高纯石英砂项目可行性研究报告-高端制造业的关键材料
1、高纯石英砂，高端制造业的关键材料
高纯石英砂是光伏、半导体行业关键性原辅材料：高纯石英砂是指由天然石英矿物经过一系列物理和化学提纯技术生产的具有某种粒度规格的高纯非金属矿物原料，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。高纯石英砂纯度高、品质好，生产的石英制品具有耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、高度绝缘性和透光性等优异的物理化学属性，被广泛用于光伏、电子、高端电光源、薄膜材料、国防科技等领域，是高端制造行业不可替代的原辅材料。
高纯石英砂国际公认标准以尤尼明IOTA-CG为准：国际公认的高纯石英砂是以美国尤尼明公司（现矽比科）IOTA-CG为标准，十二种元素杂质（Al,K,Na,Li,Ca,Mg,Fe,Mn,Cu,Cr,Ni,B）的含量小于20ppm，其中碱金属（K,Na,Li）分别小于1ppm的高技术产品。
目前，高纯石英砂主要来源于石英矿物：高纯石英最初是从一、二级天然水晶中深度提纯得到的，天然水晶制备高纯石英砂工艺较为简单，水晶原矿经过粉碎、磁选、浮选、酸浸、干燥、焙烧后得到成品石英砂，但目前水晶资源逐渐匮乏，成本较高，且生产过程中杂质含量高、能耗高、产品质量稳定性差。自上世纪70年代开始，美国等国家开始探索用普通石英代替水晶制备高纯石英砂，从天然岩石矿物提取高纯石英砂原料是目前世界上生产天然高纯石英砂的最先进技术，对矿石的品质要求高，提纯技术复杂，目前全球只有美国尤尼明、挪威TQC和石英股份等极少数公司具备规模化量产高纯石英砂的能力。目前，石英矿物逐渐替代水晶成为高纯石英砂的主要原料。
检测技术是制备高纯石英砂的基础和前提：高纯石英砂对SiO2纯度要求极高，纯度依赖于矿源本身的质量特性，因此选矿技术是制备高纯石英砂的前提技术。由于化学分析法和X射线萦光光谱法（XRF）自身特点的限制，难以满足高纯石英质量的检测要求。电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）利用光照射到某个检测单元后，产生一定量的电荷，并且储存在检测单元内，然后采用电荷转移的方式将其读出的原理，对金属元素具有良好的检出限，并具有检测时间短、灵敏度高、精确度好等优点，使之成为一种高纯物料微量化学成分检测的常用方法。但由于技术保密等因素，高纯石英质量的ICP检测分析方法未得到普及。目前，与国际先进水平（美国尤尼明）相比，我国高纯石英质量的ICP检测效果存在明显差距。
石英矿物深度提纯技术是制备高纯石英砂的主流技术：高纯石英的制备方法主要有三大类，分别为天然水晶粉磨加工、石英矿物深度提纯及用含硅化合物化学合成。由于天然水晶资源逐渐枯竭，而化学合成法技术较复杂、成本较高，难以大规模工业应用，因此，石英矿物深度提纯技术是制备高纯石英砂的主流技术。
高纯石英矿物深度提纯技术包括分离杂质和去除包裹体两个核心环节：高纯石英砂提纯工艺包括分离杂质和去除包裹体两个环节，其原理为粉碎分级使石英矿物与脉石矿物单体解离并得到相应粒级的石英颗粒，之后再根据石英中杂质元素赋存状态选择有针对性的加工技术使独 立矿物杂质、包裹体杂质和晶格杂质与石英有效分离。主要工艺环节包括：粉碎（粗碎、细碎和磨矿）、分选（粒度分选、浮选、磁选）和化学浸滤。
1）粉碎—分级预处理：预处理阶段目的是初步筛选杂质或将石英原料破碎到有利于杂质释放与后续处理的所需的粒度，一般采用机械破碎、电动粉碎、光学分选、超声破碎、热冲击破碎等处理方式。
2）共伴生独立矿物分选：分选石英中矿物杂质最常用方法是磁选和浮选。多段强磁选不仅可以从石英中分选出已单体解离的强磁性和弱磁性矿物杂质，而且对石英中磁性矿物包裹体和连生体也有一定分选效果。云母、长石等硅酸盐矿物是石英中铝杂质的主要来源之一，由于其与石英物理、化学性质类似，常采用浮选法进行分离。为了有效降低石英中铝杂质含量，需要进行多次精选。通过预处理和物理分选后，石英中绝大部分独立矿物杂质已被分离，SiO2含量一般可以达到99.9%左右，但并未达到高纯石英的技术要求，主要因为预处理和物理分选只对石英和独立矿物杂质分离具有显著效果，对降低石英中包裹体杂质和晶格杂质几乎没有作用。
3）包裹体杂质与石英分离：与物理选矿相比，化学处理去除杂质的效率更高，酸可在微裂缝和晶界内深度渗透的优势可更好地处理包裹体和晶格类型的杂质。酸洗、浸出和热氯化是三种主要的化学处理工艺。酸洗和浸出对包裹体杂质处理效果较好，而热氯化可以清除较难处理的晶格杂质。酸洗是使用盐酸或硫酸等溶解力较低的酸，而浸出则使用高温的氢氟酸，以最有效地去除表面游离杂质和富集在微裂纹和沿位错的杂质。
4）晶格杂质脱除：氯化脱气除了有助于脱除流体包裹体外，也有助于脱除晶格杂质。其原理为：1500℃高温时，石英向方石英相转化，会发生键的断裂和重组，石英晶格发生膨胀，有利于金属杂质元素向石英表面迁移扩散。相比于真空气氛焙烧，氮气气氛焙烧时石英向方石英转化率更大，石英晶格杂质元素迁移扩散效率可能更高。石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而挥发出来，石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变，使得石英晶格中的金属离子可能会迁移扩散到石英表面，与HCl、NH4Cl和Cl2等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离，同时也阻止了杂质元素在冷却过程再迁移扩散至石英晶格中。
2、化学合成高纯石英：高纯石英砂潜在量产新技术
合成石英砂崭露头角：随着全球范围内天然水晶和高品质石英矿脉的逐渐枯竭，化学合成生产高纯石英得到重视。此外，合成石英材料因为其纯度更高、光学性能更良等特性，除了在高端光学领域得到广泛应用以外，也符合半导体制程对石英制品高纯、无污染、耐高温的要求，尤其是随着半导体芯片线宽越来越窄，普通的天然石英材料已经无法满足高端生产工艺的要求，合成石英成为10nm制程以下的半导体芯片刻蚀环节中的重要部件。光掩模版需求旺盛，也带动合成石英材料的需求。目前全球高纯合成石英材料主要生产企业包括美国康宁公司、德国贺利氏、日本东曹株式会社、日本信越石英株式会社以及国内的菲利华。
目前，制备高纯合成石英的技术路线主要有四种，即气相合成法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯化硅液相水解法：
1）气相合成法：即火焰水解法，与气相白炭黑工艺类似，其原理是采用硅或有机硅的氯化物（如SiCl4或CH3SiCl3等）作为原料，将其气化后与氢气、氧气混合，在高温下发生水解形成雾状的SiO2，最后通过冷却、分离、脱酸等气固分离得到产品。该法得到的产品为气相SiO2，粒径小于100nm，外观蓬松多孔，比表面积大，化学纯度高，分散性较好。
工艺特点：生产流程简单，合成条件易控制，反应速度快，适合大规模生产；由于过程中需要高温环境，反应生成的HCl会严重腐蚀设备，因此对生产设备的材质、加热形式等要求比较严格。由于气相法耗能大，加工成本较高，还需在反应条件与设备选型等方面进一步探讨和研究。
2）化学沉淀法：化学沉淀法是合成石英粉体较为广泛的方法之一，目前技术已经成熟，已用于工业化生产。沉淀法生产SiO2的原理：采用硅酸钠与二氧化碳或酸溶液（加盐酸、硫酸或硝酸）作为原料，在一定的合成温度和表面活性剂的作用下混合反应，得到偏硅酸沉淀，再经过滤、洗涤、干燥、煅烧工序制备出SiO2。
工艺特点：该生产工艺具有操作方便，生产流程简单，原料易得，能耗和投资低等优点；但是Fe3+、Al3+、Ca2+等杂质的存在会导致凝块的形成，严重影响产品的质量，导致产品性能差、纯度低、粒径大、易发生团聚；也存在反应体系的浓度较低、沉淀速度快、沉淀过程不易控制的缺点；另外，废酸、废水的处理给环境带来一定的破坏。
3）溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是以无机盐或者金属醇盐（一般为硅酸乙酯）为原料，以醇作为共溶剂，加入酸或碱溶液作为催化剂，进行水解，缩聚反应形成SiO2凝胶，过滤并对凝胶中的有机溶剂进行洗涤，干燥、煅烧得到SiO2粉体。采用该方法制备SiO2，生产流程简单，合成条件易控制，对设备材料的要求不严格，且过程中无其他添加剂，所以制备出的SiO2纯度较高、均匀度好、比表面积大，但是成本较高，生产周期长，工业化价值不大；另外，因为实验过程中可变因素较多，不能达到准确控制（如水解体系、干燥方式及烧结途径等），目前只停留在实验室小试阶段。
4）四氯化硅液相水解法：其原理是SiCl4与纯水接触发生水解或缩聚反应，之后将反应产物经洗涤、过滤、干燥、煅烧、筛选等流程，制备SiO2粉体。采用SiCl4液相水解法制备高纯石英粉，由于原料中不含碳，故制备得到SiO2粉体纯度较高、羟基含量较低。但是，在规模化生产过程中，四氯化硅与水发生的水解和缩聚反应剧烈，中间过程难以管控，粉体易团聚，形成的石英粉致密度较低。因此，为了满足产业化生产，该法仍需更深入地探究其工艺控制（如水解控制、干燥及烧结过程等），有效减少颗粒团聚现象的发生。
3、高纯石英砂需求分析
高纯石英砂需求无忧：高纯石英砂主要应用于半导体、光伏、光通讯和电光源领域。光伏领域：受益于硅片产能加速扩张、N型硅片渗透率提高，高纯石英砂需求有望快速增长。根据测算，2022-2025年光伏用高纯石英砂需求平均CAGR有望达到25.5%；半导体：2022-2025年半导体用高纯石英砂需求平均CAGR有望达到11.1%；光纤：2022-2025年，全球光纤光缆行业对高纯石英砂的需求量将从4.85万吨增长到5.24万吨。
光伏用高纯石英砂供需或偏紧：根据测算，2022-2023年光伏用高纯石英砂可能的供给量范围分别为6.2-6.3万吨、7.7-7.8万吨，对应2022-2023年6.2万吨、7.6万吨的需求，供需或将处于紧平衡的状态，价格存在进一步上涨的可能。随着下半年硅料新增产能的逐步释放，硅料价格松动有望推动拉晶厂商开工率提升，从而带动光伏石英坩埚用高纯石英砂需求的快速上升，光伏用高纯石英砂在季度需求波动的过程中可能会出现阶段性的短缺，届时高纯石英砂价格仍有短期上涨的可能性。
高纯石英砂项目可行性研究报告编制大纲
第一章总论
1.1项目总论
1.2可研报告编制原则及依据
1.3项目基本情况
1.4建设工期
1.5建设条件
1.6项目总投资及资金来源
1.7结论和建议
第二章项目背景、必要性
2.1项目政策背景
2.2项目行业背景
2.3项目建设的必要性
2.4项目建设可行性分析
2.5必要性及可行性分析结论
第三章市场分析及预测
3.1行业发展现状及趋势分析
3.2我国高纯石英砂发展现状分析
3.3项目SW0T分析
3.4市场分析结论
第四章项目建设地址及建设条件
4.1场址现状
4.2场址条件
4.3建设条件
4.4项目选址
4.5结论
第五章指导思想、基本原则和目标任务
5.1指导思想和基本原则
5.2建设目标和任务
第六章建设方案
6.1设计原则指导思想
6.2基本原则
6.3项目建设内容
6.4核心工程设计方案
第七章劳动安全及卫生
7.1安全管理
7.2安全制度
7.3其它安全措施
第八章项目组织管理
8.1组织体系
8.2管理模式
8.3人员的来源和培训
8.4质量控制
第九章招标方案
9.1编制依据
9.2招标方案
9.3招标应遵循的原则
第十章投资估算及资金筹措
10.1投资估算编制依据
10.2工程建设其他费用
10.3预备费
10.4总投资估算
第十一章财务分析
11.1评价概述
11.2编制原则
11.3项目年营业收入估算
11.4运营期年成本估算
11.5税费
11.6利润与利润分配
11.7盈亏平衡分析
11.8财务评价结论
第十二章效益分析
12.1经济效益
12.2社会效益
12.3生态效益
第十三章项目风险分析
13.1主要风险因素
13.2项目风险的分析评估
13.3风险防范对策
第十四章结论与建议
14.1结论
14.2建议
一、财务附表
附表一：销售收入、销售税金及附加估算表
附表二：流动资金估算表
附表三：投资计划与资金筹措表
附表四：固定资产折旧估算表
附表五：总成本费用估算表
附表六：利润及利润分配表
附表七：财务现金流量表
