破壞森林資源,還原劑主要利用石油焦或者煤,石油焦一般含硫較高且波動較大(1.5%～8%),石油焦的使用將使工業(yè)硅冶煉煙氣中二氧化硫產生量急劇增加,減排壓力十分巨大,須對煙氣采取脫硫措施。增加脫硫措施必然要求對正壓除塵系統(tǒng)進行改造,煙氣除塵后增加脫硫塔,以使用石油焦作為主要還原劑的某公司為例,二氧化硫產生系數(shù)為70.44 kg/t工業(yè)硅,按照產能130萬噸計算,二氧化硫的年產生量為9.16萬噸。增加脫硫措施后,脫硫效率90%,二氧化硫排放系數(shù)為7.044 kg/t工業(yè)硅,130萬噸工業(yè)硅年排放二氧化硫量為0.916萬噸,二氧化硫排放量將大大降低,與采用木炭作為還原劑相比變化不大,但進行煙氣脫硫將大大增加生產成本。另外,《鐵合金、電解金屬錳行業(yè)規(guī)范條件》要求鐵合金生產企業(yè)安裝在線監(jiān)測裝置,并與環(huán)境保護主管部門聯(lián)網(wǎng),因此,省內工業(yè)硅生產企業(yè)紛紛啟動對除塵系統(tǒng)進行改造并增加脫硫設施的工作,嚴格煙氣污染物排放管理,滿足環(huán)境質量改善和總量控制的要求。

工業(yè)硅冶煉煙氣脫硝也是一項重要的工作,根據(jù)目前幾個廠的實測值,NOx的排放濃度在100～200 mg/m3[11]。按照產能130萬噸計算,氮氧化物的年產生量為1.456萬噸,工業(yè)硅生產氮氧化物的排放量也較大,其減排潛力較大。由于工業(yè)硅煙氣中微硅粉較易堵塞催化劑和脫硝溫度等條件要求,常規(guī)的脫硝方法SNCR和SCR不適用于工業(yè)硅煙氣脫硝,低塵SCR脫硝和臭氧氧化脫硝可能是較為可行的技術路線,但據(jù)了解目前工業(yè)硅脫硝國內還未見相關報道,其技術正在研究之中。

2.4 固體廢物產生及處置情況

工業(yè)硅生產過程中主要工業(yè)固廢為收塵的微硅粉、電爐硅渣及脫硫渣,產生量一般約為370 kg/t工業(yè)硅、200 kg/t工業(yè)硅和140kg/t工業(yè)硅。由此可見固廢的產生量較大,目前微硅粉處置途徑一般為出售給商品混凝土有限公司利用,微硅粉的加入可使混凝土的孔隙與滲透性大大降低,給強度和耐久性帶來明顯改善,顯著提高混凝土的抗沖磨、抗侵蝕、抗?jié)B、抗凍等性能[12]。電爐硅渣由于含硅較高,用于鋼鐵冶煉過程中的脫氧劑、脫硫劑等,脫硫渣處置途徑一般為出售給水泥企業(yè)作為原料利用。

2.5 防護距離

早期受《鐵合金行業(yè)準入條件(2008年修訂)》的要求限制[13],要求工業(yè)硅廠以廠界周圍1 km范圍設置防護距離,該范圍內不得有人群居住。隨著鐵合金行業(yè)準入條件的修訂,取消了1 km防護距離的要求,防護距離由環(huán)境影響評價結論確定。自2016年起,因受工業(yè)硅冶煉煙氣中顆粒物、二氧化硫及氮氧化物的影響,工業(yè)硅企業(yè)廠外環(huán)境空氣可能會存在污染物超標的情況,根據(jù)工業(yè)硅廠總圖布置及區(qū)域氣象條件等因素計算防護距離,我省各工業(yè)硅廠基本以冶煉車間外設置不低于300 m的防護距離,對防護距離內的居民點全部進行搬遷,以最大程度的降低工業(yè)硅廠生產對人群的影響。

2.6 物料運輸

當前,云南省硅礦資源較豐富,工業(yè)硅企業(yè)一般分布在資源豐富地區(qū),工業(yè)硅企業(yè)廠外大宗物料運輸主要以公路運輸為主,輔以鐵路運輸,運輸過程主要通過封閉運輸控制無組織揚塵。《環(huán)境影響評價技術導則大氣環(huán)境》(HJ2.2-2018)要求各建設項目環(huán)評報告編制過程中,分析調查受項目物料及產品運輸影響新增的交通運輸移動源,包括運輸方式、新增交通流量、排放污染物及排放量[14]。

3 云南省工業(yè)硅產業(yè)發(fā)展的思考及建議

優(yōu)布局：工業(yè)硅項目必須進入合規(guī)園區(qū)。按《鐵合金、電解金屬錳行業(yè)規(guī)范條件》及《云南省推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展領導小組辦公室關于印發(fā)<云南省長江經(jīng)濟帶發(fā)展負面清單指南實施細則(試行)>的通知》(云發(fā)改基礎〔2019〕 924號)的要求,禁止在合規(guī)園區(qū)外新建、擴建工業(yè)硅冶煉項目。根據(jù)工業(yè)硅企業(yè)主要分布于德宏、保山、怒江、臨滄、昭通等州市的現(xiàn)狀、硅礦資源及水電資源的分布,工業(yè)硅實現(xiàn)產能等量置換的基礎上,仍將布局于這些州市,但應遷建于目前保留的具有冶金產業(yè)定位的工業(yè)園區(qū)內。同時,由于工業(yè)硅屬于廢氣污染型產業(yè),在選址時應盡量避開云南省“三線一單”研究報告中確定的弱擴散區(qū)、大氣環(huán)境布局敏感區(qū)和居民集中區(qū)域。

調結構和控規(guī)模：推動綠色制造強省建設,打造綠色硅精深加工基地,大力發(fā)展硅下游產業(yè),鼓勵硅光伏、硅電子和硅化工,嚴格工業(yè)硅實現(xiàn)產能等量置換限制工業(yè)硅規(guī)模擴大[15]。從我省硅產業(yè)的實際情況看,目前仍大量集中在生態(tài)破壞和環(huán)境污染較重的工業(yè)硅生產,也就是原材料加工階段,下游的硅光伏已逐步布局發(fā)展,但硅電子和硅化工等下游深加工產品仍缺乏。從環(huán)境保護方面來看,建議調整工業(yè)硅的輔料結構,減少木質炭的使用,大力發(fā)展下游環(huán)境污染較輕的硅光伏和硅電子產業(yè)。

嚴格污染物排放堅守環(huán)境保護底線：提升清潔生產水平,進一步推行工業(yè)硅冶煉廢氣的負壓除塵改造,增設煙氣脫硫設施,積極探索有效可行的脫硝措施,嚴格按照國家和行業(yè)標準、污染物總量控制指標、區(qū)域環(huán)境質量改善要求等采取最優(yōu)的污染控制手段,確定各產業(yè)的污染物排放水平,減輕對大氣環(huán)境的污染,確保環(huán)境質量持續(xù)改善。

防風險：通過嚴把環(huán)境準入關、強化源頭控制、加強污染治理措施及環(huán)境管理等措施,嚴格停爐和開爐期間環(huán)保管理,減少非正常工況發(fā)生次數(shù)和時間,防止事故情況發(fā)生,最大程度降低工業(yè)硅項目運行可能帶來的環(huán)境風險及社會風險。