CN109107492A - 一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废物回收领域，提出金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，包括以下步骤：第一步：硅粉废料预处理，首先将经压滤处理后的硅粉废料进行破碎及干燥处理，然后再进行热处理，并将热处理过程中产生的气体进行尾气处理；第二步：硅粉造粒，将经第一步处理后的硅粉输送至直流转移电弧造粒装置中进行造粒；第三步：硅球处理，将第二步中得到的硅球经冷却后进行筛选，将筛出的硅球进行超声清洗及烘干处理，筛出的硅粉重新进行第一步的处理。还提出一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，包括粉体预处理装置、尾气处理系统、直流转移电弧造粒装置及振动筛。本发明的方法及设备可实现小体积硅球的连续化生产，硅的出成率>95%。
Description
技术领域
本发明涉及废物回收领域，具体涉及一种金刚线切割硅粉的造粒设备及方法。
背景技术
地球内蕴藏的化石能源有限，且大量的燃烧化石能源会造成很严重的环境污染，因此在未来可在生能源将会逐渐地取代化石能源。太阳能就是其中一种，由于其资源分布较广，只要有阳光辐照的地方就可以进行光热及光电转换。近些年来太阳能光伏产业发展迅猛已经成为了全世界范围内稳步快速发展的朝阳产业之一。其中，晶硅太阳能电池一直保持着90%以上的市场占有率，是当之无愧的主流技术。因此，在未来对多晶硅的需求将会越来越大。目前，晶硅太阳能电池主要采用金刚线切割制片技术，由于存在切缝损失，仅2018年，硅粉废料干料的产量就可达13.6～14万吨。由于该数量逐年递增，且用途开发较少，大量的废料堆积造成了很严重的环境污染和资源浪费，急需开发适合该材料应用的大规模处理技术。
由于硅粉废料的数量庞大，一般的处理方法很难消耗这么多的量，因此人们最早想采用传统的冶炼方式对该废料进行工业硅制造。据调查，工业上尝试过对硅粉废料直径进行感应熔炼，但由于金刚线切割硅粉较细，一般小于0.5 μm，加之感应熔炼温度较低，在熔炼的过程中超细硅粉极易与碳气氛等发生不可逆的化学反应，因此一般出成率不超过70%。其中还有一个非常重要的缺点是硅粉的填充率非常低，由于硅粉表面附着有有机添加剂，烘干后的硅粉较为蓬松，堆垛密度一般为0.3 g/cm3,实际的填充效率不超过10%。考虑到坩埚的消耗，这种方式经济可行性差，因此并没有被推广。另一种方式是造渣熔炼，其缺点依然是出成率较低，由于填料过程中的氧化问题，其出成率一般不足60%，且会引入大量的渣剂杂质。近些年来，针对于金刚线切割硅粉废料的回收研究呈逐年递增的趋势，从已发表的文献上看，主要包括：热等离子体熔炼、感应熔炼、球磨成纳米颗粒制直接制备太阳能电池、溴氢化和气溶胶反应等。前人的这些研究拓宽了硅粉的应用和提供的必要的理论支撑，但是均没有致力于从根本上解决目前硅粉废料回收的实际问题。
解决硅粉熔炼高出成率的方式有两种，一种是确保熔炼过程中气体介质中易与硅反应的物质的偏压小于绝对的数值，使硅在缓慢的升温过程中避免发生严重的化学反应。第二种是想办法提高加热方式的能量密度和升温速率，使硅粉在短时间内实现融化，使硅粉在没有来得及发生严重反应的前提下，迅速融化成硅块。其中第一种方式较难实现，比如实现较低的真空度往往需要对设备进行抽真空，大量的超细粉体在真空中进行处理，很容易发生飞溅，且不利于实现连续加工处理。整体融化过程也不利于杂质的及时排出。因此，第二种方式在处理超细硅粉上有绝对的优势，由于高能量密度所带来的瞬时融化特性，融化过程中对含氧量要求并不敏感，因此，整个操作可以在空气中进行，对实现连续化生产有着很大的帮助。目前，可以提供高能量密度的加热方式主要有三种，电子束、激光和高温等离子体。其中，电子束需要在严格的真空条件下运行，主要用在高纯金属去除易挥发性杂质的进一步提纯上，对于熔炼超细粉体以及杂质含量高的粉体基本上是不可能的。激光在专利号为CN107445170A和CN107324340A的专利中曾经提到过，对于在大气中熔炼粉体有着绝对的优势，是未来发展的必然方向，但是由于现阶段的价格较为昂贵，且关键部件不能国产化，使得其在短时间内并不能直接投入到硅粉废料处理的产业中。非转移电弧法设备成本较高，且熔炼过程中对负极材料的损耗较大。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明首次将直流转移电弧造粒技术引入到粉体处理过程当中，并设计了一套连续化处理硅粉废料的设备及方法。硅粉废料处理方法在合适的工艺参数控制下，可以使硅粉在未来得及发生严重氧化的前提下将硅粉融化并打散成具有一定体积的小硅球，同时兼具有效的杂质去除效果，且该方法较目前现有的研究方法，成本低，能量利用率高，环境污染小。硅粉废料处理设备成本较低，可实现小体积硅球的连续化生产，硅的出成率>95%。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：提出了一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，包括以下步骤：
第一步：硅粉废料预处理，首先将经压滤处理后的硅粉废料进行破碎及干燥处理，然后再进行热处理，并将热处理过程中分解反应产生的气体通过惰性气体带出，进行尾气处理；
第二步：硅粉造粒，将经第一步处理后的硅粉输送至直流转移电弧造粒装置中进行造粒，在直流转移电弧造粒装置的负电极下方设置旋转式环形水冷铜平台，硅粉输送至负电极与环形水冷铜平台之间，通过控制硅粉进料速度以及环形水冷铜平台的转速来控制硅球的大小；
第三步：硅球处理，将第二步中得到的硅球经冷却后进行筛选，将筛出的硅球进行超声清洗及烘干处理，筛出的硅粉重新进行第一步的处理。
所述第一步中的惰性气体为氩气，氩气的流量为2-5L/min。
第一步中热处理的温度为450°。
第二步转移电弧造粒装置中的电弧功率为1-40kW。
一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，包括粉体预处理装置、尾气处理系统及直流转移电弧造粒装置，所述粉体预处理装置包括破碎装置及热处理室，所述破碎装置的出料口连接热处理室的进料口，所述热处理室的出料口通过输送装置与直流转移电弧造粒装置连接；所述直流转移电弧造粒装置包括直流电源及水冷罩，所述水冷罩内设置有负电极及旋转式环形水冷铜平台，所述负电极连接直流电源的负极，所述环形水冷铜平台通过正极电刷连接直流电源的正极，所述环形水冷铜平台设置于负电极的下方，负电极的尾端与环形水冷铜平台之间留有间隙，所述水冷罩的底部设置有硅球出料口； 所述尾气处理系统包括惰性气体输送管路和尾气处理装置，所述惰性气体输送管路的进气管连接热处理室及水冷罩，所述输送管路的排气管经热处理室上部及水冷罩上部引出，并连接至所述尾气处理装置的进气口。还包括筛选装置，所述筛选装置设置于所述硅球出料口的正下方。
所述负电极上连接有电极机械控制系统，用于控制调节所述负电极的高度。
所述输送装置采用螺旋输送机。
所述破碎装置为双辊破碎机，所述双辊破碎机带有自加热功能。
本发明的有益效果体现在：
本发明采用直流转移电弧造粒法对金刚线切割硅粉进行回收处理，在降低负极材料烧损的同时，还可以充分利用电弧正极区域温度较高的特点使能量利用率得到进一步提高。通过结合电流对正极的轰击效应以及铜与硅液润湿不好的特点，通过环形水冷铜正极平台的旋转，实现硅球的连续化生产，硅的出成率>95%。同时，在直流转移电弧造粒过程，由于融化的硅液仅与水冷铜平台接触，理论上其他杂质的引入概率极低，且由于电弧能量密度较高，对各类易挥发性杂质均有较好的去除效果。本发明的方法较目前现有的研究方法，成本低，能量利用率高，环境污染小，能够实现小体积硅球的连续化生产，硅的出成率>95%，硅球纯度在99.9%左右，生成的硅球可以采用任何一种传统的熔炼设备进行进一步熔炼提纯，是目前最有效且利于规模化生产的一种硅粉废料前处理的方法之一。
本发明的金刚线切割硅粉造粒设备以干燥后的粉体为原材料基准，造粒后硅的出成率为95% 以上，碳杂质的去除率达到75% 以上。同时，该设备兼顾了粉体的前期处理，大大降低了有机物高温分解产生的各种有害气体对环境的污染，且各部分衔接合理，能够进一步提高能量利用率。
附图说明
图1为本发明的金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备。
图中：1-自加热双辊破碎装置，2-热处理室，3-惰性气体输送管路，4-螺旋加粉装置，5-尾气处理装置，6-直流电源，7-电极机械控制系统，8-石墨负极，9-正极电刷，10-环形水冷铜平台，11-水冷罩，12-振动筛。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，包括以下步骤：
第一步：硅粉废料预处理，首先将经压滤处理后的硅粉废料进行破碎及干燥处理，然后再进行热处理，并将热处理过程中分解反应产生的气体通过流量为2-5L/min的氩气带出，进行尾气处理；
第二步：硅粉造粒，将经第一步处理后的硅粉输送至直流转移电弧造粒装置中进行造粒，在直流转移电弧造粒装置的负电极下方设置旋转式环形水冷铜平台，硅粉输送至负电极与环形水冷铜平台之间，通过控制硅粉进料速度以及环形水冷铜平台的转速来控制硅球的大小；
第三步：硅球处理，将第二步中得到的硅球经冷却后进行筛选，将筛出的硅球进行超声清洗及烘干处理，筛出的硅粉重新进行第一步的处理。
如图1所示的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，包括粉体预处理装置、尾气处理系统、直流转移电弧造粒装置及振动筛。
粉体预处理装置包括自加热双辊破碎装置1及热处理室2，自加热双辊破碎装置1的出料口连接热处理室2的进料口，热处理室1的出料口通过螺旋加粉装置4装置与直流转移电弧造粒装置连接。
直流转移电弧造粒装置包括直流电源6及水冷罩11，水冷罩11内设置有石墨负极8及旋转式环形水冷铜平台10，石墨负极8连接直流电源6的负极，石墨负极8上连接有电极机械控制系统7，用于控制所述负极的高度。环形水冷铜平台10通过正极电刷9连接直流电源6的正极，环形水冷铜平台10设置在石墨负极8的下方，石墨负极8的尾端与环形水冷铜平台10之间留有间隙，水冷罩11的底部设置有硅球出料口；硅球出料口的下方设置振动筛，用于硅球与多余粉体的分离。
尾气处理系统包括惰性气体输送管路3和尾气处理装置5，惰性气体输送管路3的进气管连接热处理室2及水冷罩11，用于向热处理室和水冷罩内输送氩气，惰性气体输送管路3的排气管经热处理室2上部及水冷罩11上部引出，将热处理室2和水冷罩11内部的分解气体引出至尾气处理装置5中进行处理，处理后的尾气经检测合格后排入大气。
上述设备的操作流程如下：
（1）将自加热双辊破碎装置1的两个滚筒加热至100 ℃，转速控制在1-10 r/min，使硅粉充分干燥，而后流入热处理室2。热处理室2的温度控制在450 ℃左右，该阶段发生有机物的低温分解，控制氩气流量为2-5 L/min，一般将尾气中白烟消失作为处理完成的依据，时长约为4-6 h。
（2）在水冷罩11内通入流动氩气，开启环形水冷铜平台10，使其旋转，控制石墨负极8与环形水冷铜平台10的距离，拉出稳定的电弧，电弧的功率控制在1-40 kW之间。配合环形水冷铜平台10的转速，适当调节螺旋加粉装置4电机的转速，使粉末的厚度控制在石墨负极8底端与环形水冷铜平台10之间，生产中可根据想要得到硅球的大小进一步优化粉末的厚度，最大厚度以能够产生稳定电弧为基准。得到的硅球经过冷却系统充分冷却后，进入振动筛12，剩余的硅粉重新返回预处理步骤。
（3）最后将得到的硅球进行超声清洗及烘干，完成硅粉造粒过程。
Claims (9)
1.一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：硅粉废料预处理，首先将经压滤处理后的硅粉废料进行破碎及干燥处理，然后再进行热处理，并将热处理过程中分解反应产生的气体通过惰性气体带出，进行尾气处理；
第二步：硅粉造粒，将经第一步处理后的硅粉输送至直流转移电弧造粒装置中进行造粒，在直流转移电弧造粒装置的负电极下方设置旋转式环形水冷铜平台，硅粉输送至负电极与环形水冷铜平台之间，通过控制硅粉进料速度以及环形水冷铜平台的转速来控制硅球的大小；
第三步：硅球处理，将第二步中得到的硅球经冷却后进行筛选，将筛出的硅球进行超声清洗及烘干处理，筛出的硅粉重新进行第一步的处理。
2.根据权利要求1所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，其特征在于，所述第一步中的惰性气体为氩气，氩气的流量为2-5L/min。
3.根据权利要求1所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，其特征在于，所述第一步中热处理的温度为450°。
4.根据权利要求1所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒方法，其特征在于，所述第二步转移电弧造粒装置中的电弧功率为1-40kW。
5.一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，其特征在于：包括粉体预处理装置、尾气处理系统及直流转移电弧造粒装置，所述粉体预处理装置包括破碎装置及热处理室，所述破碎装置的出料口连接热处理室的进料口，所述热处理室的出料口通过输送装置与直流转移电弧造粒装置连接；所述直流转移电弧造粒装置包括直流电源及水冷罩，所述水冷罩内设置有负电极及旋转式环形水冷铜平台，所述负电极连接直流电源的负极，所述环形水冷铜平台通过正极电刷连接直流电源的正极，所述环形水冷铜平台设置于负电极的下方，负电极的尾端与环形水冷铜平台之间留有间隙，所述水冷罩的底部设置有硅球出料口；所述尾气处理系统包括惰性气体输送管路和尾气处理装置，所述惰性气体输送管路的进气管连接热处理室及水冷罩，所述输送管路的排气管经热处理室上部及水冷罩上部引出，并连接至所述尾气处理装置的进气口。
6.根据权利要求5所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，其特征在于：还包括筛选装置，所述筛选装置设置于所述硅球出料口的正下方。
7.据权利要求5或6所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，其特征在于：所述负电极上连接有电极机械控制系统，用于控制调节所述负电极的高度。
8.据权利要求5或6所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，其特征在于：所述输送装置采用螺旋输送机。
9.据权利要求5或6所述的一种金刚线切割硅粉的高温转移电弧造粒设备，其特征在于：所述破碎装置为双辊破碎机，所述双辊破碎机带有自加热功能。
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2018
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