專利名稱：光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，屬于太陽能光伏電池晶體硅加工廢棄物綜合處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能，是地球生命賴以生存的唯一能源，也是未來人類的主要能源，太陽能電池正是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的最直接、最方便的途徑。“硅”是地球上儲藏最豐量的材料之一。 從19世紀(jì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導(dǎo)體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維， 當(dāng)今社會.我們的生活中處處可見“硅”的身影和作用，晶體硅太陽光伏電池已成為近年來發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)過程大致可分為五個步驟a、制造提純過程b、拉棒過程C、切片過程d、制電池過程e、封裝過程。光伏電池晶體硅加工廢砂漿主要產(chǎn)生在切片過程.晶體硅(包括多晶硅和單晶硅)是太陽能電池的主要原料。每生產(chǎn)IMW太陽能電池，大約需要 10-15噸的多晶硅。目前國內(nèi)太陽能光伏電池產(chǎn)量為1200MW，需要消耗晶體硅12000-18000 噸，產(chǎn)生近萬噸光伏電池晶體硅加工廢砂漿。光伏電池晶體硅加工廢砂漿是太陽能光伏電池生產(chǎn)加工過程中形成的混有 10-40% PEG (聚乙二醇-磨料懸浮劑)、15-30% SiC微粉(切割磨料)、10_1 %的鐵粉(切割刀具磨損材料)、65-29% Si微粉(晶體硅切割磨屑)的四元混合物系。目前的處理技術(shù)只能回收其中的PEG和SiC微粉，而最為寶貴的Si微粉(晶體硅切割磨屑)則因?yàn)樵谔幚磉^程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作為廢棄物處理，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和污染環(huán)境。申請人:自2000年從事人造石英晶體切割加工廢油砂處理工藝技術(shù)研究，于2001 年12月21日提出了申請?zhí)?1144627. 7的《晶體加工廢油砂綜合處理新工藝》專利申請， 2004年6月30日獲專利權(quán)。于2002年上半年進(jìn)行工業(yè)化試生產(chǎn)，隨著研究的逐步深入，于 2004年4月21日又提出了申請?zhí)?00410034004. 8的《晶體加工廢砂處理方法》的專利申請，把處理范圍由專門處理人造石英晶體切割廢油砂擴(kuò)展到處理各種人造石英晶體加工過程中產(chǎn)生的生產(chǎn)廢砂。隨著太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，從2006年開始關(guān)注太陽能光伏電池晶體硅加工廢砂漿的處理問題，探索回收利用廢砂漿中最為寶貴的Si問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠利用光伏電池晶體硅加工廢砂漿的全部成分，生產(chǎn)適應(yīng)不同市場需求的廢砂漿處理系列產(chǎn)品的新方法。實(shí)現(xiàn)資源利用的最優(yōu)化和環(huán)境污染最小化。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的針對光伏電池晶體硅加工廢砂漿四大組分的不同理化性質(zhì)，在保證其中的Si微粉不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提下，分離、回收廢砂漿中的PEG和鐵， 對剩余的由SiC和Si微粉組成的二元砂通過多種新處理方法，得到相應(yīng)的Si及Si系列產(chǎn)
P
ΡΠ O光伏電池晶體硅加工廢砂漿中的PEG分離回收是通過離心、過濾、溶劑洗滌三種工藝方法完成的，其中溶劑可用水，也可用乙醇等醇類溶劑。光伏電池晶體硅加工廢砂漿中的鐵是通過磁選或酸洗方法完成的；磁選用永久磁鐵或電磁鐵進(jìn)行，酸洗用除氫氟酸以外的無機(jī)酸。在完成PEG和鐵的分離、回收后，利用SiC和Si微粉的粒度、密度差進(jìn)行水力分選，水力分選液為洗滌分離PEG的溶劑，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和條件的不同，采用沉降法、溢流法、 旋流法，經(jīng)干燥后得到SiC微粉和Si微粉。由SiC和Si微粉組成的二元砂干燥后，送入氣流分級機(jī)，利用SiC和Si的粒度、 密度差進(jìn)行氣流分選，得SiC微粉和Si微粉。Si微粉用去純凈水和試劑級無機(jī)酸洗滌提純，得高純度Si微粉。分選得到的Si微粉加入電爐中，在還原性氣氛或惰性氣體保護(hù)下熔融重鑄，得Si 鑄錠材料。SiC和Si微粉的二元砂，充分干燥，加入電爐，在還原性氣氛或惰性氣體保護(hù)下熔融重鑄，得到硅鑄錠材料和Sic、Si混合鑄錠材料。在SiC和Si微粉的二元砂中添加適量的碳素材料，在微波或電加熱條件下反應(yīng)生成 SiC0在分離、回收PEG后，把SiC、Si、!^e組成的三元砂直接加入電爐中，在還原性氣氛保護(hù)下熔融重鑄，得到冶金工業(yè)用硅鐵鑄錠材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過各種不同的工藝方法和步驟，充分利用廢砂漿處理企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備、裝置的條件下，回收光伏電池晶體硅加工廢砂漿中的Si，生產(chǎn)滿足不同用戶要求的產(chǎn)品，以最大限度的利用資源，降低消耗，提高效益。茲結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。


圖1是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法水力分選工藝流程2是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法氣流分選工藝流程3是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法高純微粉生產(chǎn)工藝流程4是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法晶體Si鑄錠工藝流程5是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法Si鑄錠工藝流程6是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法二元鑄錠工藝流程7是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法反應(yīng)SiC工藝流程8是光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法硅鐵鑄錠工藝流程中方框表示處理工序，其中1為PEG分離工序，2為鐵分離工序，3為Si、SiC分選(分為水利分選和氣流分選)工序，4為干燥工序，5為洗滌提純工序，6為熔鑄(反應(yīng)) 工序。橢圓表示工序物料其中廢砂漿指光伏電池晶體硅加工廢砂漿，三元砂指分離出 PEG(聚乙二醇)后，含有鐵、Si、SiC的三元混合物，二元砂指分離出PEG和鐵后，含有Si、 SiC的二元混合物，其余為工序產(chǎn)品，下標(biāo)橫線的是成品(商品)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 如圖1光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法水力分選工藝流程圖所示混有 10-40% PEG (聚乙二醇-磨料懸浮劑)、15-30% SiC微粉(切割磨料)、10_1 %的鐵粉(切割刀具磨損材料)、65-四％ Si微粉(晶體硅切割磨屑)的四元混合物系——廢砂漿，在常溫狀態(tài)下，經(jīng)過離心、過濾等操作，脫去其中80%左右的PEG，然后用水作溶劑，洗滌清除吸附在混合微粉表面的PEG，完成工序1的PEG分離作業(yè)，分離出的PEG經(jīng)進(jìn)一步處理后作為產(chǎn)品返回晶體硅加工工序循環(huán)使用；剩余物是含有鐵粉、SiC微粉、Si微粉的三元砂，進(jìn)入工序2進(jìn)行除鐵作業(yè)在工序1溶劑洗滌的后期，借助溶劑使三元砂形成稀漿料，克服微粉表面力，利用永久磁鐵吸附脫除其中的鐵粉，處理后作為磁流體材料等；含有Si微粉和SiC 微粉的二元砂，借助磨屑Si微粉與磨料SiC微粉的硬度、密度、粒度差別(Si莫氏硬度6. 5、 理論密度M00kg/m3、粒度彡5um，SiC莫氏硬度9.2、理論密度3210kg/m3、粒度彡5um)，進(jìn)入工序3進(jìn)行水力分選水力分選是根據(jù)流體力學(xué)原理，使顆粒狀物料在流體介質(zhì)中按密度、 顆粒大小進(jìn)行分選的，常用的有沉降法、溢流法和旋流法。微粉的沉降法、溢流法分選時， 顆粒在靜止介質(zhì)中的沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，與物料和介質(zhì)的密度差成正比、 介質(zhì)的粘度成反比，但當(dāng)物料確定(如SiC、Si)、介質(zhì)確定時，則沉降速度V僅與顆粒的大小和密度有關(guān)，顆粒大、密度大的沉降速度快，顆粒小、密度小的沉降速度慢。因此，根據(jù)SiC、 Si兩種顆粒的基本情況，其沉降速度明顯不同，便可以把物料分離，這就是水力分選的基本原理。而旋流法則在沉降法、溢流法基礎(chǔ)上增加了離心分離作用，提高了效率，同時，控制難度也相應(yīng)增加。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備、場地條件分別采用沉降法、溢流法、旋流法，使Si微粉和SiC微粉精確分離，經(jīng)工序4干燥；得到Si微粉和SiC微粉成品。實(shí)施例2 如圖2光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法氣流分選工藝流程圖所示混有 1040% PEG (聚乙二醇-磨料懸浮劑)、15-30% SiC微粉(切割磨料)、10_1 %的鐵粉(切割刀具磨損材料)、65-四％ Si微粉(晶體硅切割磨屑)的四元混合物系——廢砂漿，在工序1經(jīng)過離心、過濾等操作，脫去其中80%左右的PEG，然后用乙醇作溶劑，洗滌清除吸附在混合微粉表面的PEG，完成PEG分離作業(yè)，分離出的PEG經(jīng)處理后作為產(chǎn)品返回晶體硅加工工序循環(huán)使用，溶劑蒸發(fā)冷凝循環(huán)使用；剩余物是含有鐵粉、SiC微粉、Si微粉的三元砂，進(jìn)入工序2進(jìn)行除鐵作業(yè)，在工序1溶劑洗滌的后期，借助溶劑使三元砂形成稀漿料，克服微粉表面力，利用磁鐵吸附脫除其中的鐵粉，處理后作為磁流體材料等；含有Si微粉和SiC微粉的二元砂，經(jīng)工序4干燥后，送入工序3進(jìn)行氣流分選借助磨屑Si微粉與磨料SiC微粉的硬度、密度、粒度差別，根據(jù)流體力學(xué)原理在微粉氣流分級系統(tǒng)中精確分離，得到Si微粉和SiC微粉。實(shí)施例3:如圖3光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法高純微粉生產(chǎn)工藝流程圖所示 把混有PEG、SiC、鐵、Si的四元混合物——廢砂漿，在工序1經(jīng)過離心、過濾、溶劑洗滌等操作，用甲醇作洗滌溶劑，完成PEG分離作業(yè)，分離出的PEG作為產(chǎn)品返回晶體硅加工工序循環(huán)使用，溶劑甲醇蒸發(fā)冷凝循環(huán)使用；剩余物是含有鐵、SiC、Si的三元砂，進(jìn)入工序2進(jìn)行除鐵作業(yè)，利用電磁鐵吸附脫除其中的鐵粉；得到Si和SiC的二元砂，送入工序3進(jìn)行水力分選借助磨屑Si微粉與磨料SiC微粉的硬度、密度、粒度差別，在水力沉降系統(tǒng)中得到
5到精確分離，得到Si微粉和SiC微粉；經(jīng)工序4干燥后，得到SiC微粉成品；把干燥后的Si 微粉加入工序5的洗滌提純器內(nèi)，加入去離子水和試劑級無機(jī)酸(不得使用氫氟酸，它能與 Si微粉發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成氟硅酸)，去除Si微粉內(nèi)的微量雜質(zhì)，通過工序5的洗滌提純， 得到高純Si微粉。實(shí)施例3是實(shí)施例1、2的深化處理。實(shí)施例4 如圖4光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法晶體Si鑄錠工藝流程圖所示 把混有PEG、SiC、鐵、Si的四元混合物——廢砂漿，在工序1經(jīng)過離心、過濾、溶劑洗滌等操作，用水作洗滌溶劑，完成PEG分離作業(yè)，分離出的PEG作為產(chǎn)品返回晶體硅加工工序循環(huán)使用，溶劑水蒸發(fā)冷凝循環(huán)使用；剩余物是含有鐵、SiC、Si的三元砂，進(jìn)入工序2進(jìn)行除鐵作業(yè)，加入鹽酸溶液，2Fe+6HCl = = 2FeCl3+3H2形成!^eCl3溶液排出，蒸發(fā)回收，得到凈水劑 FeCl3晶體，完成除鐵作業(yè)；含有Si和SiC的二元砂，經(jīng)工序3進(jìn)行水力分選，得到Si微粉和SiC微粉；SiC微粉經(jīng)工序4干燥后，得到SiC微粉成品；Si微粉進(jìn)入工序5加入純凈水和試劑級鹽酸洗滌提純，去除Si微粉內(nèi)的雜質(zhì)，得到高純Si微粉；經(jīng)工序4干燥后，進(jìn)入工序6進(jìn)行熔融重整把制得的高純度Si微粉加入專用電爐中，在惰性氣體保護(hù)下加熱到 Si熔點(diǎn)1420°C以上，進(jìn)行熔融重整，得到光伏電池用晶體硅材料。實(shí)施例4是實(shí)施例3的深化處理。實(shí)施例5 如圖5光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法Si鑄錠工藝流程圖所示把光伏電池晶體硅加工廢砂漿，在工序1完成PEG分離作業(yè)，分離出PEG ；剩余的三元砂，進(jìn)入工序 2進(jìn)行除鐵作業(yè)，加入硫酸溶液，F(xiàn)e+H2S04 = FeS04+H2形成!^eSO4溶液，回收!^eSO4結(jié)晶體， 作為園林花卉用藍(lán)礬，完成除鐵作業(yè)；得到Si和SiC的二元砂，經(jīng)工序4干燥后，送工序3 進(jìn)行氣流分選得Si微粉和SiC微粉；Si微粉進(jìn)入工序6進(jìn)行熔融重鑄把Si微粉加入電爐中，在惰性氣體保護(hù)下在Si熔點(diǎn)1420°C以上，進(jìn)行重熔鑄錠，得到化工用硅鑄錠材料。實(shí)施例4是實(shí)施例1、2的繼續(xù)深化，同時根據(jù)產(chǎn)品用途省略了實(shí)施例3、4的洗滌提純工序5.實(shí)施例6 如圖6光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法二元鑄錠工藝流程圖所示把光伏電池晶體硅加工廢砂漿，在工序1完成PEG分離作業(yè)；剩余三元砂，進(jìn)入工序2進(jìn)行除鐵作業(yè)，利用磁鐵吸附脫除其中的鐵粉；得到含有Si微粉和SiC微粉的二元砂，經(jīng)工序4干燥后，進(jìn)入工序6的電爐中，進(jìn)行熔融重鑄在還原性氣氛或惰性氣體保護(hù)下重熔鑄錠，在Si 熔點(diǎn)1420°C以上，Si熔化為液態(tài)，SiC(分解熔化點(diǎn)2545°C)保持固態(tài)不變，由于二者密度差別較大，(Si理論密度M00kg/m3、SiC理論密度3210kg/m3) SiC沉降聚集于下部，把上部熔清液和下部混合漿分開澆注，分別得到化工用硅鑄錠材料和冶金、耐火材料、精密陶瓷材料用Si、SiC混合鑄錠材料。實(shí)施例是省略了實(shí)施例1、2、5的分離工序3 ；實(shí)施例3、4的分離工序3和提純工序5.實(shí)施例7 如圖7光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法反應(yīng)SiC工藝流程圖所示把光伏電池晶體硅加工廢砂漿，在工序1完成PEG分離作業(yè)；進(jìn)入工序2進(jìn)行除鐵作業(yè)，加入硝酸溶液，形成硝酸鹽溶液排放；得到含有Si和SiC的二元砂，經(jīng)工序4干燥后，按分析化驗(yàn)結(jié)果加入適量的碳素材料，充分混勻進(jìn)入工序6的反應(yīng)電爐中，在微波或電加熱條件下，完
6成 Si+C = SiC 反應(yīng)，生成 SiC0 據(jù)關(guān)聯(lián)方程式 Si02+2C = = Si+2C0_627980KJ、Si02+3C = =SiC+2C0-498130KJSi+C = = SiC+129850KJ 為放熱反應(yīng)，單位 SiC 放熱量=129850/40 =3246. 25KJ/kg實(shí)施例5是省略了實(shí)施例1、2、5的分離工序3，實(shí)施例3、4的分離工序3 和提純工序5.而且SiC得率大大提高。實(shí)施例8:如圖8光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理方法硅鐵鑄錠工藝流程圖所示把混有PEG、SiC、鐵、Si的四元混合物——廢砂漿，在工序1完成PEG分離作業(yè)；剩余三元砂，進(jìn)入工序6的電爐中，在還原性氣氛或惰性氣體保護(hù)下重熔鑄錠，得到冶金用硅鐵材料。實(shí)施例7省略了實(shí)施例1-6大部分工序，工藝流程最短，實(shí)施最簡單。上述實(shí)施例中的溶劑、無機(jī)酸可以相互替代。工序步驟可根據(jù)產(chǎn)品用途適當(dāng)調(diào)整， 關(guān)鍵是保持Si微粉不氧化破壞。
權(quán)利要求
1.光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于針對光伏電池晶體硅加工廢砂漿物系四大組分的不同理化性質(zhì)，在確保其中的Si微粉不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提下， 分離、回收廢砂漿中的PEG和鐵，對剩余的由SiC、Si微粉組成的二元砂通過多種新處理方法，得到相應(yīng)的SiC及Si系列產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 光伏電池晶體硅加工廢砂漿中的PEG的分離、回收是通過離心、過濾、溶劑洗滌三種工藝方法完成的，其中溶劑可用水，也可用乙醇等醇類溶劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 光伏電池晶體硅加工廢砂漿中的鐵是通過磁選或酸洗方法完成的；磁選用永久磁鐵或電磁鐵進(jìn)行，酸洗用除氫氟酸以外的無機(jī)酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 在完成PEG和鐵的分離、回收后，利用SiC和Si微粉的粒度、密度差進(jìn)行水力分選，水力分選液為洗滌分離PEG的溶劑，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和條件分別采用沉降法、溢流法、旋流法，經(jīng)干燥后得到SiC微粉和Si微粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 由SiC、Si微粉組成的二元砂干燥后，送入氣流分級機(jī)，利用SiC和Si微粉的粒度、密度差進(jìn)行氣流分選，得到SiC微粉和Si微粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 分選的Si微粉用純凈水和試劑級無機(jī)酸洗滌提純，得高純度Si微粉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1權(quán)利要求2所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于把分選得到的Si微粉加入電爐中，在還原性氣氛或惰性氣體保護(hù)下熔融重鑄， 得到Si鑄錠材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 SiC、Si的二元砂充分干燥，加入電爐，在還原性氣氛或惰性氣體保護(hù)下熔融重鑄，得冶金用 Si鑄錠材料和Si、SiC混合鑄錠材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 向SiC、Si微粉二元砂中添加適量的碳素材料，在微波或電加熱條件下，反應(yīng)生成SiC。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法，其特征在于 在分離、回收PEG后，把SiC、Si Je的三元砂加入電爐中，在還原性氣氛保護(hù)下熔融重鑄，得到冶金工業(yè)用硅鐵鑄錠材料。
全文摘要
光伏電池晶體硅加工廢砂漿綜合處理新方法針對光伏電池晶體硅加工廢砂漿四大組分的不同理化性質(zhì)，在保證其中的Si微粉不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的條件下，分離、回收PEG和鐵，對SiC、Si二元砂通過多種處理方法，得到相應(yīng)的SiC及Si系列產(chǎn)品利用二元砂中SiC、Si微粉的粒度、密度差，進(jìn)行水力分選或氣流分選，得SiC微粉和Si微粉；Si微粉用純凈水和試劑級無機(jī)酸洗滌提純，得高純Si微粉；分選的Si微粉加入電爐熔融重鑄，得硅鑄錠材料；二元砂入爐熔融重鑄，得冶金硅鑄錠材料和Si、SiC混合鑄錠材料；向二元砂中添加適量碳素，反應(yīng)生成SiC；SiC、Si、Fe三元砂入電爐中熔融重鑄，得冶金用硅鐵材料。
文檔編號C10M175/00GK102211769SQ20111010106
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者尹克勝, 尹晏生, 葛現(xiàn)成 申請人:尹克勝