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        不同清洗方式對(duì)光伏組件回收硅材料提純效果的影響實(shí)驗(yàn)研究

        2022-01-20 13:29:30何銀鳳郭民韓金豆
        電子制作 2021年24期
        關(guān)鍵詞:空腔壓縮空氣工裝

        何銀鳳,郭民,韓金豆

        (1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司,青海西寧,810007;2.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公新能源分公司,青海西寧,810007)

        0 引言

        隨著光伏行業(yè)的不斷發(fā)展,廢舊光伏組件處理的問(wèn)題日益嚴(yán)重,根據(jù)專業(yè)估算,至2020年,廢棄的光伏組件將突破1000t;而到2038年,將高達(dá)1957099t[1]。在晶硅光伏組件中電池的制造占組件生產(chǎn)成本的65%,而硅片占晶硅電池成本的60%[2],有研究表明,將回收之后的晶硅片經(jīng)過(guò)熔鑄形成高純硅,比起從石英砂中提煉硅,其成本要低得多[3]。目前,對(duì)于廢棄光伏組件及光伏電池中硅材料的提純大都處于實(shí)驗(yàn)研究階段,雖然基本確定化學(xué)濕法提純?yōu)橹饕奶峒兎椒?,但尚無(wú)能夠大規(guī)模提純光伏組件中硅材料的提純裝置。因此,為實(shí)現(xiàn)光伏組件回收的產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?;斜匾_定一種既能保證硅材料回收率,又能確保提純效果的方式及提純裝置。

        1 晶硅光伏電池硅材料回收工藝

        晶硅光伏電池是光伏組件的核心,其主要原料為純度較高的晶體硅材料,通過(guò)制絨、擴(kuò)散、刻蝕、減反射膜沉積、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等一系列工序加工制造而成,晶硅光伏電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 晶硅光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖

        對(duì)于濕法提純回收光伏電池中硅材料的提純,主要利用氫氧化鈉、硝酸、氫氟酸等化學(xué)試劑將晶硅光伏電池表面的鋁背電場(chǎng)、銀電極及減反射膜等雜質(zhì)依依溶解,從而得到純度較高的硅材料。而在進(jìn)行硅材料的提純前,廢舊光伏組件的運(yùn)輸和封裝材料的拆除過(guò)程中,組件中的電池片結(jié)構(gòu)已經(jīng)配破壞[4],碎裂成大小不一的碎片。為了達(dá)到良好的清洗效果,需要將這些碎片破碎成統(tǒng)一粒度,通常破碎后電池顆粒的粒徑小于1mm。

        2 提純裝置基本要求

        晶硅光伏電池在經(jīng)過(guò)破碎工序后,其粒徑往往在1mm以下,且厚度僅為180μm。因此采用一般的清洗方式難以對(duì)這類細(xì)小的碎片進(jìn)行清洗,而在光伏行業(yè)中,清洗作業(yè)主要是用于硅片的清洗制絨,主要是利用插片形式的工裝,在槽式或鏈?zhǔn)角逑丛O(shè)備進(jìn)行清洗。插片形式的工裝,主要是用于完整的硅片或是電池片的清洗,而對(duì)與破碎后的電池碎片,采用這種工裝會(huì)使原料從工裝中掉落,造成原料的大量浪費(fèi)。而采用鏈?zhǔn)角逑捶绞綍?huì)使原料在清洗槽內(nèi)堆積,無(wú)法與清洗試劑充分接觸,導(dǎo)致雜質(zhì)的去除效果不佳。

        因此,對(duì)于細(xì)小的碎片狀晶硅光伏電池中硅材料的清洗提純首先需要考慮的是對(duì)粒徑在1mm以下的薄片原料的盛裝,同時(shí)還需考慮在清洗提純時(shí)要保證清洗裝置內(nèi)的原料能夠與清洗試劑充分接觸,從而達(dá)到清洗要求。

        3 鼓泡清洗裝置

        對(duì)于顆粒狀原料的清洗,多是應(yīng)用于礦業(yè)中的粉末清洗,采用鼓泡清洗的方式,利用鏤空筒狀工裝進(jìn)行裝料,同時(shí)在清洗槽內(nèi)設(shè)置壓縮空氣管路,在清洗時(shí)向清洗槽內(nèi)通入壓縮空氣,鼓出氣泡從而使物料在工裝內(nèi)翻滾,與清洗試劑充分接觸,達(dá)到清洗效果。而電池原料為細(xì)小碎片狀原料,其粒度分布范圍較大,由于破碎的不均勻,會(huì)含有大量粒度在1mm以下的原料,且厚度僅在180μm左右,若直接利用礦業(yè)中的鼓泡清洗方式進(jìn)行提純同樣會(huì)造成大量的原料浪費(fèi),因此,需要對(duì)鼓泡清洗裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

        電池碎片的清洗提純裝置,同樣采用鏤空的筒狀工裝,但是為了避免原料的浪費(fèi),需要在工裝內(nèi)鋪襯一層紗網(wǎng),如圖2所示。

        圖2 內(nèi)襯紗網(wǎng)筒狀鼓泡工裝

        內(nèi)襯紗網(wǎng)的粒度可以根據(jù)原料的粒度分布情況進(jìn)行選擇,以滿足原料的承裝要求,在進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí),試劑會(huì)通過(guò)筒狀工裝的鏤空及紗網(wǎng),進(jìn)入工裝內(nèi),與原料進(jìn)行反應(yīng)。

        4 鼓泡工裝清試驗(yàn)

        ■4.1 不同類型鼓泡裝置鼓泡效果試驗(yàn)

        在進(jìn)行鼓泡清洗時(shí),除工裝外還需有相應(yīng)的鼓泡裝置,對(duì)于鼓泡裝置的選擇,可以直接將鼓泡管路布置在清洗槽底部,也可以利用板材,制作出用于鼓泡的空腔盤,如圖3所示。

        圖3

        其中,壓縮空氣管路鼓泡裝置是在清洗槽底部設(shè)置一盤軟管,放入底部的卡槽內(nèi),并在管路上開孔,清洗時(shí),向管路中通入壓縮空氣,以起到鼓泡的作用。壓縮空氣空腔盤鼓泡裝置是用塑料板材做出一個(gè)內(nèi)部中空的圓盤,圓盤兩端設(shè)有壓縮空氣進(jìn)氣口,其表面打孔用于通入壓縮空氣以進(jìn)行鼓泡。

        為驗(yàn)證兩種鼓泡裝置的鼓泡效果,對(duì)60g、200g、500g電池顆粒原料進(jìn)行鼓泡實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

        表1 壓縮空氣管路鼓泡實(shí)驗(yàn)

        8 5 0 0 0.4 鼓出的汽包十分不均勻,在進(jìn)氣端鼓出的氣泡較大,而遠(yuǎn)離進(jìn)氣端鼓出的氣泡較小9 5 0 0 0.6 鼓出的汽包十分不均勻,在進(jìn)氣端鼓出的氣泡較大,而遠(yuǎn)離進(jìn)氣端鼓出的氣泡較小

        表2 壓縮空氣空腔盤鼓泡實(shí)驗(yàn)

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)清洗原料較少時(shí),采用壓縮空氣管路鼓泡或是空腔盤進(jìn)行鼓泡均能起到很好的鼓泡效果,但當(dāng)原料質(zhì)量大于200g時(shí),壓縮空氣管路對(duì)原料的鼓泡效果有明顯下降。同時(shí)當(dāng)增大鼓泡氣壓時(shí),壓縮空氣管路的鼓泡裝置對(duì)鼓出的氣泡難以控制,容易發(fā)生氣泡噴發(fā),將原料帶出工裝外的現(xiàn)象。而在采用空腔盤進(jìn)行鼓泡時(shí),由于壓縮空氣在空腔內(nèi)有一定的緩沖,因此對(duì)鼓出汽包的大小更容易控制,使得鼓出的氣泡更加均勻。

        ■4.2 不同鼓泡方式鼓泡效果實(shí)驗(yàn)

        就鼓泡的原理而言,主要是通過(guò)從工裝底部通入鼓泡介質(zhì),從而使工裝內(nèi)的原料在清洗試劑中翻騰以達(dá)到與試劑充分接觸的目的,提升原料的清洗效果。因此在鼓泡方式上可以選擇采用清洗試劑的自循環(huán)或是風(fēng)機(jī)鼓泡。為了使實(shí)驗(yàn)更加接近實(shí)際生產(chǎn)中大量的原料清洗,在不同鼓泡方式的實(shí)驗(yàn)中將原料質(zhì)量增加至5Kg進(jìn)行鼓泡效果實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)仍采用筒狀工裝內(nèi)襯紗網(wǎng),選用鼓泡較為均勻的空腔盤鼓泡裝置,采用四路鼓泡進(jìn)口,空腔盤直徑φ270mm,表面開設(shè)50個(gè)鼓泡孔,孔徑φ2mm,正對(duì)鼓泡口位置的開孔孔徑為3.5mm,如圖4所示。

        圖4 空腔盤鼓泡裝置

        (1)自循環(huán)鼓泡

        試劑自循環(huán)的鼓泡方式,主要是采用自吸泵或是自循環(huán)泵抽出槽內(nèi)清洗試劑,再通過(guò)不同類型的水泵進(jìn)行增壓后重新打入清洗工裝中,試劑自循環(huán)鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

        表3 試劑自循環(huán)鼓泡實(shí)驗(yàn)

        由于清洗槽及工裝中本就充滿液體,因此在使用液體進(jìn)行鼓泡時(shí),用于鼓泡的液體受到的流體阻力較大,加上原料本身重量較大,無(wú)法將質(zhì)量達(dá)5Kg的原料鼓起,僅有極少數(shù)片狀原料漂浮在試劑中,如圖5所示。

        圖5 試劑自循環(huán)鼓泡效果

        (2)風(fēng)機(jī)鼓泡實(shí)驗(yàn)

        風(fēng)機(jī)鼓泡方式,是利用不同規(guī)格的風(fēng)機(jī)向工裝內(nèi)鼓風(fēng),從而利用風(fēng)壓將試劑內(nèi)的原料鼓起,由于在水泵的鼓泡試驗(yàn)中,僅在總進(jìn)液口有極少數(shù)片狀原料漂浮在試劑中,而遠(yuǎn)離進(jìn)水口的地方則難以鼓起原料,因此對(duì)空腔盤進(jìn)行改進(jìn),擴(kuò)大空腔盤表面開孔孔徑至φ3mm,風(fēng)機(jī)鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

        表4 風(fēng)機(jī)鼓泡實(shí)驗(yàn)

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用空腔盤鼓泡裝置利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓泡能夠很好的利用鼓泡將清洗原料鼓起,使其在清洗試劑中充分的翻騰,如圖6所示,當(dāng)清洗原料質(zhì)量為5Kg時(shí),可選用功率為1.5KW的風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓泡,即可達(dá)到良好的鼓泡效果,而在實(shí)際生產(chǎn)中,風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓的選擇需要根據(jù)原料質(zhì)量的不同進(jìn)行調(diào)整。

        圖6 風(fēng)機(jī)鼓泡效果

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)不同類型鼓泡裝置、鼓泡方式的對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)在晶硅光伏組件電池硅材料的回收中,可以利用空腔盤風(fēng)機(jī)鼓泡的方式對(duì)細(xì)小的電池碎片進(jìn)行清洗提純,采用該裝置不僅能夠有效的承裝細(xì)小的電池碎片,而且能夠有效地使工裝內(nèi)的原料與清洗試劑接觸,從而保證原料的清洗效果,該裝置的研究對(duì)于晶硅光伏組件的回收利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)也可用于其他細(xì)小顆粒狀原料的清洗。

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