CN114410320B - 一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法及系统。该方法，包括如下步骤：(1)将金属框和接线盒拆除输送至资源再利用单元，得到的核心组件牵引至传动链板上；(2)核心组件由传动链板进入热解炉单元中的链板热解炉，使得EVA和TPT背板在链板热解炉发生分解转化为油气挥发分，剩余玻璃板和电池板进入冷却炉单元；(3)电池板至回收提取单元，采用喷淋吸附剂的方式去除油气挥发分中的氟化物；(4)将电池板浸入刻蚀试剂实现电池板的电极、增透膜、掺磷发射极和铝背板分离溶解，再提取电池板含有的金属，获得太阳能级硅晶片。本发明解决了退役光伏组件回收过程中难以获取完整玻璃板和太阳能级硅晶片的问题，且完成了全组分的回收。

Description

一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法及系统
技术领域
本发明涉及退役光伏组件无害化和资源化处置技术领域，尤其涉及一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法及系统。
背景技术
光伏发电是一种将太阳能转化为电能的新能源技术，具有安全、可靠、清洁、高效和可持续性等优点，自1990年代以来，光伏发电以每年37％的增长率成为增长最快的可再生能源。预计至2050年，光伏发电的全球总装机容量将达到4.5TW，满足全球电力需求的16％。未来，光伏发电产业的大规模部署将帮助减少全球50％的碳排放。
光伏组件的基本结构包括太阳电池、有机封装层、盖板玻璃、背板、外框和接线盒，其中，盖板玻璃、背板与太阳电池间都是通过一层有机封装层黏合。铝边框和玻璃质量占组件质量的75％以上，两者在光伏组件中的含量稳定、回收利用比价容易，价值也比较高，是组件回收的目标之一。此外，光伏组件还包含较多的有价值组分，如Ag、Si、Al和Cu等，同样具有较大的回收价值。虽然光伏技术是一种零排放的绿色能源，但光伏组件存在25～30年的使用寿命，因此，如何将退役后的光伏组件有效回收处置，避免产生大量废弃物和造成环境污染是一个亟待解决的问题。
目前，退役光组件的处置方法主要分为物理法、化学法和热处理法，且已有相关专利的申请。ZL 201620624108.2公开了一种废旧光伏组件回收处理装备，通过激光切割器切割光伏组件的封装材料，以达到分割玻璃板和太阳电池板的目的，但使用该方法切割后依然会有封装材料残留于玻璃板和电池板上，很难处理彻底。CN112296062A公开了一种基于有机溶剂的废弃光伏组件回收装置及其回收方法，该方法使用三氯乙烯将封装材料溶解，可获得完整玻璃板和电池片，但耗时较长且试剂属于有毒化学物质。CN106206848A公开了一种新式失效光伏组件回收方法，采用裂解-分选-冶金的方式回收光伏组件材料，但该方法并未提及对玻璃板的回收，且分选装置极易造成玻璃板和电池片的破碎。
通过对现有技术的调研，还没有高效清洁的完整回收玻璃板和电池片方法，以及针对光伏组件进行全组分回收的流程方法也未见报道。
发明内容
本发明解决了现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法及系统，解决了退役光伏组件回收过程中难以获取完整玻璃板和太阳能级硅晶片的问题，且完成了全组分的回收。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法，包括如下步骤：
(1)退役光伏组件智能拆解：将退役光伏组件外围的金属框和接线盒拆除，金属框和接线盒输送至资源再利用单元，得到的核心组件牵引至传动链板上，所述的核心组件为玻璃板/封装材料EVA/电池板/EVA/TPT背板；
(2)核心组件高效热分层：步骤(1)得到的核心组件由传动链板进入热解炉单元中的链板热解炉，通过调节链板热解炉的热解温度与链板传动速度，使得核心组件中EVA和TPT背板在链板热解炉发生分解转化为油气挥发分，剩余玻璃板和电池板进入冷却炉单元；
(3)热解产物清洁转化：剩余玻璃板和电池板进入冷却塔单元中的冷却炉冷却至低温状态(小于80℃)，经由智能拆解单元将玻璃板和电池板智能识别，玻璃板牵引至资源再利用单元，电池板牵引至回收提取单元，油气挥发分进入冷却炉后，采用喷淋吸附剂的方式去除油气挥发分中的氟化物；
(4)金属提取和硅晶片回收：在回收提取单元中，将电池板浸入刻蚀试剂中，实现电池板的电极、增透膜、掺磷发射极和铝背板分离溶解，然后通过电解或化学沉淀方法提取电池板含有的金属，并获得太阳能级硅晶片。
优选地，步骤(1)所述的将退役光伏组件外围的金属框和接线盒拆除通过智能拆解单元来实现，智能拆解单元包括智能识别系统，自动移动机构和自动切割台，智能识别系统通过实时视觉定位技术识别并定位光伏组件特征点；自动移动机构主要由机器人移动设备和柔性夹具组成，定向牵引光伏组件；自动切割台主要包含数个切割头，用于拆除接线盒并切割光伏组件铝外框。
智能拆解单元首先通过智能识别系统分析光伏组件材料构成的不同，辨析、归纳光伏组件的组成和构建特征，建立光伏组件类型和构成特征信息库，然后依托光电识别、X射线穿透、映像分析辨识方法，分辨光伏组件的构成特征，记录相对应的组件性质特征，构建具有适应不同类型光伏组件的视觉识别技术，实现智能分选和定向牵引(通过自动移动机构和自动切割台完成)。
本发明基于光伏组件不同部件的特性，建立特征信息库，通过图像识别和视觉识别智能分选和拆解光伏组件，并定向牵引至相应的处理单元；通过基于链板热解炉内热场的均匀分布，保证光伏组件在热解过程中均匀受热，避免玻璃板和电池片破裂；通过喷淋吸附剂吸收热解产物中的含氟化合物，使得EVA和TPT背板清洁转化；热解后获取的电池板通过化学刻蚀方式溶解刻蚀电极、增透膜等电池片附着物，再采用电解或化学沉淀提取金属，并获得高纯太阳能级硅晶片。最终形成“智能拆解-高效热分层-清洁转化-定向提取”的退役光伏组件全组分回收方法体系。
优选地，步骤(2)所述的链板热解炉通过辐射加热管加热升温，其中辐射加热管内包含多组加热芯，且辐射加热管分布于链板热解炉炉壁的前方、后方、左方、右方和上方，即热解炉五面皆可加热，使得热解炉内热场均匀，玻璃板和太阳电池片在热解后保持完整。
优选地，步骤(2)所述的链板热解炉的热解温度为450℃～650℃，核心组件在链板热解炉内停留时间为15～30min，链板热解炉内通入N2保持惰性气氛。
进一步优选，链板热解炉的热解温度为550℃～600℃，核心组件在链板热解炉内停留时间为15～20min。
步骤(2)中智能拆解后的核心组件以TPT背板为底面由链板传送至链板热解炉中，链板热解炉内通入氮气作为保护气，以辐射电加热管为热源，根据红外测温仪实时监测核心组件各区域温度，并精准调节热解温度，控制链板传送速度。
优选地，步骤(3)所述的冷却炉中喷淋的吸附剂为NaOH溶液或石灰石溶液，NaOH溶液的质量百分比浓度为5％～10％，石灰石溶液的质量百分比浓度为10％～20％。
进一步优选，NaOH溶液的质量百分比浓度为8％～10％。
优选地，步骤(4)所述的将电池板浸入刻蚀试剂中，然后通过电解或化学沉淀方法提取电池板含有的金属，并获得太阳能级硅晶片具体包括两个阶段，第一阶段为分离硅和金属，将电池板浸入至刻蚀液中，刻蚀液加热温度为40℃～80℃，浸入时间30～60min，将电池板表面的金属浸出至刻蚀液中，并去除减反层、发射极，可获得完整硅晶片；第二阶段是金属提取，通过电解或化学沉淀方法提取刻蚀液中的金属片。
进一步优选，步骤(4)所述的刻蚀液由多种化学试剂配置而成，化学试剂选自HNO3、HCl、H3PO4、H2SO4、HF、NaOH、KOH、AlCl3-HCl、Br2和CH3COOH中的一种以上。此外，电池板上的金属也可由上述化学试剂分步浸出。
进一步优选，步骤(4)所述的电池板含有的金属包括Ag、Pb、Sn、Cu、Zn、Ag、Fe、Ca和Al。
电池板进入回收提取单元首先将其进入至刻蚀液中，浸出电池搬表面的金属、减反层和发射极等，获取高纯太阳能级硅晶片，然后通过电解或沉淀法从浸出液中提取金属，提取后的废液通过废液处置单元收集处理。
本发明还保护实现上述回收方法的退役光伏组件热解处理协同全组分回收系统，包括以下单元：
智能拆解单元：智能识别系统识别退役光伏组件的结构，采用自动切割台拆除光伏组件外围金属框和接线盒，通过自动移动机构将外围金属框和接线盒输送至资源再利用单元，得到的核心组件牵引至传动链板上；
热解炉单元：核心组件由传动链板进入热解炉单元中的链板热解炉，通过调节链板热解炉内热解温度和链板传动速度，核心组件中EVA和TPT背板在链板热解炉发生分解转化为油气挥发分，剩余玻璃板和电池板进入冷却炉单元；
冷却炉单元：剩余玻璃板和电池板进入冷却炉中冷却至小于80℃，经由智能拆解单元将玻璃板和电池板智能识别，玻璃板和电池板分别牵引至资源再利用单元和回收提取单元，油气挥发分进入冷却炉后，采用喷淋吸收剂的方式去除油气挥发分中的氟化物；
回收提取单元：将电池板浸入刻蚀试剂中，实现电池片的电极、增透膜、掺磷发射极和铝背板分离溶解，然后通过电解或化学沉淀方法提取电池板含有的金属，并获得高纯太阳能级硅晶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法通过人工智能技术，建立特征信息库，可实现光伏组件的智能拆解，方便快捷；通过链板热解炉控制炉内热场均匀，且链板与光伏组件受热面贴合，使得光伏组件受热均匀，可实现高效热分层，并获得完整的玻璃板和电池片；并通过清洁转化、金属提取和硅晶片回收，真正实现了退役光伏组件的无害化和资源化利用，避免了环境污染和资源浪费，且全过程智能便捷，可进一步开发一体化循环利用设备。
附图说明
图1是本发明退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法的工艺流程图。
图2是本发明退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法链板热解炉结构图。
图3是本发明退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法链板热解炉的加热管。
附图标记说明：1、链板热解炉；2、辐射加热管；3、核心组件；4、传动链板。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。除特别说明，本发明使用的设备为本技术领域常规市购产品。本发明处理的光伏组件为晶硅光伏组件。
实施例1
如图1-3所示，一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法，包括如下步骤：
(1)将退役光伏组件外围的金属框和接线盒拆除通过智能拆解单元来实现，智能拆解单元包括智能识别系统，自动移动机构和自动切割台，智能识别系统通过实时视觉定位技术识别并定位光伏组件特征点；自动移动机构主要由机器人移动设备和柔性夹具组成，定向牵引光伏组件；自动切割台主要包含数个切割头，用于拆除接线盒并切割光伏组件铝外框。将退役光伏组件放入智能拆解台上，通过智能识别系统识别光伏组件结构进行智能分选，并操作自动切割台拆解接线盒和铝外框，通过自动移动机构，接线盒和铝外框输送至资源再利用单元，然后将核心组件(玻璃板/封装材料EVA/电池板/EVA/TPT背板)定向牵引至传动链板。
(2)链板热解炉1通过辐射加热管2加热升温，其中辐射加热管内包含多组加热芯，且辐射加热管分布于链板热解炉炉壁的前方、后方、左方、右方和上方，即热解炉五面皆可加热，使得链板热解炉1内热场均匀(热场匀流)，同时实现精准控温，玻璃板和太阳电池片在热解后保持完整。辐射加热管3呈S型设置。
核心组件3由传动链板4进入热解炉单元中的链板热解炉，设置链板热解炉热解温度为600℃，通入氮气作为保护气，核心组件在链板热解炉内热解15min，得到油气挥发分、玻璃板和电池板，玻璃板和电池板进入冷却炉单元。
(3)油气挥发分送入冷却炉单元中的冷却炉，冷却炉内四周喷淋质量百分比浓度8％的NaOH溶液，吸收含氟化合物，得到NaF化合物。玻璃板和电池板在冷却炉冷却后由智能分选单元识别，将两者分离，玻璃板牵引至资源再利用单元，电池板牵引至回收提取单元，污染物进行脱除。
(4)回收提取单元首先使用质量百分比浓度60％的HNO3浸泡电池板30min，Ag、Pb、Sn和Cu等金属溶解于HNO3中，然后将浸泡后的电池板取出浸入质量百分比浓度10％的HF试剂中，并加热溶液至80℃，Al和SiNx被刻蚀溶解得到第一浸出液，最后使用质量百分比浓度30％的NaOH试剂溶解电池板上的发射极和增透膜得到第二浸出液，获取到完整的硅晶片，硅总回收率为96.5％。Ag、Pb、Sn、Cu、Zn、Ag、Fe、Ca和Al等金属使用电解法分别由第一浸出液和第二浸出液中提取，总回收率皆大于93.2％。提取后的废液皆由废液处置单元收集处理。
实施例2
与实施例1相同，不同之处在于：
步骤(2)中链板热解炉热解温度为550℃，通入氮气作为保护气，核心组件在链板热解炉内热解20min。
步骤(3)中冷却炉内四周喷淋质量百分比浓度10％的NaOH溶液。
步骤(4)中回收提取单元首先使用质量百分比浓度38％的HCl浸泡电池板并在50℃℃加热30min，Ag、Pb、Sn和Cu等溶解于HCl中，然后将浸泡后的电池板取出浸入质量百分比浓度10％的HF溶剂中，并加热溶液至80℃，Al和SiNx被刻蚀溶解得到第一浸出液，最后使用质量百分比浓度30％的NaOH溶剂溶解电池板上的发射极和增透膜得到第二浸出液，获取到完整的硅晶片，硅总回收率为94.3％。Ag、Pb、Sn、Cu、Zn、Ag、Fe、Ca和Al等金属使用电解法分别由第一和第二浸出液中提取，总回收率皆大于90.1％。提取后的废液皆由废液处置单元收集处理。
实施例3
与实施例1相同，不同之处在于：
步骤(2)中链板热解炉热解温度为550℃，通入氮气作为保护气，核心组件在炉内热解20min。
步骤(3)中冷却炉内四周喷淋质量百分比浓度8％的NaOH溶液。
步骤(4)中回收提取单元首先使用质量百分比浓度48％的HF和质量百分比浓度70％的HNO3的混合试剂浸泡电池片40min，HF和HNO3的体积比为1:1，Ag、Pb、Sn和Cu等溶解于混合试剂中，然后将浸泡后的电池板取出浸入质量百分比浓度97％的H2SO4，Al和SiNx被刻蚀溶解得到第一浸出液，最后使用质量百分比浓度99％的CH3COOH溶剂溶解电池片上的发射极和增透膜得到第二浸出液，获取到完整的硅晶片，硅总回收率为89.6％。Ag、Pb、Sn、Cu、Zn、Ag、Fe、Ca和Al等金属使用电解法分别由第一和第二浸出液中提取，总回收率皆大于94.5％。提取后的废液皆由废液处置单元收集处理。
实施例4
与实施例3相同，不同之处在于：
步骤(2)中链板热解炉热解温度为450℃，核心组件在链板热解炉内热解30min。
步骤(3)中冷却炉内四周喷淋质量百分比浓度5％的NaOH溶液，玻璃板和电池板完整分离。
步骤(4)中刻蚀过程反应温度为40℃，反应时间为60min，硅总回收率为90.25％。金属总回收率皆大于95.21％。
实施例5
与实施例3相同，不同之处在于：
步骤(2)中链板热解炉热解温度为650℃，核心组件在链板热解炉内热解15min。
步骤(4)中刻蚀过程反应温度为80℃，反应时间为30min，硅总回收率为91.33％。金属总回收率皆大于94.88％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）退役光伏组件智能拆解：将退役光伏组件外围的金属框和接线盒拆除，金属框和接线盒输送至资源再利用单元，得到的核心组件牵引至传动链板上，所述的核心组件为玻璃板/封装材料EVA/电池板/EVA/TPT背板，所述的将退役光伏组件外围的金属框和接线盒拆除通过智能拆解单元来实现，智能拆解单元包括智能识别系统，自动移动机构和自动切割台，智能识别系统通过实时视觉定位技术识别并定位光伏组件特征点；自动移动机构主要由机器人移动设备和柔性夹具组成，定向牵引光伏组件；自动切割台主要包含数个切割头，用于拆除接线盒并切割光伏组件铝外框；
（2）核心组件高效热分层：步骤（1）得到的核心组件由传动链板进入热解炉单元中的链板热解炉，通过调节链板热解炉的热解温度与链板传动速度，使得核心组件中EVA和TPT背板在链板热解炉发生分解转化为油气挥发分，玻璃板和电池板进入冷却炉单元，所述的链板热解炉通过辐射加热管加热升温，其中辐射加热管内包含多组加热芯，且辐射加热管分布于链板热解炉炉壁的前方、后方、左方、右方和上方，所述的链板热解炉的热解温度为550oC~600oC，核心组件在链板热解炉内停留时间为15~20 min，链板热解炉内通入N2保持惰性气氛；
（3）热解产物清洁转化：玻璃板和电池板进入冷却炉单元中的冷却炉冷却至小于80oC，经由智能分选单元将玻璃板和电池板智能识别，玻璃板牵引至资源再利用单元，电池板牵引至回收提取单元，油气挥发分进入冷却炉后，采用喷淋吸附剂的方式去除油气挥发分中的氟化物，所述的冷却炉中喷淋的吸附剂为NaOH溶液或石灰石溶液，NaOH溶液的质量百分比浓度为5%~10%，石灰石溶液的质量百分比浓度为10%~20%；
（4）金属提取和硅晶片回收：在回收提取单元中，将电池板浸入蚀刻试剂中，实现电池板的电极、增透膜、掺磷发射极和铝背板分离溶解，然后通过电解或化学沉淀方法提取电池板含有的金属，并获得太阳能级硅晶片，具体包括两个阶段，第一阶段为分离硅和金属，将电池板浸入至多种化学试剂配置成的刻蚀液中，刻蚀液加热温度为40oC~80oC，浸入时间30~60 min，将电池板表面的金属浸出至刻蚀液中，并去除减反层、发射极，获得完整硅晶片；第二阶段是金属提取，通过电解或化学沉淀方法提取刻蚀液中的金属片。
2.根据权利要求1所述的退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法，其特征在于，步骤（4）所述的刻蚀液由若干种化学试剂配置而成，所述的化学试剂选自HNO3、HCl、H3PO4、H2SO4、HF、 NaOH、KOH、AlCl3-HCl、Br2和CH3COOH。
3.根据权利要求1所述的退役光伏组件热解处理协同全组分回收方法，其特征在于，步骤（4）所述的电池板含有的金属包括Ag、Pb、Sn、Cu、Zn、Ag、Fe、Ca和Al。
4.一种实现权利要求1所述的回收方法的退役光伏组件热解处理协同全组分回收系统，其特征在于，包括以下单元：
智能拆解单元：智能识别系统识别退役光伏组件的结构，采用自动切割台拆除光伏组件外围金属框和接线盒，通过自动移动机构将外围金属框和接线盒输送至资源再利用单元，得到的核心组件牵引至传动链板上；
热解炉单元：核心组件由传动链板进入热解炉单元中的链板热解炉，通过调节链板热解炉内热解温度和链板传动速度，核心组件中EVA和TPT背板在链板热解炉发生分解转化为油气挥发分，剩余玻璃板和电池板进入冷却炉单元；
冷却炉单元：剩余玻璃板和电池板进入冷却炉中冷却至小于80oC，经由智能分选单元将玻璃板和电池板智能识别，玻璃板和电池板分别牵引至资源再利用单元和回收提取单元，油气挥发分进入冷却炉后，采用喷淋吸收剂的方式去除油气挥发分中的氟化物；
回收提取单元：将电池板浸入刻蚀试剂中，实现电池片的电极、增透膜、掺磷发射极和铝背板分离溶解，然后通过电解或化学沉淀方法提取电池板含有的金属，并获得高纯太阳能级硅晶片。
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