LED蓝宝石衬底项目的能源消耗分析研究

第２４卷第６期　２　０　１　１年１　２月　污　染　防　治　技　术　Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．６　Ｄｅｅ．，２　０　１　１　ＰＯＬＬＵＴＩＯＮ　ＣＯＮＴＲＯＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＤ蓝宝石衬底项目的能源消耗分析研究　崔小爱，　吴云波　（江苏省环境科学研究院，江苏南京２１００３６）　摘　要：在介绍蓝宝石衬底生产工艺流程的基础上，以江苏省某蓝宝石衬底生产项目为例，分析国内此类项目能源消　耗情况。结果表明：该项目消耗的能源包括电力、水、氮气、氩气，据２００９年数据，该项目能符合地方能效指标，但项目用电　量将占项目所在地工业用电量的１８．５％，电力消耗较高。　关键词：ＬＥＤ；蓝宝石单晶；衬底；能源消耗　中图分类号：Ｆ４２４　文献标识码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬＥＤ　Ｓｉｎｇｌｅ——Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｓａｐｐｈｉｒｅ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＣＵＩ　Ｘｉａｏ—ａｉ．　ＷＵ　Ｙｕｎ—ｂｏ　（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ⅳｎｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２　１　００３６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｔａｋｉｎｇ　ｏｎｅ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｒｙｓｔａｌ　ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎ　Ｊｉａｎｇｓｕ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗｅｒｅ　ｐｏｗｅｒ，ｗａｔｅｒ，Ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｇａｓ　ａｎｄ　ａｒｇｏｎ　ｇａｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００９，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗａｓ　ａｃｃｏｒｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｌｏｃａｌｉｔｙ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎ　ｌｏｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　１　８．５％．ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｈｉｇｈｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ；ｓａｐｐｈｉｒｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　前　言　会及２０１０年上海世博会的推动下，中国ＬＥＤ行业　ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）是发光二极管英文　缩写的简称，是一种化学半导体元件，ＬＥＤ产品不　未来几年市场发展将进一步加快，在此基础上结合　国内企业在蓝宝石长晶方面的市场份额分析，ＬＥＤ　采用蓝宝石衬底生产项目具有较大的发展前景。　但能够高效率地将电能转化为光能，而且可拥有最　长达１０万ｈ的使用寿命，同时具备省电、环保无汞　的特点。据专家测试，ＬＥＤ灯比自炽灯省电８０％，　比荧光节能灯省电５０％，如用大功率ＬＥＤ路灯取　代一个中等城市３０万盏普通路灯，每年可节约用　电２．８５亿ｋＷ・ｈ，减少二氧化碳、二氧化硫的排　放量分别为１０万ｔ、３　０００　ｔ　。此外，ＬＥＤ灯还具　备体积小、响应快速、高耐震、可应用在低温环境、　光源具方向性、造成光害少、色彩饱和度高与色域　国内此类项目大多生产能源消耗量较高，文中在介　绍蓝宝石单晶衬底生产工艺流程的基础上，以江苏　省某蓝宝石衬底生产项目为例，分析国内蓝宝石衬　底生产项目能源消耗情况。　１蓝宝石衬底　半导体照明产业技术发展的基石是衬底材料，　Ａ１：Ｏ，蓝宝石单晶因其物理性能好而成为半导体　丰富等优点，因此ＬＥＤ被称为世纪新光源。　半导体照明产业技术发展的基石是衬底材料，　目前能用于生产的衬底只有三种，即蓝宝石Ａ１　Ｏ，　衬底、碳化硅ＳｉＣ衬底以及硅ｓｉ衬底，而蓝宝石衬　材料的最佳衬底材料。蓝宝石单晶衬底的生产过　程包括两部分，即蓝宝石长晶过程和蓝宝石单晶衬　底晶片加工过程。　收稿日期：２０１１—０９—２８　底因其物理性能好成为半导体产品的最佳衬底材　料。在“国家半导体照明工程”、２００８年北京奥运　作者简介：崔小爱（１９７５一），女，河北蠡县人，工程师，大学本　科，从事环境影响评价工作。　崔小爱等．ＬＥＤ蓝宝石衬底项目的能源消耗分析研究　第２４卷第６期　１．１　蓝宝石长晶过程　１．１．１蓝宝石长晶方法　蓝宝石单晶的长晶方法有很多种，目前，国内　外大部分蓝宝石单晶生产企业大多采用柴氏拉晶　法和凯氏长晶法。　（１）柴氏拉晶法：将原料加热至熔点形成熔　液，利用单晶晶种接触到熔液表面，在晶种与熔液　的固液界面上因温度差而形成过冷，熔液开始在晶　种表面凝固并生长与晶种相同晶体结构的单晶。　晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定　的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔液逐渐凝固　于晶种的固液界面上，进而形成对称的单晶晶棒。　在拉晶的过程中，通过控制拉长速度，分别生长成　晶颈、晶冠、晶身及晶尾。　（２）凯氏长晶法：凯氏长晶法又称泡生法，是　利用温度控制来生长晶体，它与柴氏拉晶法最大的　差异是只拉出晶颈，晶身部分只需控制温度的变　化，就可使晶体成型，少了拉升及旋转的干扰，比较　好的控制制作过程。在拉生晶颈的同时，调整加热　电压，使熔融的原料达到最合适的长晶温度范围，　让生长速度达到最理想化，因而长出质量最理想的　蓝宝石单晶。凯氏长晶法生长的蓝宝石单晶具有　高品质（光学等级）、低缺陷密度、大尺寸、生长率　较快、产能高、成本效益好等优点。　１．１．２蓝宝石长晶工艺流程　国内外大部分蓝宝石单晶生产企业的蓝宝石　长晶工艺流程都基本上一致，在架设好蓝宝石单晶　晶种后，在晶体炉腔内利用高纯氧化铝生成蓝宝石　晶体的过程如图１所示。　１．２蓝宝石衬底晶片加工过程　蓝宝石长晶过程生成的合格晶棒经切割后的　毛坯晶片必须进行退火处理，消除切割产生的内应　力，之后通过粗磨和精磨将其表面损伤层去除，经　过抛光后达到最终要求的表面粗糙度，然后经过清　洗包装得到成品。蓝宝石单晶衬底晶片加工工艺　流程如图２所示。　２蓝宝石衬底项目能源消耗分析　中国ＬＥＤ行业市场发展迅速，ＬＥＤ采用蓝宝　石衬底生产项目也因此发展前景广阔，但生产能源　消耗量较高。为了解此类项目的生产能源消耗，文　中以江苏省某蓝宝石衬底生产项目为例，分析国内　蓝宝石衬底项目的生产能源消耗情况。　２．１　用能总量　一一…一・……一－・…一－・　～一＿＿＿…一一一一一，、　圜　詈一匝巫）－［二三　　！～阶段一　ｉ；！—善　ｉ广ｌ微　观ｒＬ检—测］—Ｊ　；　———一Ｊ　ｉ　囤１　蓝宝石长晶工艺流程　图２蓝宝石单晶衬底晶片加工工艺流程　能源消耗指用能单位实际消耗的各种能源，包　括一次能源、二次能源和生产使用耗能工质所消耗　的能源。江苏省某蓝宝石衬底生产项目（以下简　称“项目”）耗用的能源包括二次能源和生产使用　耗能工质所消耗的能源，其中二次能源为电力，耗　能工质为新鲜水、氮气、氩气。根据节能分析结果，　该项目达到产量的年综合能耗等价值估算为　８１　６３２．５　ｔｅｅ，当量值为３１　１１１．２　ｔｅｅ。　２．２能源消耗分析　２．２．１能源消耗结构　项目年消耗电力２４　３９４．７万ｋＷ・ｈ，年消耗　新鲜水１１．７万ｔ，年消耗氮气２８０万Ｎｍ　，年消耗　氩气０．２８８万Ｎｍ　，合计按等价值折标准煤为　８１　６３２．５　ｔｅｅ（当量值折算为３１　１ｌ　１．２　ｔｅｅ）。各种　（下转第１４页）　陆建春．江阴市污泥处置利用途径探讨　第２４卷第６期　同时根据实际情况因地制宜的进行综合利用，实现　污泥零排放。　３　结束语　基础上，因地制宜，进行堆肥、干化、热分解等其他　多种处理处置方法，有效解决污泥污染环境问题，　进一步提升环境质量，实现经济和环境的协调可持　续发展。　［参考文献］　［１］　张韵．我国城镇污水处理厂污泥处置法规现状分析与　目前污泥的处置方法各有利弊，寻找适合中国　国情的污泥处置方法，寻求经济有效的减量化、无　害化和资源化污泥处理技术具有重要意义。江阴　思考［Ｊ］．给水排水动态，２００９，０５：５—１０．　市污泥处置采用“干化＋焚烧或综合利用”综合处　理处置模式，以焚烧为核心的污泥处理处置技术路　线，是一项比较成熟的技术。对于经济发达、土地　资源显著缺乏的城市，宜选用上述技术路线。在此　（上接第１０页）　［２］　中国水网顾问主编．中国污泥处理处置市场报告（２０１１版）　［ＤＢ／ＯＬ］．国水网／中国固废网，２０１１—６．　【３］　田宁宁，王凯军．污水处理厂污泥处置及利用途径研究［Ｊ］．　环境保护，２０００，（２）：１８—２０．　所示，项目主要耗能环节为单晶生长，约占项目总　能耗的７４．０％。　表１　某项目年能源消耗量表　能源的年实物消耗量和综合能耗见表１。如表１　所示，项目消耗的主要能源为电力，占总能耗的　９８．６２％。根据该项目所在地统计局数据，２００９年　项目所在地工业用电量约为ｌ３．２亿ｋＷ・ｈ，经计　算，项目用电量将占项目所在地工业用电量的　１８．５％，所占比重较大，可见项目电力消耗较高。　３．２．２主要能耗环节　项目的耗能环节包括单晶生长、切片、清洗检　测、公辅工程，各环节能源消耗情况见表２。如表２　表２项目各环节能源消耗表　２．３能耗分析结论　份额分析，ＬＥＤ行业广阔的市场发展前景推动了　ＬＥＤ采用蓝宝石衬底生产项目迅速发展，但此类　项目大多生产能源消耗量较高。据统计局数据分　析，２００９年江苏省某蓝宝石衬底生产项目所在地　据（（２００９年各省、自治区、直辖市单位国内生　产总值（ＧＤＰ）能耗等指标公报》，该项目年综合能　耗等价值折标准煤为８１　６３２．５　ｔｃｅ（当量值折算为　３１　１１１．２　ｔｅｅ），万元工业增加值能耗为０．２０２　ｔｅｅ，　工业用电量约为ｌ３．２亿ｋＷ・ｈ，经计算该项目用　电量将占所在地工业用电量的１８．５％，可见项目　电力消耗较高。此类项目的迅速发展必将引发能　低于江苏省平均水平（１．１０７　ｔｅｅ），符合地方能效　指标。但根据该项目所在地统计局数据，２００９年　项目所在地工业用电量约为ｌ３．２亿ｋＷ・ｈ，经计　算，项目用电量将占２００９年项目所在地工业用电量　源的大量消耗，给企业运行节能降耗出了一大　难题。　［参考文献］　的１８．５％，所占比重较大，可见项目电力消耗较高。　３　结　论　［１］ＬＥＤ照明介绍［Ｊ］・电气工程应用，２００９：４３—４７　结合国内企业在蓝宝石长晶项目方面的市场