硅晶切割砂綠色再生工藝裝備的運(yùn)行特性研究

周先桃，蔡俊，吳錦毅，萬(wàn)旭輝，邢曉陽(yáng)

（華東理工大學(xué)化工機(jī)械研究所，上海200237）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，作為利用太陽(yáng)能的形式，光伏發(fā)電發(fā)展速度很快。在線切割硅晶這一過(guò)程中，理論估計(jì)有30%～40%的硅粉以細(xì)顆粒的形式摻進(jìn)切割磨料中，而在實(shí)際中這一數(shù)據(jù)可能會(huì)更高[1]。隨著硅粉的進(jìn)入和切割過(guò)程的進(jìn)行，磨料中的碳化硅顆粒會(huì)逐漸喪失切割作用。此時(shí)的切割液就會(huì)成為典型的切割廢砂漿，其中會(huì)有質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為43%的碳化硅、42%的切割液、12%的硅和3%的金屬?gòu)U屑（主要以鐵為主）[2]。

砂漿回收廠家已有的幾種工藝方法，在回收效率、再生質(zhì)量及再生過(guò)程中，資源消耗與環(huán)境污染等問(wèn)題成為制約其發(fā)展的痼疾。以下舉一些例子作簡(jiǎn)要分析。

（1）板框固液分離—沉淀池酸堿洗滌法：這種方法雖然在碳化硅回收的純度指標(biāo)上有保障，但缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，最大的危害就是在生產(chǎn)過(guò)程中必須添加大量的酸和堿，進(jìn)行反復(fù)洗滌。酸堿的使用不僅消耗大量化學(xué)資源，而且消耗大量的淡水資源，酸堿洗后產(chǎn)生的污水成為當(dāng)?shù)刂匾奈廴驹矗贿m合綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)；再者，經(jīng)過(guò)洗滌后的碳化硅顆粒集中度低，顆粒分布形態(tài)不好，還要進(jìn)行分級(jí)工序，較繁瑣。

（2）離心機(jī)分離法：利用離心力將細(xì)小的破碎顆粒及被切削下來(lái)的硅粉與符合要求的碳化硅進(jìn)行分離。該系統(tǒng)的缺陷主要體現(xiàn)在：首先，該方式僅能將廢砂漿體系內(nèi)的部分細(xì)碳化硅顆粒和游離的硅粉剔除，但無(wú)法達(dá)到與碳化硅微粉相同的顆粒分布形態(tài)。其次，該處理方法無(wú)法將附著在碳化硅顆粒表面的硅微粉去除，因此經(jīng)過(guò)處理后的回收碳化硅砂漿純度不高，無(wú)法直接使用，必須添加新碳化硅微粉才能用于再次切割。再次，過(guò)程中污水無(wú)法循環(huán)利用，有污水排放，增加后續(xù)水處理負(fù)擔(dān)。

（3）開(kāi)放式旋流器組多級(jí)洗滌法：該方法采用4～6組或更多組旋流器組進(jìn)行分離工作，在每組旋流器下方要放有一個(gè)儲(chǔ)料槽，必須搭建二層平臺(tái)。一組分離完成后料液進(jìn)入下方儲(chǔ)料槽，然后再經(jīng)泵打入下一組旋流器，依次進(jìn)行。首先，該方法是間斷開(kāi)放式進(jìn)行，各組旋流器不能連續(xù)不斷地工作，操作繁瑣。其次，該裝備需要搭建二層平臺(tái)，生產(chǎn)面積大。第三，系統(tǒng)一樣存在酸堿污水后續(xù)處理問(wèn)題，水資源循環(huán)使用困難。最后，它的旋流器分離有較嚴(yán)重的溢流跑料情況，通常溢流口碳化硅跑料要達(dá)到15%以上或更高。

針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題，作者開(kāi)發(fā)了一套逆流洗滌的方法以實(shí)現(xiàn)硅晶切割料的分離與純化，減少化學(xué)資源的消耗，根除酸堿水污染的綠色化再生工藝裝備，取代當(dāng)前硅晶切割廢砂餅資源化回收過(guò)程中的酸堿洗工藝。

1 硅晶切割砂綠色再生工藝與裝備

1.1 硅晶切割砂綠色再生工藝

設(shè)備采用工藝的基本原理是：將硅晶切割廢砂餅用水稀釋攪拌成切割砂懸浮液，然后利用輸送泵的攪拌作用和旋流器的高速旋轉(zhuǎn)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅晶切割料的洗滌、分級(jí)與濃縮，同時(shí)將洗滌旋流器組出來(lái)的底流濃縮液作為后一級(jí)旋流器的待洗切割砂懸浮液，將洗滌旋流器組出來(lái)的溢流清液作為前一級(jí)洗滌旋流器的洗滌液，通過(guò)多級(jí)的組合實(shí)現(xiàn)從硅晶切割廢砂餅中回收硅晶切割料的目的，充分發(fā)揮洗滌液的洗滌作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)洗滌液和稀釋液循環(huán)利用、節(jié)約資源、減少排放的目的。圖1為工藝的具體流程。

本工藝流程可以簡(jiǎn)單概述為：在原料槽中把廢砂餅與水按一定比例配置成懸浮液，通過(guò)給料泵把懸浮液輸送進(jìn)第一級(jí)泵進(jìn)口端處，與第二級(jí)溢流口流出的溢流液合并后進(jìn)入第一級(jí)旋流器組進(jìn)行分離；第一級(jí)底流口流出的砂餅懸浮液與第三級(jí)溢流口的溢流液混合后進(jìn)入第二級(jí)旋流器組進(jìn)行分離。依次類推，物料從原料槽中過(guò)來(lái)后一共會(huì)進(jìn)行六級(jí)分離洗滌。需要注意的是，與第五級(jí)底流口流出的砂餅懸浮液混合的是補(bǔ)水罐中的清水，然后再進(jìn)入第六級(jí)旋流器組分離。最后的結(jié)果為第一級(jí)溢流口處的溢流液為硅粉和破碎的碳化硅顆粒，在進(jìn)行壓濾過(guò)后得到的清水可以循環(huán)使用，作為廢砂餅配料水與補(bǔ)水罐用水。第六級(jí)底流口處的懸浮液即為所要分離回收的碳化硅產(chǎn)品懸浮液，經(jīng)過(guò)固液分離后的清水可用來(lái)循環(huán)使用，固態(tài)物質(zhì)即為碳化硅產(chǎn)品。

1.2 硅晶切割砂綠色再生裝備

根據(jù)上述工藝流程，開(kāi)發(fā)了基于水力旋流器組的六級(jí)封閉循環(huán)硅晶切割砂綠色再生裝備。本裝備能對(duì)硅晶切割廢砂餅進(jìn)行逆流洗滌，起到切割料分級(jí)、提高切割料純度、節(jié)約水資源、減少污染排放的作用。圖2為本裝備在車間的真實(shí)安裝圖。

本裝備由六級(jí)旋流器組、六臺(tái)型號(hào)80TFJ-55K（無(wú)錫市耐爾泵業(yè)有限公司）的特種耐磨耐腐蝕泵、調(diào)節(jié)閥、溢流排氣閥、變頻電柜以及排污管道等組成。

其中泵最高流量為 40 m3/h、揚(yáng)程 55 m、轉(zhuǎn)數(shù)2 900 r/min、吸程6 m、進(jìn)出口直徑為80 mm和50 mm，與之匹配的電機(jī)最高功率為11 kW。調(diào)節(jié)閥用來(lái)調(diào)節(jié)旋流器組進(jìn)口、底流和溢流流量，起到調(diào)節(jié)旋流器組分流比的作用。設(shè)備頂端處的排氣閥可以排盡管路中的空氣，保證管道充滿液體。變頻電柜調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制裝備入料量。排污管道在運(yùn)行結(jié)束后排盡系統(tǒng)內(nèi)的料液。

2 硅晶切割砂綠色化再生工藝裝備的工業(yè)化試運(yùn)行

2.1 試運(yùn)行物料與條件

一般廠家通過(guò)固液分離后所得到的廢砂餅中的顆粒粒徑分布如表1所示。

表1 廢砂餅顆粒粒徑分布表

小于6μm的顆粒都是硅粉和破碎的無(wú)效碳化硅顆粒，是需要去除的部分，6μm以上的部分就是需要回收的。一般在這部分的碳化硅顆粒的表面上還會(huì)附著有一定的細(xì)微硅粉，這也是在處理過(guò)程中需要除去的，否則會(huì)影響產(chǎn)品的純度。

試運(yùn)行在室溫條件下展開(kāi)，使用的原水為廠內(nèi)工業(yè)用清水。水質(zhì)情況為：中性、微量BOD5、無(wú)CODcr、無(wú)鐵錳等含量、氯離子含量小于等于250 mg/L、無(wú)氨氮磷、溶解性總固體含量小于等于1 000 mg/L。

2.2 工業(yè)試運(yùn)行過(guò)程

在裝備試運(yùn)行中，根據(jù)旋流器溢流與底流的分流比設(shè)計(jì)為2∶1，原料槽中清水與原料配比為5∶1，泵的流量控制在15 m3/h等條件，得出系統(tǒng)后端的補(bǔ)水量為10 m3/h。

“我們過(guò)段時(shí)間就要清塘出貨了，明年早春的網(wǎng)具、水褲、清塘魚(yú)藥咱就早點(diǎn)兒進(jìn)貨，幫助老張分流點(diǎn)庫(kù)存?！蓖灏l(fā)小的水產(chǎn)養(yǎng)殖大戶領(lǐng)著兒子媳婦三人，推著車輛進(jìn)店，向著老張的漁需物件“采購(gòu)淘貨”來(lái)了。

運(yùn)行過(guò)程中，由于旋流器尺寸參數(shù)已經(jīng)確定，所以能影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的就只剩下系統(tǒng)的操作參數(shù)，如物料的進(jìn)料濃度、補(bǔ)水量、壓力降和入料壓力等。在保證3個(gè)量不變的情況下，控制第4個(gè)變量，反復(fù)調(diào)整獲得它的最佳值。依此原理可以得到每一個(gè)變量的最佳工作點(diǎn)，表2為匯總后確定的最佳工況點(diǎn)。

表2 工況參數(shù)

在表2所示參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，得到的產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠。可以認(rèn)為此工況即為設(shè)備的最佳工作點(diǎn)。

3 試運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量分析

對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的分析一共分為兩方面：產(chǎn)品粒度分析和純度分析。這次產(chǎn)品的粒度分析通過(guò)歐美克測(cè)試儀器（珠海歐美克儀器有限公司）的粒度測(cè)試報(bào)告進(jìn)行。儀器類型LS-POP（VI）、檢測(cè)時(shí)的分析模式為rosin-ram、樣品折射率2.60、介質(zhì)折射率1.33、擬合殘余0.02、超聲時(shí)間2、遮光比19.3%。最終測(cè)得的產(chǎn)品D50為8.79μm、D3為 12.67μm、D94為5.10μm。產(chǎn)品粒度分布曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，產(chǎn)品顆粒的分布情況基本聚集于10μm附近，從1.35μm含量0.01%開(kāi)始到16.11μm含量1.28%結(jié)束。把6～11μm這一粒徑區(qū)間的各項(xiàng)粒徑分布累積起來(lái)后，算得這一段的顆粒集中度達(dá)到總體的78.45%，效果十分良好。而且此段的粒徑分布情況滿足了作為循環(huán)使用切割砂的粒徑分級(jí)要求，無(wú)需再在后續(xù)工作中再次進(jìn)行分級(jí)。

對(duì)于產(chǎn)品純度，通過(guò)測(cè)試后得到底流液中碳化硅純度達(dá)到97%，這是一個(gè)十分理想的結(jié)果，超過(guò)了所有其余旋流器工藝的純度指標(biāo)。

3.2 溢流跑料分析

在利用旋流器回收洗滌碳化硅顆粒時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是要控制有效顆粒通過(guò)旋流器組溢流端跑出系統(tǒng)。如果溢流液中有過(guò)多碳化硅顆粒，廠家則需要對(duì)溢流液進(jìn)行再一次的回收工作，既不經(jīng)濟(jì)也浪費(fèi)了人力物力。所以對(duì)于一套設(shè)備來(lái)說(shuō)，溢流跑料量就是評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，它代表了砂餅的回收效率。當(dāng)旋流器設(shè)備能把溢流跑料量控制在5%以內(nèi)時(shí)，設(shè)備就是成功的。

溢流液檢測(cè)儀器為歐美克儀器（珠海歐美克儀器有限公司），儀器類型 LS-POP（VI）、分析模式 rosinram、樣品折射率2.00、介質(zhì)折射率1.33、擬合殘余0.08、超聲時(shí)間2、遮光比16.7%。

從儀器數(shù)據(jù)表和曲線圖中都能得出，在溢流中粒徑大于5μm的顆粒含量為1.27%，而大于6μm的顆粒含量?jī)H有0.06%，說(shuō)明在溢流液中基本不存在產(chǎn)品跑料現(xiàn)象，有效的碳化硅顆粒都進(jìn)入了回收系統(tǒng)，保證了最后產(chǎn)品的回收率，達(dá)到了裝備的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 運(yùn)行成本分析

設(shè)備設(shè)計(jì)為處理砂餅量1 t/h，據(jù)工況表2中數(shù)據(jù)按每臺(tái)電機(jī)平均75%使用量得到6臺(tái)電機(jī)1 h耗能為：66×75%=49.5 kW

按工業(yè)生產(chǎn)用電電費(fèi)1元/kW·h計(jì)算，本設(shè)備處理1 t砂餅?zāi)芎男?9.5元。

現(xiàn)今工業(yè)上用到的常規(guī)旋流器組，一般分為6～8組，每組旋流器組還要配備1個(gè)輸送泵和一個(gè)攪拌電機(jī)。按6組計(jì)算，總共也需要90 kW/h的能耗。

兩者相比，更能看出本套裝備的優(yōu)勢(shì)：在產(chǎn)品質(zhì)量有保證的前提下，所需要的能耗也相對(duì)低很多。

3.4 資源消耗分析

在資源消耗方面，本設(shè)備處理1 t砂餅僅需用到清水15 t（包括原料配漿5 t與第六級(jí)補(bǔ)水量10 t），即循環(huán)水總量為15 t/h。這15 t清水最終通過(guò)對(duì)底流和溢流懸浮液的壓濾后回收，用于下一循環(huán)的配漿和補(bǔ)水。由于切割廢砂漿在通過(guò)壓濾得到砂餅的過(guò)程中不可能完全去除砂餅中的聚乙二醇，所以當(dāng)循環(huán)水中的聚乙二醇含量達(dá)到影響流體粘度的程度時(shí)，需要更換一批15 t量的清水。

而在常規(guī)的堿溶酸洗工藝中，除了需要大量清水外，還需要消耗很多化學(xué)資源。以表1所示的1 t廢砂餅為例，其中含有約12%的硅粉即為120 kg，如采用堿洗工藝：

可以求得需要燒堿343 kg，按現(xiàn)在市場(chǎng)燒堿的較低價(jià)格2 450元/t計(jì)算，需要花費(fèi)840元。再加上后續(xù)的除去硅酸鈉的氫氟酸洗滌，工業(yè)用氫氟酸價(jià)格為3 800元/t，實(shí)際處理廢砂餅的價(jià)格已經(jīng)超過(guò)了1 000元/t。

從資源消耗的對(duì)比可以看出，本設(shè)備僅需少量清水循環(huán)使用，相對(duì)于大量水資源和化學(xué)資源消耗的常規(guī)工藝來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

4 結(jié)論

采用上述設(shè)備系統(tǒng)的意義與所產(chǎn)生的有益效果在于：

（1）從硅晶切割廢砂餅到回收清潔的硅晶切割料的過(guò)程是在封閉的管路設(shè)備中進(jìn)行，消除了硅晶切割料再次污染的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）洗滌液、稀釋液可以循環(huán)使用，減少了水資源的消耗，1 h內(nèi)的循環(huán)水總量?jī)H為15 t；

（3）采用逆流洗滌的方法，充分發(fā)揮了洗滌液的洗滌功能，提高了硅晶切割料的純度，達(dá)到97%，同時(shí)顆粒粒徑集中度為78.45%；

（4）取代了硅晶切割廢砂漿回收硅晶切割料過(guò)程中的堿溶工序，減少了化學(xué)資源的消耗，根除了酸堿液污染源，保護(hù)了環(huán)境；

（5）該方法形成的裝備緊湊，減少了操作空間，節(jié)約了基礎(chǔ)投資；

（6）工作電機(jī)功率低，長(zhǎng)時(shí)間工作綜合能耗少，生產(chǎn)成本低。

[1]邢鵬飛，郭菁，劉燕，等.單晶硅和多晶硅切割廢料漿的回收[J].材料與冶金學(xué)報(bào),2010，9(2):148-153.

[2]仝宇，徐冬梅，齊維，等.硅切割廢砂漿回收現(xiàn)狀[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2011,43(9)：5-7.