碳化硅行業(yè)發(fā)展及減污降碳對策研究
——以天?？h碳化硅產(chǎn)業(yè)為例

鄧萬蓉

（1.武威市生態(tài)環(huán)境局，甘肅 武威 733000；2.武威市環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，甘肅 武威 733000）

1 引言

碳化硅是一種典型的共價鍵結(jié)構(gòu)化合物，四面體結(jié)構(gòu)，具有極強的共價鍵，在自然界存在很少，絕大多數(shù)為人工合成。自發(fā)現(xiàn)以來，因其具有耐磨削、耐高溫、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、高化學穩(wěn)定性、寬帶隙以及高電子遷移率等諸多優(yōu)異性能［1-2］，被廣泛用于磨料磨具、冶金原料、耐火材料和功能陶瓷四大領(lǐng)域［3］。隨著技術(shù)發(fā)展，碳化硅在航空航天、電催化、電子器件（特別是芯片、半導(dǎo)體、光伏組件、新能源汽車組件）、納米材料等［4-9］高端領(lǐng)域的應(yīng)用潛力被發(fā)掘，并發(fā)揮日益重要的作用，另外，碳化硅作為環(huán)境凈化材料的良好性能已被研究并應(yīng)用［10-11］，碳化硅需求量不斷增加，市場前景廣闊，行業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

在生態(tài)文明建設(shè)和推動高質(zhì)量發(fā)展背景及減污降碳目標任務(wù)下，碳化硅產(chǎn)業(yè)要實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，面臨綠色轉(zhuǎn)型升級的重大挑戰(zhàn)和機遇。本文以武威市天?？h碳化硅產(chǎn)業(yè)為例，通過現(xiàn)狀分析，探討碳化硅行業(yè)綠色發(fā)展、減污降碳的對策。

2 天祝縣碳化硅行業(yè)發(fā)展情況

天?？h地處河西走廊東端，屬青藏高原東北邊緣，在祁連山中段地區(qū)，擁有豐富的生產(chǎn)碳化硅的原料——石英巖資源。2009 年以來，天?？h充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，著力發(fā)展壯大碳化硅產(chǎn)業(yè)，建立了以碳化硅行業(yè)為主導(dǎo)的寬溝工業(yè)園區(qū)。2016 年12 月，被列入科技部火炬中心第二批國家火炬特色產(chǎn)業(yè)基地名單。目前，全縣共有碳化硅生產(chǎn)企業(yè)20 家，碳化硅深加工企業(yè)2 家，綠碳化硅因以石油焦為原料產(chǎn)生高排放而停止生產(chǎn)，目前碳化硅企業(yè)只生產(chǎn)黑碳化硅［黑碳化硅含SiC 約95%（w），其韌性高于綠碳化硅，大多用于玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等抗張強度低的材料；綠碳化硅含SiC 約97%（w）以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學玻璃，也用于研磨汽缸套和精磨高速鋼刀具［12］］。碳化硅生產(chǎn)具有較大經(jīng)濟效益，據(jù)統(tǒng)計，天?？h碳化硅產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)量可達30 萬t 左右，占全國產(chǎn)量的13%［13］，是全縣工業(yè)經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，該行業(yè)高能耗、高污染、高排放特征突出，冶煉每噸碳化硅電耗在6 000～8 000 kW·h，其產(chǎn)生的CO2理論值為2.2 t/t 碳化硅［14］。另外，因生產(chǎn)工藝粗放，加上河谷地形特征，垂直擴散條件不利等，大量生產(chǎn)廢氣排放帶來的生態(tài)環(huán)境問題成為制約碳化硅行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前，為了確保生態(tài)環(huán)境質(zhì)量達標，碳化硅企業(yè)實行錯峰生產(chǎn)。所以要實現(xiàn)綠色發(fā)展，突破碳化硅行業(yè)發(fā)展瓶頸勢在必行。

3 碳化硅行業(yè)發(fā)展存在的問題

3.1 大氣污染治理難度大

一是生產(chǎn)工藝特征所致。碳化硅于1891 年被美國科學家艾奇遜在進行電熔金剛石實驗時意外發(fā)現(xiàn)，隨后其研究出冶煉方法，即艾奇遜爐，原理為以碳質(zhì)材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英和碳的混合物生成碳化硅［15］。100 多年來，該方法一直沿用至今。天祝縣碳化硅企業(yè)均為直形臥式爐，采用12 500 kVA 或22 500 kVA 電阻爐，冶煉爐體為長方體，因無統(tǒng)一設(shè)計標準，爐體根據(jù)變壓器大小設(shè)計，大小不一，收集冶煉廢氣裝置需要與爐體相一致。二是需兼顧安全生產(chǎn)問題。電阻爐爐芯溫度最高可達2 600 ℃［16］，且冶煉合成過程中會伴生大量CO，H2和CH4等可燃氣體［17］。冶煉爐無法做到完全密閉狀態(tài)，收集裝置的設(shè)置需充分考慮防爆、工作人員CO 中毒等安全生產(chǎn)因素。三是河谷地形擴散條件差。天?？h碳化硅企業(yè)主要集中在寬溝工業(yè)園區(qū)，園區(qū)東西兩側(cè)為山體，地勢西南高東北低，主導(dǎo)風向為西北偏北風，污染物會自西北向東南沿河谷傳輸，導(dǎo)致縣城空氣污染嚴重。四是碳化硅行業(yè)污染防治研究較少，碳化硅的研究主要集中在產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用及性能優(yōu)化等方面。在大氣污染治理方面，王愛民［18］、田玉仙［17］分別研究了冶煉廢氣組分、尾氣回收等，劉永樂［19］、杜超［13］等分別對碳化硅園區(qū)源強及減排核算、面源大氣環(huán)境影響等進行了探討。

2019 年以前，天?？h碳化硅企業(yè)冶煉工藝廢氣無組織排放，導(dǎo)致周邊及縣城大氣污染嚴重，重污染天氣頻發(fā)。杜超［13］采用CALPUFF 模型對天?？h寬溝園區(qū)及周邊碳化硅企業(yè)全年污染排放情況進行分析，發(fā)現(xiàn)周邊敏感點主要超標因子為SO2、H2S、CO、NH3、顆粒物等，碳化硅企業(yè)對天?？h城大氣污染濃度貢獻平均值在10.04%～30.09%，單次最大貢獻值占比達到73.9%，其用數(shù)據(jù)證實了碳化硅生產(chǎn)對縣城大氣環(huán)境的顯著影響?；诟纳拼髿猸h(huán)境質(zhì)量目標要求，天?？h積極推動碳化硅企業(yè)開展技術(shù)改造，采用半封閉式房式操作，對冶煉廢氣采用半密閉收集裝置進行收集，并配備除塵設(shè)備，將廢氣由無組織排放改為有組織排放。王宏亮［20］等對技術(shù)改造后無煙煤冶煉碳化硅廢氣排放規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，技改后煙氣收集率可達73%。常規(guī)污染因子SO2、NO、顆粒物日排放量變化規(guī)律與冶煉溫度存在趨同性，并在恒溫階段（高溫段）最高，分別達439.00，59.04，38.81 kg/d。2022 年，天?？h空氣環(huán)境質(zhì)量6 項污染物平均濃度同比“四升一降一平”。其中，PM10平均濃度為59 μg/m3，同比下降1.7%；PM2.5平均濃度為27 μg/m3，同比持平；SO2平均濃度為39 μg/m3，同比上升21.9%；NO2平均濃度為23 μg/m3，同比上升4.5%；CO 日平均第95 百分位濃度值為2.3 mg/m3，同比上升76.9%；O3日最大8 小時滑動平均第90 百分位濃度值為134 mg/m3，同比上升0.8%。2022 年，天?？h的空氣優(yōu)良天數(shù)為310 d，同比減少19 d，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善形勢依然嚴峻。

3.2 行業(yè)排放標準尚不明確

天?？h現(xiàn)有碳化硅生產(chǎn)項目均為2010 年前審批，污染物排放主要為冶煉爐煙氣和廠區(qū)無組織粉塵，外排煙（粉）塵、SO2和CO 濃度執(zhí)行GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物綜合排放標準》表3 中無組織排放標準限值要求；廠區(qū)無組織粉塵執(zhí)行GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》排放限值要求，執(zhí)行的排放濃度較寬松，約束力弱。推行排污許可制后，生態(tài)環(huán)境部門根據(jù)《國民經(jīng)濟行業(yè)分類注釋》無機鹽制造業(yè)定義及《無機化學污染物排放標準》中該標準特指無機化合物制造工業(yè)包括硅化合物及硅酸鹽工業(yè)等規(guī)定，向碳化硅企業(yè)核發(fā)排污許可證，行業(yè)類型無機鹽制造業(yè)執(zhí)行《無機化學污染物排放標準》，出現(xiàn)了環(huán)評批復(fù)與排污許可證要求不一致的情形。另外，《無機化學污染物排放標準》中大氣污染物控制項目為25 項，并無CO。劉永樂等［19］利用CALPUFF 模型模擬核算，年產(chǎn)25 萬t 時，碳化硅企業(yè)排放源強無組織SO2，NOX，CO，PM10年排放量分別為449.06，86.98，5 158.58，115.06 t，其中，CO 的排放量最大，而排污許可證對排放量最大的CO 等因子沒有進行約束，碳化硅是碳排放重點行業(yè)，對CO 不加管控則不利于減污降碳目標任務(wù)的完成。

3.3 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)單一

目前，天?？h碳化硅生產(chǎn)企業(yè)總計20 家，規(guī)模以上企業(yè)僅有12 家，其余為規(guī)模以下企業(yè)。所有碳化硅企業(yè)總設(shè)計產(chǎn)能為114 萬t，已建成生產(chǎn)線產(chǎn)能40 萬t，存在31 條生產(chǎn)線，產(chǎn)品黑碳化硅塊或微粉技術(shù)含量較低，位于產(chǎn)業(yè)鏈最前端。碳化硅生產(chǎn)企業(yè)普遍對產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)意愿不高，專業(yè)技術(shù)工人匱乏，無專門的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗部門，通常只用一兩臺簡易的理化指標檢測儀器進行常規(guī)測定。另外，全縣僅有1 家企業(yè)以碳化硅與硅粉黏合物在高純氮氣中燒結(jié)生產(chǎn)氮化硅制品，屬于碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈延伸企業(yè)。碳化硅行業(yè)缺乏碳化硅段砂、微粉、細粉加工生產(chǎn)及碳化硅制品、耐火材料、功能陶瓷等項目，需要延伸產(chǎn)業(yè)鏈，向深加工、高附加值的碳化硅制品發(fā)展。

4 促進碳化硅行業(yè)發(fā)展的建議

4.1 加強工藝優(yōu)化與污染防治的研究

針對碳化硅工藝，國內(nèi)外已有相關(guān)研究，包括通過改造爐體、調(diào)整供電工藝及裝爐工藝等來實現(xiàn)節(jié)能降耗。1998 年，王曉剛等［21-22］對傳統(tǒng)艾奇遜爐進行改造，發(fā)明了多熱源碳化硅冶煉技術(shù)，以多熱源代替?zhèn)鹘y(tǒng)單熱源，爐芯間采用多套電極和多套變電系統(tǒng)供電，有效利用熱能，具有爐內(nèi)溫度梯度小、傳熱快、溫度場均勻、保溫性能好、熱效率高等特點。經(jīng)實驗室小試、中試和大型工業(yè)化試驗，現(xiàn)已在青海、寧夏、福建、新疆等地投入生產(chǎn)。工業(yè)試驗表明，采用多熱源多向流碳化硅冶煉新技術(shù)可達到明顯節(jié)能降耗提質(zhì)效果。以三熱源為例，單爐產(chǎn)量提高48.1%，特、一級品率提高30%，節(jié)能10%以上。建議推廣使用多熱源碳化硅冶煉新技術(shù)來實現(xiàn)增產(chǎn)降耗提質(zhì)效果。

建議借助實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標的契機，基于冶煉工藝特征污染物種類及排放規(guī)律，加強碳化硅行業(yè)的節(jié)能提質(zhì)、脫硫除塵、CO 捕集等方面的研究和成果應(yīng)用，特別是碳捕集率的收集裝置優(yōu)化方面，目前該行業(yè)碳捕集等相關(guān)文獻資料極少。建議企業(yè)建立冶煉爐CO 尾氣回收系統(tǒng)，將其收集并合理利用，如利用CO 轉(zhuǎn)化為甲醇進而生產(chǎn)出潔凈的燃料二乙醚，既可以提高碳化硅行業(yè)經(jīng)濟效益，同時也實現(xiàn)了環(huán)境治理、資源再利用。另外，鼓勵支持企業(yè)加強自動化控制的應(yīng)用，在原料破碎、配料混料、扒爐過程中采用機械化方式，通過科學利用變頻控制風機風量和吸收液流速，控制不同冶煉時期的污染物濃度，以實現(xiàn)減污降碳的目標。

4.2 建立碳化硅行業(yè)排放及技術(shù)標準

建議制定碳化硅行業(yè)排放標準，在無組織排放方面，明確各環(huán)節(jié)污染物管控要求，加強生產(chǎn)原料的儲存、轉(zhuǎn)移和輸送等環(huán)節(jié)無組織排放的控制，實現(xiàn)對所有重點產(chǎn)排污環(huán)節(jié)的全覆蓋。有組織排放方面，增加冶煉爐廢氣基準含氧量等參數(shù)要求，明確脫硫脫硝設(shè)施氨逃逸限值，將各個產(chǎn)排污環(huán)節(jié)納入管控，突出特征污染物收集和處理效率，分步驟分時序逐步實施減污降碳技術(shù)改造。建議完善碳化硅行業(yè)排污許可技術(shù)體系，碳化硅行業(yè)作為碳排放重點行業(yè)，需進一步明確生產(chǎn)原料要求。天?？h大部分碳化硅企業(yè)建廠早，環(huán)評報告表中均允許其使用石油焦，且未對石油焦標準提出要求。后期在碳化硅企業(yè)辦理環(huán)評手續(xù)時，均明確要求禁止使用石油焦或者高硫煤，但是缺乏相應(yīng)依據(jù)。另外，為實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)源頭、生產(chǎn)過程直至成品的全周期環(huán)境管理，亟須出臺碳化硅行業(yè)減污降碳協(xié)同治理技術(shù)指南，以實現(xiàn)強化源頭控制和過程管控。同時，也為企業(yè)進行煙氣回收改造、余熱發(fā)電、減污降碳技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

4.3 積極拓展碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

碳化硅生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模多數(shù)比較小且分散，碳化硅行業(yè)要加快發(fā)展，在規(guī)模上必須進行兼并、重組、收購才能形成強勢。鼓勵碳化硅企業(yè)實施整合重組，依托自身已有的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和體量優(yōu)勢，向融合火力發(fā)電、碳化硅冶煉、碳化硅微粉、陶瓷耐火材料、碳化硅纖維等多種產(chǎn)品生產(chǎn)于一體的綜合型現(xiàn)代化碳化硅企業(yè)發(fā)展。地方政府加強政策扶持以及加大研發(fā)人才、經(jīng)費的投入力度，搭建橋梁，讓企業(yè)與科研院所展開合作，建立高校、企業(yè)、市場間“產(chǎn)學研用”四位一體合作模式，研發(fā)生產(chǎn)碳化硅高端技術(shù)陶瓷、碳化硅纖維等，推動產(chǎn)品從低端向高端邁進，進一步提升天祝縣碳化硅產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)水平和產(chǎn)值。鼓勵現(xiàn)有碳化硅企業(yè)建設(shè)碳化硅段砂、微粉、細粉加工項目，引進碳化硅制品、功能陶瓷、碳化硅纖維等產(chǎn)業(yè)，通過產(chǎn)業(yè)鏈補鏈延鏈，增強生產(chǎn)競爭力，打造天?？h碳化硅品牌，使市域資源優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢得到進一步優(yōu)化。

5 結(jié)論

碳化硅行業(yè)需加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，綠色化、低碳化是其高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工藝技術(shù)方面，需要不斷探索節(jié)能降耗與減污降碳的生產(chǎn)工藝、技術(shù)和配套環(huán)保設(shè)施，加強廢水、廢氣、固廢的治理并推廣應(yīng)用新技術(shù)，實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效。在標準法規(guī)方面，需建立碳化硅行業(yè)污染物排放標準、排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范、減污降碳協(xié)同治理可行技術(shù)指南，從而加強從產(chǎn)品生產(chǎn)源頭、生產(chǎn)過程直至成品的全周期環(huán)境管理，為企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。在產(chǎn)業(yè)鏈拓展方面，政府應(yīng)深入挖掘產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和補齊短板，立足自然資源稟賦和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，促進碳化硅產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，不斷推動地區(qū)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。