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

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。