我国高纯石英砂产业发展现状及趋势

2023-04-26

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高纯石英砂是于光伏行业、电子行业及高端电光源行业不可或缺的原材料。但是,由于不同产业需要不同质量的石英,使得高纯石英质量没有统一的标准,目前国内通常将二氧化硅含量大于99.95%、氧化铁含量小于0.0001%、氧化铝含量小于0.01%的石英砂划归为高纯石英砂。

石英砂分类

石英是一种天然矿物,需要经粉碎、筛选、酸洗、水洗、煅烧等工序制成石英砂,作为石英玻璃原料通过熔炼工艺做成石英玻璃及其制品。我国一般通过石英砂的二氧化硅及氧化铁含量的不同对其进行细分,主要分为普通石英砂,精制石英砂,高纯石英砂和超高纯石英砂。

图表1:石英砂产品及规格

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      高纯石英砂产业链

      1.上游:原料

      石英砂上游原材料包括脉石英、石英石、石英砂岩、石英砂矿、泥质石英砂矿、长石石英砂矿、其他硅质原料。我国石英资源储量丰富,有约150处矿产地,产品种类多,但是质量不高,多为石英岩、石英砂岩和天然石英砂,资源分布广泛,相同种类的石英矿分布又相对集中,石英岩矿主要多分布于青海及辽宁、山西等地;石英砂主要岩矿分布于四川、湖南、江苏、浙江及山东等地;天然石英砂主要分布于福建、广东、广西的南部和海南西北部及山东北部等沿海地带,还有西辽河东部、黄河中游及鄱阳湖、骆马湖畔。

      按照石英矿的成矿时间和中国石英资源的分布及主要矿床,可将石英矿资源划分为8大成矿区,分别是:

      (1)辽-翼-豫石英(砂)岩分布区

      (2)长江流域砂岩分布区

      (3)南沿海砂矿分布区

      (4)通辽砂矿分布区

      (5)黄河沿岸砂矿分布区

      (6)宿迁、南宁、当阳砂矿分布区

      (7)沂南石英砂岩分布区

      (8)辽南-凤阳石英岩分布区

      2.中游:制造

      欧美等发达国家在1970s就开始研究使用低品位的石英矿经提纯制备高纯石英砂,发展至今,这些国家技术成熟、设备先进,生产的高品质石英砂质量稳定。我国直到1980s才开始进行高纯石英砂的制备研究,并且只能生产中低端产品,高端石英砂仍需从国外进口。然而,进口石英砂要消耗大量的外汇储备,且会在数量上受到欧美等国家的限制,使我国在下游领域的发展受到严重影响。近年来,我国开始重视石英砂提纯技术的研究工作,目前在技术上可以采取以下工艺。

      (1)焙烧-水淬:高温煅烧使石英晶体膨胀,经水淬后,晶体表面和内部会产生大量裂纹。裂纹通常出现在界面处以及晶体结构的缺陷处,通过改变煅烧的温度和时间,使包裹体爆裂,其内部的杂质迁移至表面,易于在后续处理中被除去。

      (2)水洗-分级脱泥-擦洗:水洗后,采用螺旋分级机对其进行分级脱泥,经过脱泥处理,原矿中的氧化铁和氧化铝的含量明显下降,显示出一定的除杂效果。然而,对于石英砂表面粘附性较强的物质,采用这种方法很难去除干净,需要进一步擦洗处理。擦洗是借助机械外力除去石英砂表面的粘附性较强的杂质矿物的过程,但也与擦洗机的结构、擦洗时间、擦洗次数、样品的浓度等因素有关。

      (3)重选-磁选-浮选:利用不同矿物的密度各不相同和重力对矿物颗粒的影响,使不同矿物分离的选矿方法即为重选,但是重选难以达到生产要求,因此多用于粗选。磁选是利用磁力剔除石英矿中带有磁性的杂质的过程;浮选可以用来除去颗粒细小的杂质矿物,并辅以超声波处理。

      (4)酸洗:无论是焙烧、脱泥、擦洗,还是重选、磁选、浮选,都属于物理处理,这些方法只能达到初步提纯的效果,若想达到高纯石英砂的质量标准还需要进一步的处理。除了氢氟酸和热磷酸以外,二氧化硅几乎不溶于所有的酸,利用这一特点对石英砂进行酸浸处理可以进一步剔除石英砂中的 铁、铝、镓、镁、钠、钾等金属杂质离子,使其中杂质离子的含量降低至高纯石英砂的标准。

      (5)生物浸出:是利用微生物代谢产生的有机酸与矿物杂质反应生成可溶性络合物进行分离提纯的新工艺,常用的微生物有青霉、黑曲霉、草分支杆菌、假单胞菌等。该方法具有无污染、能耗低等优点,但是培养微生物的环境条件要求较高,为了达到除杂效果需要较长时间,限制了其在工业上的应用。

      (6)微波法:利用微波选择性加热的特点,不同介电常数的物质在加热过程中局部会产生较大的温度差,在界面处产生热应力,使石英晶体产生更多裂缝,能有效地促进矿物的单体解离并且增加杂质矿物的反应面积,有利于除去石英中的包裹体。

      纵观全球生产高纯石英砂的厂家并不多,国外知名的厂商主要有美国尤尼明Unimin、挪威石英TQC等,而国内的厂商,如最为知名的江苏太平洋石英股份有限公司,是全球少数掌握规模化量产高纯石英砂技术的企业之一。

      3.下游:应用

      高纯石英砂是集成电路、半导体芯片、光伏、光纤、新型玻璃(如超白玻璃)等产业必不可少的关键原料,具有较高的附加值。其中,高纯石英砂在光伏产业的具体应用为:高纯石英砂作为光伏玻璃的主要原材料,而光伏玻璃作为光伏发电中重要的辅件,经常用于覆盖在太阳能电池片外部,作为封装面板,其强度、透光率直接决定了光伏组件的寿命和发电效率。

图表2:高纯石英砂应用领域

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      在光伏玻璃行业中,市场集中度非常高,形成了以信义光能、福莱特为双寡头,彩虹新能源、金信、南玻这五家企业占据光伏玻璃行业中产能的80%的局面。

      趋势

      随着国家“碳中和”、“十四五规划”和《中国2050年光伏发展展望》等政策的提出,光伏产业日益突显其国家战略地位。目前阶段,光伏行业属于需要国家财政予以补贴的新能源行业。国家对光伏装机容量、补贴规模、补贴力度的宏观调控政策和措施将直接影响行业内公司的生产经营。随着国家相关金融帮扶政策的完善和产业中其他扶持政策的持续推动,光伏及其配件行业将朝着产业链更加完善、产品更加高质量的方向发展。而这种发展,势必会带动光伏产业链上游的光伏玻璃和高纯石英砂产业发展。

      同时,因为石英砂的品质对于光伏玻璃的品质有着重要影响,而且从成本端考虑,石英砂的供应价格会对光伏玻璃产品的成本产生重要影响,近期如隆基股份、晶科能源、福莱特、福斯特、东方日升等企业纷纷选择在安徽滁州落址新建项目,正是看中了当地优质的石英砂资源、便宜的运输成本和日趋完整的产业链。由此可以看出,光伏玻璃企业更愿意与优质石英砂资源地毗邻而建,而这一趋势想必在未来会日益凸显。

      正所谓用小小石英砂,翘起千亿级产业链。

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