碳化硅行业发展及减污降碳对策研究
——以天祝县碳化硅产业为例

邓万蓉

（1.武威市生态环境局，甘肃 武威 733000；2.武威市环境应急与事故调查中心，甘肃 武威 733000）

1 引言

碳化硅是一种典型的共价键结构化合物，四面体结构，具有极强的共价键，在自然界存在很少，绝大多数为人工合成。自发现以来，因其具有耐磨削、耐高温、耐腐蚀、高热导率、高化学稳定性、宽带隙以及高电子迁移率等诸多优异性能［1-2］，被广泛用于磨料磨具、冶金原料、耐火材料和功能陶瓷四大领域［3］。随着技术发展，碳化硅在航空航天、电催化、电子器件（特别是芯片、半导体、光伏组件、新能源汽车组件）、纳米材料等［4-9］高端领域的应用潜力被发掘，并发挥日益重要的作用，另外，碳化硅作为环境净化材料的良好性能已被研究并应用［10-11］，碳化硅需求量不断增加，市场前景广阔，行业发展潜力大。

在生态文明建设和推动高质量发展背景及减污降碳目标任务下，碳化硅产业要实现高质量发展，面临绿色转型升级的重大挑战和机遇。本文以武威市天祝县碳化硅产业为例，通过现状分析，探讨碳化硅行业绿色发展、减污降碳的对策。

2 天祝县碳化硅行业发展情况

天祝县地处河西走廊东端，属青藏高原东北边缘，在祁连山中段地区，拥有丰富的生产碳化硅的原料——石英岩资源。2009 年以来，天祝县充分发挥资源优势，着力发展壮大碳化硅产业，建立了以碳化硅行业为主导的宽沟工业园区。2016 年12 月，被列入科技部火炬中心第二批国家火炬特色产业基地名单。目前，全县共有碳化硅生产企业20 家，碳化硅深加工企业2 家，绿碳化硅因以石油焦为原料产生高排放而停止生产，目前碳化硅企业只生产黑碳化硅［黑碳化硅含SiC 约95%（w），其韧性高于绿碳化硅，大多用于玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等抗张强度低的材料；绿碳化硅含SiC 约97%（w）以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于研磨汽缸套和精磨高速钢刀具［12］］。碳化硅生产具有较大经济效益，据统计，天祝县碳化硅产业年产量可达30 万t 左右，占全国产量的13%［13］，是全县工业经济的支柱产业。但是，该行业高能耗、高污染、高排放特征突出，冶炼每吨碳化硅电耗在6 000～8 000 kW·h，其产生的CO2理论值为2.2 t/t 碳化硅［14］。另外，因生产工艺粗放，加上河谷地形特征，垂直扩散条件不利等，大量生产废气排放带来的生态环境问题成为制约碳化硅行业发展的关键因素。目前，为了确保生态环境质量达标，碳化硅企业实行错峰生产。所以要实现绿色发展，突破碳化硅行业发展瓶颈势在必行。

3 碳化硅行业发展存在的问题

3.1 大气污染治理难度大

一是生产工艺特征所致。碳化硅于1891 年被美国科学家艾奇逊在进行电熔金刚石实验时意外发现，随后其研究出冶炼方法，即艾奇逊炉，原理为以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英和碳的混合物生成碳化硅［15］。100 多年来，该方法一直沿用至今。天祝县碳化硅企业均为直形卧式炉，采用12 500 kVA 或22 500 kVA 电阻炉，冶炼炉体为长方体，因无统一设计标准，炉体根据变压器大小设计，大小不一，收集冶炼废气装置需要与炉体相一致。二是需兼顾安全生产问题。电阻炉炉芯温度最高可达2 600 ℃［16］，且冶炼合成过程中会伴生大量CO，H2和CH4等可燃气体［17］。冶炼炉无法做到完全密闭状态，收集装置的设置需充分考虑防爆、工作人员CO 中毒等安全生产因素。三是河谷地形扩散条件差。天祝县碳化硅企业主要集中在宽沟工业园区，园区东西两侧为山体，地势西南高东北低，主导风向为西北偏北风，污染物会自西北向东南沿河谷传输，导致县城空气污染严重。四是碳化硅行业污染防治研究较少，碳化硅的研究主要集中在产品开发应用及性能优化等方面。在大气污染治理方面，王爱民［18］、田玉仙［17］分别研究了冶炼废气组分、尾气回收等，刘永乐［19］、杜超［13］等分别对碳化硅园区源强及减排核算、面源大气环境影响等进行了探讨。

2019 年以前，天祝县碳化硅企业冶炼工艺废气无组织排放，导致周边及县城大气污染严重，重污染天气频发。杜超［13］采用CALPUFF 模型对天祝县宽沟园区及周边碳化硅企业全年污染排放情况进行分析，发现周边敏感点主要超标因子为SO2、H2S、CO、NH3、颗粒物等，碳化硅企业对天祝县城大气污染浓度贡献平均值在10.04%～30.09%，单次最大贡献值占比达到73.9%，其用数据证实了碳化硅生产对县城大气环境的显著影响。基于改善大气环境质量目标要求，天祝县积极推动碳化硅企业开展技术改造，采用半封闭式房式操作，对冶炼废气采用半密闭收集装置进行收集，并配备除尘设备，将废气由无组织排放改为有组织排放。王宏亮［20］等对技术改造后无烟煤冶炼碳化硅废气排放规律的研究发现，技改后烟气收集率可达73%。常规污染因子SO2、NO、颗粒物日排放量变化规律与冶炼温度存在趋同性，并在恒温阶段（高温段）最高，分别达439.00，59.04，38.81 kg/d。2022 年，天祝县空气环境质量6 项污染物平均浓度同比“四升一降一平”。其中，PM10平均浓度为59 μg/m3，同比下降1.7%；PM2.5平均浓度为27 μg/m3，同比持平；SO2平均浓度为39 μg/m3，同比上升21.9%；NO2平均浓度为23 μg/m3，同比上升4.5%；CO 日平均第95 百分位浓度值为2.3 mg/m3，同比上升76.9%；O3日最大8 小时滑动平均第90 百分位浓度值为134 mg/m3，同比上升0.8%。2022 年，天祝县的空气优良天数为310 d，同比减少19 d，生态环境质量改善形势依然严峻。

3.2 行业排放标准尚不明确

天祝县现有碳化硅生产项目均为2010 年前审批，污染物排放主要为冶炼炉烟气和厂区无组织粉尘，外排烟（粉）尘、SO2和CO 浓度执行GB 9078—1996《工业炉窑大气污染物综合排放标准》表3 中无组织排放标准限值要求；厂区无组织粉尘执行GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》排放限值要求，执行的排放浓度较宽松，约束力弱。推行排污许可制后，生态环境部门根据《国民经济行业分类注释》无机盐制造业定义及《无机化学污染物排放标准》中该标准特指无机化合物制造工业包括硅化合物及硅酸盐工业等规定，向碳化硅企业核发排污许可证，行业类型无机盐制造业执行《无机化学污染物排放标准》，出现了环评批复与排污许可证要求不一致的情形。另外，《无机化学污染物排放标准》中大气污染物控制项目为25 项，并无CO。刘永乐等［19］利用CALPUFF 模型模拟核算，年产25 万t 时，碳化硅企业排放源强无组织SO2，NOX，CO，PM10年排放量分别为449.06，86.98，5 158.58，115.06 t，其中，CO 的排放量最大，而排污许可证对排放量最大的CO 等因子没有进行约束，碳化硅是碳排放重点行业，对CO 不加管控则不利于减污降碳目标任务的完成。

3.3 碳化硅产业链结构单一

目前，天祝县碳化硅生产企业总计20 家，规模以上企业仅有12 家，其余为规模以下企业。所有碳化硅企业总设计产能为114 万t，已建成生产线产能40 万t，存在31 条生产线，产品黑碳化硅块或微粉技术含量较低，位于产业链最前端。碳化硅生产企业普遍对产品的创新研发意愿不高，专业技术工人匮乏，无专门的产品质量检验部门，通常只用一两台简易的理化指标检测仪器进行常规测定。另外，全县仅有1 家企业以碳化硅与硅粉黏合物在高纯氮气中烧结生产氮化硅制品，属于碳化硅产业链延伸企业。碳化硅行业缺乏碳化硅段砂、微粉、细粉加工生产及碳化硅制品、耐火材料、功能陶瓷等项目，需要延伸产业链，向深加工、高附加值的碳化硅制品发展。

4 促进碳化硅行业发展的建议

4.1 加强工艺优化与污染防治的研究

针对碳化硅工艺，国内外已有相关研究，包括通过改造炉体、调整供电工艺及装炉工艺等来实现节能降耗。1998 年，王晓刚等［21-22］对传统艾奇逊炉进行改造，发明了多热源碳化硅冶炼技术，以多热源代替传统单热源，炉芯间采用多套电极和多套变电系统供电，有效利用热能，具有炉内温度梯度小、传热快、温度场均匀、保温性能好、热效率高等特点。经实验室小试、中试和大型工业化试验，现已在青海、宁夏、福建、新疆等地投入生产。工业试验表明，采用多热源多向流碳化硅冶炼新技术可达到明显节能降耗提质效果。以三热源为例，单炉产量提高48.1%，特、一级品率提高30%，节能10%以上。建议推广使用多热源碳化硅冶炼新技术来实现增产降耗提质效果。

建议借助实现“双碳”战略目标的契机，基于冶炼工艺特征污染物种类及排放规律，加强碳化硅行业的节能提质、脱硫除尘、CO 捕集等方面的研究和成果应用，特别是碳捕集率的收集装置优化方面，目前该行业碳捕集等相关文献资料极少。建议企业建立冶炼炉CO 尾气回收系统，将其收集并合理利用，如利用CO 转化为甲醇进而生产出洁净的燃料二乙醚，既可以提高碳化硅行业经济效益，同时也实现了环境治理、资源再利用。另外，鼓励支持企业加强自动化控制的应用，在原料破碎、配料混料、扒炉过程中采用机械化方式，通过科学利用变频控制风机风量和吸收液流速，控制不同冶炼时期的污染物浓度，以实现减污降碳的目标。

4.2 建立碳化硅行业排放及技术标准

建议制定碳化硅行业排放标准，在无组织排放方面，明确各环节污染物管控要求，加强生产原料的储存、转移和输送等环节无组织排放的控制，实现对所有重点产排污环节的全覆盖。有组织排放方面，增加冶炼炉废气基准含氧量等参数要求，明确脱硫脱硝设施氨逃逸限值，将各个产排污环节纳入管控，突出特征污染物收集和处理效率，分步骤分时序逐步实施减污降碳技术改造。建议完善碳化硅行业排污许可技术体系，碳化硅行业作为碳排放重点行业，需进一步明确生产原料要求。天祝县大部分碳化硅企业建厂早，环评报告表中均允许其使用石油焦，且未对石油焦标准提出要求。后期在碳化硅企业办理环评手续时，均明确要求禁止使用石油焦或者高硫煤，但是缺乏相应依据。另外，为实现产品生产源头、生产过程直至成品的全周期环境管理，亟须出台碳化硅行业减污降碳协同治理技术指南，以实现强化源头控制和过程管控。同时，也为企业进行烟气回收改造、余热发电、减污降碳技术应用提供技术支撑。

4.3 积极拓展碳化硅产业链

碳化硅生产企业规模多数比较小且分散，碳化硅行业要加快发展，在规模上必须进行兼并、重组、收购才能形成强势。鼓励碳化硅企业实施整合重组，依托自身已有的产业基础和体量优势，向融合火力发电、碳化硅冶炼、碳化硅微粉、陶瓷耐火材料、碳化硅纤维等多种产品生产于一体的综合型现代化碳化硅企业发展。地方政府加强政策扶持以及加大研发人才、经费的投入力度，搭建桥梁，让企业与科研院所展开合作，建立高校、企业、市场间“产学研用”四位一体合作模式，研发生产碳化硅高端技术陶瓷、碳化硅纤维等，推动产品从低端向高端迈进，进一步提升天祝县碳化硅产业的产品技术水平和产值。鼓励现有碳化硅企业建设碳化硅段砂、微粉、细粉加工项目，引进碳化硅制品、功能陶瓷、碳化硅纤维等产业，通过产业链补链延链，增强生产竞争力，打造天祝县碳化硅品牌，使市域资源优势和区位优势得到进一步优化。

5 结论

碳化硅行业需加快发展方式绿色转型，绿色化、低碳化是其高质量发展的关键环节。工艺技术方面，需要不断探索节能降耗与减污降碳的生产工艺、技术和配套环保设施，加强废水、废气、固废的治理并推广应用新技术，实现减污降碳协同增效。在标准法规方面，需建立碳化硅行业污染物排放标准、排污许可证申请与核发技术规范、减污降碳协同治理可行技术指南，从而加强从产品生产源头、生产过程直至成品的全周期环境管理，为企业绿色转型提供技术支撑。在产业链拓展方面，政府应深入挖掘产业发展需求和补齐短板，立足自然资源禀赋和产业优势，优化产业布局，促进碳化硅产业健康发展，不断推动地区经济高质量发展。