观点概述
近年来光伏概念不断兴起,导致工业硅备受关注,也极大地刺激了我国硅生产行业的发展。高纯晶体硅粉具有金属光泽,呈银灰色或暗灰色粉末状,具有熔点高、耐热性好、电阻率高、高度抗氧化等特性,是现代工业生产中的重要原材料。工业硅广泛应用于生活中的各个方面,如建筑交通、电力电子、日用化工、半导体等领域。除了用途多样之外,硅也是有色金属行业中碳排放量仅次于铜和铝的第三大高耗能金属,在我国目前的双碳愿景之下,将硅产业纳入到规范管理体系中刻不容缓。考虑到已经上市的铜、铝期货均已运行得较为成熟,作为硅能源产业链上游核心原材料的工业硅又具备完善的现货市场基础,因而成为广州期货交易所首个拟上市品种。
现如今,实现工业硅的规模生产主要依赖于碳热还原法,选取硅矿石为主要原材料,配合以石油焦、木炭、木片、洗精煤等碳质还原剂一并送入电矿热电炉进行高温冶炼,将二氧化硅(SiO2)氧化还原得到单质硅(Si)。根据生产流程,工业硅的成本大致可分为能源费用、原料费用及财务费用三块,其中能源费用占约30%,原料费用占约60%,财务费用约占10%,由此可见,在我国工业硅生产过程中原材料以及能源成本占据总成本的90%左右。
工业硅作为现代工业生产中重要原材料之一,具有十分广泛的用途。按照用途可区分为化学级与冶金级。其中,化学级工业硅主要应用于有机硅与现代高技术多晶硅、单晶硅领域的生产,冶金级工业硅主要应用于下游铝合金生产。其中,有机硅是工业硅领域的第一大消费,占比28.6%;铝合金是第二大消费,占比20.7%;多晶硅虽是占比仅19.9%的第三大消费,但随着光伏行业的高速增长,未来有望取代有机硅成为第一。
一、工业硅兴起背景
近年来光伏概念不断兴起,工业硅备受关注,也极大地刺激了我国硅生产行业的发展,提升了我国工业硅生产工艺和装备水平。工业硅由于地域差异被冠以不同的名称,例如我国将其称为工业硅、英文中则称为金属硅、俄文中又称为结晶硅,本质上都指向这个上世纪六十年代中期出现的商品。
由工业硅加工得到的高纯晶体硅粉具有金属光泽,呈银灰色或暗灰色粉末状,具有熔点高、耐热性好、电阻率高、高度抗氧化等特性。化学级工业硅还是多晶硅、单晶硅等高科技产业中必不可少的基础材料。虽然硅是介于金属与非金属之间的半金属材料,但根据我国相关规定,工业硅生产归属于有色金属管理范围内,由中国有色金属工业协会下设工业硅分会进行指导管理。因而,工业硅所属的硅产业是我国有色金属行业中的重要组成部分,不仅指用硅元素代替碳元素,同时也包括了以光伏为主线的多晶硅产业链和有机硅产业链,是新能源、新材料产业持续发展过程中不可或缺的关键材料。随着科技的持续进步以及经济全球化的不断深化,硅产业所能应用的范围将继续扩大,需求量也随之上升。
容
2020.12.12
全球气候雄心峰会
中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和
2021.10.26
《2030年前碳达峰行动方案》
全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展,坚持集中式与分布式并举,加快建设风电和光伏发电基地。创新“光伏+”模式,推进光伏发电多元布局。
2022.01.24
中共中央政治局就努力实现碳达峰碳中和目标进行第三十六次集体学习
要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置,积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源。
数据来源:国务院,中共中央政治局,国海良时期货研究所
作为现代工业生产中的重要原材料,工业硅广泛应用于生活中的各个方面,如建筑交通、电力电子、日用化工、半导体等领域。除了用途多样之外,硅也是有色金属行业中碳排放量仅次于铜和铝的第三大高耗能金属,在我国目前的双碳愿景之下,将硅产业纳入到规范管理体系中刻不容缓。考虑到已经上市的铜、铝期货均已运行得较为成熟,作为硅能源产业链上游核心原材料的工业硅又具备完善的现货市场基础,因而成为广州期货交易所首个拟上市品种。
二、生产原料及工艺
现如今,实现工业硅的规模生产主要依赖于碳热还原法,选取硅矿石为主要原材料,配合以石油焦、木炭、木片、洗精煤等碳质还原剂一并送入电矿热电炉进行高温冶炼,将二氧化硅(SiO2)氧化还原得到单质硅(Si)。在我国,硅含量在98.7%以上的产物被统称为工业硅,更具体地,硅含量在99%以上的产物被为99硅。
冶炼得到的工业硅还需经过进一步处理,得到形态各异的下游产品后才能应用到终端领域。从下游应用来看,约28.6%的工业硅主要通过有机硅广泛应用于建筑、电子电器、电力新能源等领域;约20.7%通过铝合金应用于建筑交通等领域;约19.9%通过进一步提纯多晶硅饼应用于光伏及半导体领域;最后有24.8%的工业硅用于出口。
主流的工业硅冶炼方法是碳热还原法。研究表明,其中所用的碳质还原剂一般按照化学反应活性好、电阻率高、比表面积大、不易石墨化、粒度适宜、具备一定机械强度的原则选取,有利于电极深埋的同时采用更高的工作电压,能有效提高矿热炉的电效率、减少料面热损失,保持正常的熔炼过程。此外,还需添加一定量的木片与木炭作为冶炼透气疏松剂,起到改善透气性、控制焖烧时间、降低炉内热量损失的效果。
将2吨左右的石油焦、木炭、木片、洗精煤等碳质还原剂进行原料配比后与2.7-3吨经过水洗、筛分和干燥后等步骤处理过后的硅矿石(即SiO2≥99.2%)通过上料系统送入配料仓,混合均匀后投入高温的矿热电炉中,炉内进行连续的电热化学反应(反应方程式为SiO2+2C→Si+2CO),期间将消耗0.1-0.13吨电极与约11000-13500kWh的电力,经过氧化还原的电热化学反应后冶炼得到1吨硅含量不小于98.7%的熔融状液态硅水(含有铁、铝、钙等杂质)。
按照国家标准(GBT2881-2014),根据产成品中化学成分不同,将工业硅区分为Si1101、Si2202、Si3303、Si4110、Si4210、Si4410、Si5210、Si5530八个牌号,牌号按照硅元素符号与4位数字相结合的形式表示。工业硅牌号由硅元素符号和4位数字表示,4位数字分别表示产品中主要杂质元素铁、铝、钙的最高含量要求,其中铁含量和铝含量取小数点后的一位数字,钙含量取小数点后的两位数字。以需求量最大的Si4210为例:工业硅Si4210表示铁含量≤0.40%,铝含量≤0.20%,钙含量≤0.10%。
得到的硅水若在出炉后通入氧气,产成品即为通氧硅,未通氧气的硅水所制成的则被称为不通氧硅,两者的主要区别在于通氧能够进一步去除杂质(钙杂质≤0.1%),使产成品的质量更好,因此通氧硅价格要略高于不通氧硅,以工业硅社会库存主要所在地昆明的价格为例,近日两者价差达到约1000元/吨。
由于工业硅的供货以块状或粒状为主,因此还需先浇筑成硅锭,再待其冷却后进行“破碎→分级→称量→包装→入库”等步骤后得到成品硅块,再根据下游需求决定交货的粒度。例如,有机硅企业由于终端用途迥异,故倾向于采购成品硅块后自行按需加工;多晶硅企业倾向于定制硅粉但不对粒度提出特殊要求,因此硅厂会使用高纯硅粉生产线上各类设备将硅锭进一步破碎、粉碎并加工成一定形状且具备表面活性的硅粉;铝合金企业受冶炼炉大小及工业水平的限制,倾向于采购10mm-100mm的硅粉。此外,工业硅包装物应能防潮,一般用塑料编织袋包装,每件净重宜为1000kg,在运输贮存过程中应防止雨淋或受潮。
根据生产流程,工业硅的成本大致可分为能源费用、原料费用及财务费用三块,其中能源费用占约30%,原料费用占约60%,财务费用约占10%,由此可见,在我国工业硅生产过程中,原材料以及能源成本占据总成本的90%左右。
我们以工业硅最大产区新疆为例,对当地通氧Si5530成本模型进行逐项拆分。
能源费用部分,由于硅石在矿热电炉中经过电弧产生的高温而反应成金属硅,因为生产过程中电耗较大。考虑到西北和西南地区的电力价格较为低廉,工业硅生产企业大多分布这些地区。新疆地区生产通氧Si5530的耗电为13500kWh/吨,以平均电价0.32元/kWh测算,工业硅的电力成本在4320元/吨,占比28.6%,对成本的影响较为明显;
原料费用部分,洗精煤、电极和硅石组成了费用最高的三项,洗精煤用料较大,单项成本为3,263元/吨,占比21.6%;电极虽用料小,但单价高昂,单项成本为1860元/吨,占比12.3%;硅石用量最多,但单价较为低廉,单项成本为1575元/吨,占比10.4%,整体原料费用合计8989元/吨,占比59.5%;
财务费用部分,考虑维护、人工、三费以及折旧费用后,整体成本为1800元/吨,占比11.9%。
三、下游应用
工业硅作为现代工业生产中重要原材料之一,具有十分广泛的用途。按照用途可区分为化学级与冶金级。其中,化学级工业硅主要应用于有机硅与现代高技术多晶硅、单晶硅领域的生产,冶金级工业硅主要应用于下游铝合金生产。
有机硅领域,含硅有机化合物统称为有机硅,是工业硅领域的第一大消费,占比28.6%。下游产品种类繁多,约8,000多个品种广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、医疗等国民经济的各个领域,大致可分为原料、中间体、产成品三类,生产流程为有机硅单体→有机硅中间体→有机硅产成品。
有机硅单体指有机氯硅烷等合成高聚物的单体。种类繁多的有机硅由少数几种有机硅单体生产而来,其中属聚硅氧烷中的二甲基二氯硅烷应用最为广泛,在有机硅单体领域的应用占91%,此外还有一甲基二氯硅烷与三甲基氯硅烷等单体参与生产,是形成某些特定品类不可或缺的原料。
有机硅中间体指线状或环状体的硅氧烷低聚物。根据《有机硅的生产工艺》,有机硅单体通过水解、醇解以及裂解制得各种不同的有机硅中间体,有机硅中间体是合成硅橡胶、硅油、硅树脂的直接原料。
硅橡胶是其中产量最高、牌号最为丰富的一类,主要应用于建筑装饰、电子电器、电力新能源、纺织制造、医疗护理和工业助剂等终端行业,产品可分为高温硫化型和室温硫化型两大类。高温硫化型主要用于生产导电按键、电绝缘电缆、汽车用密封胶、人造医学器官等;室温硫化型一般用作粘接剂、灌封材料和模具使用,例如用量最大的玻璃胶就是应用于建筑装饰领域密封剂产品的典型。
硅油是有机硅的第二大消费领域,广泛应用于纺织、机械、电气、日化等行业。硅油是制作机械传动装置润滑油、防震阻尼用油、变压器和电容器等绝缘油的绝佳材料,此外还应用于织物染色消泡剂、纸张隔离剂、匀泡剂、纤维柔软剂、亲水性织物整理剂等,在玻璃、塑料和橡胶制品的脱模剂及个人美妆护肤产品的添加剂等。
硅树脂是有机硅的第三大消费领域,其主要原料是甲基氯硅烷,相关产品多应用于电子电气、涂料行业。随着国内高端建筑外墙涂料市场的不断发展,硅树脂在建筑领域的消费量迅速增长。
铝合金领域,是工业硅领域的第二大消费,占比20.7%。由于纯铝质地柔软,容易变形,而添加微量元素后形成的铝合金密度较大、硬度较高、具有良好的力学性能,可用于制造中低强度形状复杂的盖板、电机壳、托架等铸件,广泛应用于汽车工业及机器制造业中。根据添加微量元素的不同,行业内一般把铝合金分为9系。其中,工业硅与铝形成的铝-硅合金是4系,含硅量为4.5-6%,硅元素能有效改善合金的耐腐蚀性能和机加工性能,使得制成的铝合金更有韧性而不易碎裂。
多晶硅领域,是工业硅领域的第三大消费,占比19.9%,其在光伏领域的应用是市场最关注也最期待的消费方向,多晶硅可按纯度分为太阳能级硅与电子级硅。其中,太阳能级硅在光伏领域内的应用占比约95%,而电子级硅主要用作半导体电子材料,对纯度要求高达99.999999999%,产量较少。
当前,全球光伏产业处于高速发展阶段,光伏经济性持续提升,重要性指数级增长。截至目前,我国光伏组件产量已连续15年位居全球首位,多晶硅产量连续11年位居全球首位,光伏新增装机量连续9年位居全球首位,光伏累计装机量连续7年位居全球首位,这也意味着近年我国光伏产业进入加速发展期,多晶硅的消费增速更快,在消费量上或将超过有机硅。
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