碳化硅行業發展及減污降碳對策研究
——以天祝縣碳化硅產業為例

鄧萬蓉

（1.武威市生態環境局，甘肅 武威 733000；2.武威市環境應急與事故調查中心，甘肅 武威 733000）

1 引言

碳化硅是一種典型的共價鍵結構化合物，四面體結構，具有極強的共價鍵，在自然界存在很少，絕大多數為人工合成。自發現以來，因其具有耐磨削、耐高溫、耐腐蝕、高熱導率、高化學穩定性、寬帶隙以及高電子遷移率等諸多優異性能［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域［3］。隨著技術發展，碳化硅在航空航天、電催化、電子器件（特別是芯片、半導體、光伏組件、新能源汽車組件）、納米材料等［4-9］高端領域的應用潛力被發掘，并發揮日益重要的作用，另外，碳化硅作為環境凈化材料的良好性能已被研究并應用［10-11］，碳化硅需求量不斷增加，市場前景廣闊，行業發展潛力大。

在生態文明建設和推動高質量發展背景及減污降碳目標任務下，碳化硅產業要實現高質量發展，面臨綠色轉型升級的重大挑戰和機遇。本文以武威市天祝縣碳化硅產業為例，通過現狀分析，探討碳化硅行業綠色發展、減污降碳的對策。

2 天祝縣碳化硅行業發展情況

天祝縣地處河西走廊東端，屬青藏高原東北邊緣，在祁連山中段地區，擁有豐富的生產碳化硅的原料——石英巖資源。2009 年以來，天祝縣充分發揮資源優勢，著力發展壯大碳化硅產業，建立了以碳化硅行業為主導的寬溝工業園區。2016 年12 月，被列入科技部火炬中心第二批國家火炬特色產業基地名單。目前，全縣共有碳化硅生產企業20 家，碳化硅深加工企業2 家，綠碳化硅因以石油焦為原料產生高排放而停止生產，目前碳化硅企業只生產黑碳化硅［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］］。碳化硅生產具有較大經濟效益，據統計，天祝縣碳化硅產業年產量可達30 萬t 左右，占全國產量的13%［13］，是全縣工業經濟的支柱產業。但是，該行業高能耗、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，其產生的CO2理論值為2.2 t/t 碳化硅［14］。另外，因生產工藝粗放，加上河谷地形特征，垂直擴散條件不利等，大量生產廢氣排放帶來的生態環境問題成為制約碳化硅行業發展的關鍵因素。目前，為了確保生態環境質量達標，碳化硅企業實行錯峰生產。所以要實現綠色發展，突破碳化硅行業發展瓶頸勢在必行。

3 碳化硅行業發展存在的問題

3.1 大氣污染治理難度大

一是生產工藝特征所致。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現，隨后其研究出冶煉方法，即艾奇遜爐，原理為以碳質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，因無統一設計標準，爐體根據變壓器大小設計，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，收集裝置的設置需充分考慮防爆、工作人員CO 中毒等安全生產因素。三是河谷地形擴散條件差。天祝縣碳化硅企業主要集中在寬溝工業園區，園區東西兩側為山體，地勢西南高東北低，主導風向為西北偏北風，污染物會自西北向東南沿河谷傳輸，導致縣城空氣污染嚴重。四是碳化硅行業污染防治研究較少，碳化硅的研究主要集中在產品開發應用及性能優化等方面。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源強及減排核算、面源大氣環境影響等進行了探討。

2019 年以前，天祝縣碳化硅企業冶煉工藝廢氣無組織排放，導致周邊及縣城大氣污染嚴重，重污染天氣頻發。杜超［13］采用CALPUFF 模型對天祝縣寬溝園區及周邊碳化硅企業全年污染排放情況進行分析，發現周邊敏感點主要超標因子為SO2、H2S、CO、NH3、顆粒物等，碳化硅企業對天祝縣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%，其用數據證實了碳化硅生產對縣城大氣環境的顯著影響。基于改善大氣環境質量目標要求，天祝縣積極推動碳化硅企業開展技術改造，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］等對技術改造后無煙煤冶煉碳化硅廢氣排放規律的研究發現，技改后煙氣收集率可達73%。常規污染因子SO2、NO、顆粒物日排放量變化規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，天祝縣空氣環境質量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，天祝縣的空氣優良天數為310 d，同比減少19 d，生態環境質量改善形勢依然嚴峻。

3.2 行業排放標準尚不明確

天祝縣現有碳化硅生產項目均為2010 年前審批，污染物排放主要為冶煉爐煙氣和廠區無組織粉塵，外排煙（粉）塵、SO2和CO 濃度執行GB 9078—1996《工業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；廠區無組織粉塵執行GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》排放限值要求，執行的排放濃度較寬松，約束力弱。推行排污許可制后，生態環境部門根據《國民經濟行業分類注釋》無機鹽制造業定義及《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包括硅化合物及硅酸鹽工業等規定，向碳化硅企業核發排污許可證，行業類型無機鹽制造業執行《無機化學污染物排放標準》，出現了環評批復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25 萬t 時，碳化硅企業排放源強無組織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，對CO 不加管控則不利于減污降碳目標任務的完成。

3.3 碳化硅產業鏈結構單一

目前，天祝縣碳化硅生產企業總計20 家，規模以上企業僅有12 家，其余為規模以下企業。所有碳化硅企業總設計產能為114 萬t，已建成生產線產能40 萬t，存在31 條生產線，產品黑碳化硅塊或微粉技術含量較低，位于產業鏈最前端。碳化硅生產企業普遍對產品的創新研發意愿不高，專業技術工人匱乏，無專門的產品質量檢驗部門，通常只用一兩臺簡易的理化指標檢測儀器進行常規測定。另外，全縣僅有1 家企業以碳化硅與硅粉黏合物在高純氮氣中燒結生產氮化硅制品，屬于碳化硅產業鏈延伸企業。碳化硅行業缺乏碳化硅段砂、微粉、細粉加工生產及碳化硅制品、耐火材料、功能陶瓷等項目，需要延伸產業鏈，向深加工、高附加值的碳化硅制品發展。

4 促進碳化硅行業發展的建議

4.1 加強工藝優化與污染防治的研究

針對碳化硅工藝，國內外已有相關研究，包括通過改造爐體、調整供電工藝及裝爐工藝等來實現節能降耗。1998 年，王曉剛等［21-22］對傳統艾奇遜爐進行改造，發明了多熱源碳化硅冶煉技術，以多熱源代替傳統單熱源，爐芯間采用多套電極和多套變電系統供電，有效利用熱能，具有爐內溫度梯度小、傳熱快、溫度場均勻、保溫性能好、熱效率高等特點。經實驗室小試、中試和大型工業化試驗，現已在青海、寧夏、福建、新疆等地投入生產。工業試驗表明，采用多熱源多向流碳化硅冶煉新技術可達到明顯節能降耗提質效果。以三熱源為例，單爐產量提高48.1%，特、一級品率提高30%，節能10%以上。建議推廣使用多熱源碳化硅冶煉新技術來實現增產降耗提質效果。

建議借助實現“雙碳”戰略目標的契機，基于冶煉工藝特征污染物種類及排放規律，加強碳化硅行業的節能提質、脫硫除塵、CO 捕集等方面的研究和成果應用，特別是碳捕集率的收集裝置優化方面，目前該行業碳捕集等相關文獻資料極少。建議企業建立冶煉爐CO 尾氣回收系統，將其收集并合理利用，如利用CO 轉化為甲醇進而生產出潔凈的燃料二乙醚，既可以提高碳化硅行業經濟效益，同時也實現了環境治理、資源再利用。另外，鼓勵支持企業加強自動化控制的應用，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，以實現減污降碳的目標。

4.2 建立碳化硅行業排放及技術標準

建議制定碳化硅行業排放標準，在無組織排放方面，明確各環節污染物管控要求，加強生產原料的儲存、轉移和輸送等環節無組織排放的控制，實現對所有重點產排污環節的全覆蓋。有組織排放方面，增加冶煉爐廢氣基準含氧量等參數要求，明確脫硫脫硝設施氨逃逸限值，將各個產排污環節納入管控，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改造。建議完善碳化硅行業排污許可技術體系，碳化硅行業作為碳排放重點行業，需進一步明確生產原料要求。天祝縣大部分碳化硅企業建廠早，環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。后期在碳化硅企業辦理環評手續時，均明確要求禁止使用石油焦或者高硫煤，但是缺乏相應依據。另外，為實現產品生產源頭、生產過程直至成品的全周期環境管理，亟須出臺碳化硅行業減污降碳協同治理技術指南，以實現強化源頭控制和過程管控。同時，也為企業進行煙氣回收改造、余熱發電、減污降碳技術應用提供技術支撐。

4.3 積極拓展碳化硅產業鏈

碳化硅生產企業規模多數比較小且分散，碳化硅行業要加快發展，在規模上必須進行兼并、重組、收購才能形成強勢。鼓勵碳化硅企業實施整合重組，依托自身已有的產業基礎和體量優勢，向融合火力發電、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品生產于一體的綜合型現代化碳化硅企業發展。地方政府加強政策扶持以及加大研發人才、經費的投入力度，搭建橋梁，讓企業與科研院所展開合作，建立高校、企業、市場間“產學研用”四位一體合作模式，研發生產碳化硅高端技術陶瓷、碳化硅纖維等，推動產品從低端向高端邁進，進一步提升天祝縣碳化硅產業的產品技術水平和產值。鼓勵現有碳化硅企業建設碳化硅段砂、微粉、細粉加工項目，引進碳化硅制品、功能陶瓷、碳化硅纖維等產業，通過產業鏈補鏈延鏈，增強生產競爭力，打造天祝縣碳化硅品牌，使市域資源優勢和區位優勢得到進一步優化。

5 結論

碳化硅行業需加快發展方式綠色轉型，綠色化、低碳化是其高質量發展的關鍵環節。工藝技術方面，需要不斷探索節能降耗與減污降碳的生產工藝、技術和配套環保設施，加強廢水、廢氣、固廢的治理并推廣應用新技術，實現減污降碳協同增效。在標準法規方面，需建立碳化硅行業污染物排放標準、排污許可證申請與核發技術規范、減污降碳協同治理可行技術指南，從而加強從產品生產源頭、生產過程直至成品的全周期環境管理，為企業綠色轉型提供技術支撐。在產業鏈拓展方面，政府應深入挖掘產業發展需求和補齊短板，立足自然資源稟賦和產業優勢，優化產業布局，促進碳化硅產業健康發展，不斷推動地區經濟高質量發展。