云南省工业硅产业分析及发展建议

梅向阳，杨逢乐，王仁敏，刘群星，陈 潇

(云南省生态环境工程评估中心,云南 昆明 650032)

1 工业硅产能概况

1.1 全国工业硅产能概况

根据上海有色金属网统计,2021年全球工业硅产能662万吨,其中我国工业硅产能529万吨,占全球产能高达79.91%,全球工业硅总产量为377万吨,其中中国产量达291万吨,占比达77%[1]。根据中国有色金属工业协会硅业分会的统计,2016～2020年全球工业硅的产量呈现倒V态势。2020年全球工业硅产量为303万吨,中国具备资源优势和低成本优势,工业硅产量集中在中国。2020年中国工业硅产量210万吨,约占全球产量的69.3%,居世界第一,巴西工业硅产量位列第二占比达7.3%,再次是挪威及美国[2]。

工业硅是资源性、高耗能、高污染冶金行业,电力成本占工业硅生产成本比例较高,生产1 t工业硅消耗大约10,000～13,000度电,电力成本在总生产成本中占比高达30%～40%,碳质还原剂占工业硅生产成本的25%～30%[3],新疆的煤炭、电力、石墨电极等原材料的价格优势以及云南省资源和水电优势使其成为工业硅产能集中地,同时两地又拥有丰富的高品位硅石资源,因此传统工业硅大省湖南、贵州等地受到淘汰落后产能政策以及电价的不断上调影响,很多企业纷纷退出市场,逐步向拥有廉价电力资源的西北和西南地区转移[4],2009～2019年我国工业硅地区产量见表1。2020年新疆和云南产能占国内比重分别为35.3%和23.9%,产量占比分别为41.9%和21.4%,是国内最重要的工业硅生产基地[5]。

表1 2009～2019年我国工业硅分地区产量表万吨[4]

污染防治作为决胜全面建成小康社会的三大攻坚战之一,《大气污染防治行动计划》于2017年实施,国家加快调整能源结构,煤电工业硅产业模式的发展空间进一步受到了压缩,构建水电硅产业模式符合工业硅行业绿色、环保、低成本、可持续的发展规律和发展方向,也是今后我国工业硅实现产业结构优化转型升级和可持续发展的必由之路。

1.2 云南省工业硅产能概况

全省工业硅产能总量控制在130万吨[5-6],加上开展前期工作的自有下游消纳产能昭通龙海硅基80万吨工业硅,省内年产能将达到210万吨,重点布局在德宏、保山、怒江、临沧、昭通等州市。

工业硅的下游应用广泛,主要应用领域有机硅、铝合金、多晶硅。据统计,2020年工业硅在有机硅、合金、多晶硅三大领域的消费占比分别为41.8%、34.1%、21.2%。云南省能源资源得天独厚,可开发的水能、地热、太阳能等绿色能源资源居全国第二,其中水电可开发装机容量占全国可开发水电装机容量的25%左右,为改变清洁能源资源丰富、载能产业弱小的局面,加快能源优势向产业优势转化,云南省委、省政府旗帜鲜明地提出了打造世界一流“绿色能源牌”的目标[7],实施产业基础再造工程,制定产业链补链强链计划,利用绿色能源优势引领绿色硅等先进制造业和高新技术产业发展,打造绿色硅精深加工产业基地,建设工业硅的下游产业,逐步发展硅光伏和硅电子全产业链,积极推进硅化工产业,最终实现水电硅材加工一体化发展。

2 云南省水电硅产业环境现状

云南省在推动水电硅材一体化发展中,高度重视生态环境保护,在产业布局、清洁生产、污染治理、环境监管等方面均严格要求,推动水电硅绿色、低碳、可持续发展。将立足生态环境保护的各项要求,在工艺设备升级、资源能源消耗、污染物产排多个方面逐步向生产单位提出要求,进一步实现产业革新。

2.1 主体设备矿热炉

云南省工业硅电炉全部为矮烟罩半封闭型或全密闭型,工业硅生产原料的贮存应采用封闭料场,配料和上料采用自动化控制操作系统,配套机械化加料或加料捣炉机操作系统,鼓励研发和推广应用精料入炉技术,原料处理、除尘系统计算机智能自动化操作和控制系统,加快推广木炭替代还原剂和工业硅炉余热利用系统。据统计,全省共有工业硅建成企业71户,矿热炉161台,6300 kVA矿热炉10台于2018年底淘汰,8000 kVA矿热炉2台,其余均为12,500 kVA及以上,20,000 kVA以上的矿热炉11台,产能103.6万吨,全省共有在建拟建工业硅项目的9个项目新增产能36.6万吨[8]。

2.2 资源及能源消耗水平

根据云南省工信厅发布的数据及项目环评资料,云南省工业硅项目主要资源及能源消耗水平见表2。

表2 云南省水电铝项目主要资源及能源消耗水平

现有的政策规定和相关专家认为,云南省应禁止或限制使用木炭(再生炭除外)做还原剂[9],并依法依规关停布局不合理、资源能源消耗高、环保措施不到位、安全质量不达标和木质碳消耗多的生产装备[10]。按照省政府要求,新改扩建采用的还原剂将替换为石油焦(或半焦)以及木质疏松剂(包括玉米芯、甘蔗渣、稻壳、核桃壳及椰子壳)的组合。目前,大部分企业采用石油焦(或半焦)以及木质疏松剂(包括甘蔗渣、稻壳、玉米芯、核桃壳及椰子壳)的组合作为还原剂。

据项目环评统计,2015年以后审批新建工业硅项目极少,且对新建的水电硅项目清洁生产提出了严格要求,如2022年云南合盛硅业有限公司水电硅循环经济项目石油焦耗量0.4 t/t-Si、木质疏松剂耗量0.515 t/t-Si、硅石消耗2.7 t/t-Si、电耗10,953.77 kWh/t-Si、综合能耗2493.40 kg标准煤/t-Si。

2.3 冶炼烟气净化及排放

工业硅烟气除尘系统一般分为负压除尘系统和正压除尘系统,负压除尘系统除尘器设置在引风机之前,除尘器和管道处于引风机的负压段,容易吸入空气产生漏风,负压系统的漏风率为5%～10%,加大了引风机的风量,增加了电耗,但由于烟气经过除尘后再进入风机,对风机的磨损大大降低,运行寿命延长。另外,负压除尘烟气通过引风机后可集中收集,烟气后续可以增加脱硫系统;正压除尘系统,除尘器设置在通风机之后,通过通风机的烟气含尘浓度高,通风机容易磨损,但漏风率小,除尘器围护结构简单,通常烟气经布袋后通过百叶窗无组织排放,如果不作改造无法增设烟气脱硫设施。目前,省内工业硅企业的电炉烟气多采用正压除尘方式,烟气中的二氧化硫无法收集处理,且烟气中氮氧化物及烟尘量大。

由于工业硅生产使用木炭作为还原剂破坏森林资源,还原剂主要利用石油焦或者煤,石油焦一般含硫较高且波动较大(1.5%～8%),石油焦的使用将使工业硅冶炼烟气中二氧化硫产生量急剧增加,减排压力十分巨大,须对烟气采取脱硫措施。增加脱硫措施必然要求对正压除尘系统进行改造,烟气除尘后增加脱硫塔,以使用石油焦作为主要还原剂的某公司为例,二氧化硫产生系数为70.44 kg/t工业硅,按照产能130万吨计算,二氧化硫的年产生量为9.16万吨。增加脱硫措施后,脱硫效率90%,二氧化硫排放系数为7.044 kg/t工业硅,130万吨工业硅年排放二氧化硫量为0.916万吨,二氧化硫排放量将大大降低,与采用木炭作为还原剂相比变化不大,但进行烟气脱硫将大大增加生产成本。另外,《铁合金、电解金属锰行业规范条件》要求铁合金生产企业安装在线监测装置,并与环境保护主管部门联网,因此,省内工业硅生产企业纷纷启动对除尘系统进行改造并增加脱硫设施的工作,严格烟气污染物排放管理,满足环境质量改善和总量控制的要求。

工业硅冶炼烟气脱硝也是一项重要的工作,根据目前几个厂的实测值,NOx的排放浓度在100～200 mg/m3[11]。按照产能130万吨计算,氮氧化物的年产生量为1.456万吨,工业硅生产氮氧化物的排放量也较大,其减排潜力较大。由于工业硅烟气中微硅粉较易堵塞催化剂和脱硝温度等条件要求,常规的脱硝方法SNCR和SCR不适用于工业硅烟气脱硝,低尘SCR脱硝和臭氧氧化脱硝可能是较为可行的技术路线,但据了解目前工业硅脱硝国内还未见相关报道,其技术正在研究之中。

2.4 固体废物产生及处置情况

工业硅生产过程中主要工业固废为收尘的微硅粉、电炉硅渣及脱硫渣,产生量一般约为370 kg/t工业硅、200 kg/t工业硅和140kg/t工业硅。由此可见固废的产生量较大,目前微硅粉处置途径一般为出售给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与渗透性大大降低,给强度和耐久性带来明显改善,显著提高混凝土的抗冲磨、抗侵蚀、抗渗、抗冻等性能[12]。电炉硅渣由于含硅较高,用于钢铁冶炼过程中的脱氧剂、脱硫剂等,脱硫渣处置途径一般为出售给水泥企业作为原料利用。

2.5 防护距离

早期受《铁合金行业准入条件(2008年修订)》的要求限制[13],要求工业硅厂以厂界周围1 km范围设置防护距离,该范围内不得有人群居住。随着铁合金行业准入条件的修订,取消了1 km防护距离的要求,防护距离由环境影响评价结论确定。自2016年起,因受工业硅冶炼烟气中颗粒物、二氧化硫及氮氧化物的影响,工业硅企业厂外环境空气可能会存在污染物超标的情况,根据工业硅厂总图布置及区域气象条件等因素计算防护距离,我省各工业硅厂基本以冶炼车间外设置不低于300 m的防护距离,对防护距离内的居民点全部进行搬迁,以最大程度的降低工业硅厂生产对人群的影响。

2.6 物料运输

当前,云南省硅矿资源较丰富,工业硅企业一般分布在资源丰富地区,工业硅企业厂外大宗物料运输主要以公路运输为主,辅以铁路运输,运输过程主要通过封闭运输控制无组织扬尘。《环境影响评价技术导则大气环境》(HJ2.2-2018)要求各建设项目环评报告编制过程中,分析调查受项目物料及产品运输影响新增的交通运输移动源,包括运输方式、新增交通流量、排放污染物及排放量[14]。

3 云南省工业硅产业发展的思考及建议

优布局：工业硅项目必须进入合规园区。按《铁合金、电解金属锰行业规范条件》及《云南省推动长江经济带发展领导小组办公室关于印发<云南省长江经济带发展负面清单指南实施细则(试行)>的通知》(云发改基础〔2019〕 924号)的要求,禁止在合规园区外新建、扩建工业硅冶炼项目。根据工业硅企业主要分布于德宏、保山、怒江、临沧、昭通等州市的现状、硅矿资源及水电资源的分布,工业硅实现产能等量置换的基础上,仍将布局于这些州市,但应迁建于目前保留的具有冶金产业定位的工业园区内。同时,由于工业硅属于废气污染型产业,在选址时应尽量避开云南省“三线一单”研究报告中确定的弱扩散区、大气环境布局敏感区和居民集中区域。

调结构和控规模：推动绿色制造强省建设,打造绿色硅精深加工基地,大力发展硅下游产业,鼓励硅光伏、硅电子和硅化工,严格工业硅实现产能等量置换限制工业硅规模扩大[15]。从我省硅产业的实际情况看,目前仍大量集中在生态破坏和环境污染较重的工业硅生产,也就是原材料加工阶段,下游的硅光伏已逐步布局发展,但硅电子和硅化工等下游深加工产品仍缺乏。从环境保护方面来看,建议调整工业硅的辅料结构,减少木质炭的使用,大力发展下游环境污染较轻的硅光伏和硅电子产业。

严格污染物排放坚守环境保护底线：提升清洁生产水平,进一步推行工业硅冶炼废气的负压除尘改造,增设烟气脱硫设施,积极探索有效可行的脱硝措施,严格按照国家和行业标准、污染物总量控制指标、区域环境质量改善要求等采取最优的污染控制手段,确定各产业的污染物排放水平,减轻对大气环境的污染,确保环境质量持续改善。

防风险：通过严把环境准入关、强化源头控制、加强污染治理措施及环境管理等措施,严格停炉和开炉期间环保管理,减少非正常工况发生次数和时间,防止事故情况发生,最大程度降低工业硅项目运行可能带来的环境风险及社会风险。