“舟式”超聲波清洗-隧道式微波烘干技術

高向陽

摘要：該技術通過非金屬料藍式超聲波清洗機和真空隧道式微波烘干聯合使用，對光伏類產品實現清洗、烘干。目前國內無成型設備，真空隧道式微波烘干在光伏類企業中未有使用、并且在光伏類企業中清洗烘干領域內未見超聲波與微波聯合使用的案例，該技術介紹超聲波清洗及微波烘干聯合在光伏產品的運用。

關鍵詞：超聲波清洗;微波烘干;多晶硅

一、超聲波清洗、微波烘干的背景

1.光伏清洗的概況

隨著不可再生能源的逐步枯竭，作為可再生能源-硅料，廣泛用于光伏產業和半導體產業。多晶硅是光伏和半導體的原料，硅片轉化效率取決于硅料的質量，其不僅受硅料內部質量的影響，還受硅料外表面質量的影響。對于多晶原生料、硅片等光伏產品，表面存在浮塵、表面金屬、硅粉等影響后續影響電池或半導體器件的成品率和性能。

目前對硅料進行清洗后，廣泛采用紅外烘干方法，烘干溫度高，要達到150℃以上，冷卻時間長達5-12小時，烘干時間長、效率低、成本高等問題。

超聲波超聲清洗無法將多晶原始料表面，全部通過超聲的方式清洗完全;對表面、裂紋、孔洞等較大縫隙的菜花料超聲清洗、烘干不完全，時間過長，冷卻較長;紅外烘干技術對原始多晶線性尺寸在0-3mm、3-25mm、25-50mm的進行烘干、冷卻效果較差，烘干不完全，冷卻較長等缺陷問題。

光伏類原生物料破碎好的異常料、菜花、碎料等種類產品需要進行超聲波清洗，清洗后進行烘干，達到免洗料、免洗菜花料、免洗添加料的質量要求，以提高產品附加值。隨著光伏下游市場對多晶硅內、外在品質要求越來越高，多晶硅生產破碎過程可能引入二次污染。光伏多晶硅生產企業，以“注重細節、尊重客戶”為導向，對多晶硅破碎處理后，使用超純水進行全部物料清洗以去除表面異物及粉塵等方式勢在必行。在多晶硅生產過程中，物料中破碎好的表面異常料、硅芯異常料、菜花、碎料等種類產品需要進行超聲波清洗，處理后的物料清洗后進行烘干，達到免洗料、免洗菜花料、免洗添加料的質量要求，以提高產品附加值。

（1）目前需要清洗的多晶硅物料特性：

1）顆粒狀尺寸5-200mm;

2）外觀無規則;

3）間斷性料籃內物料堆積高度碎料：10-30mm，菜花：110-130 mm;

4）表面、裂紋、孔洞狀菜花料;

（2）現有清洗機的現狀

現存超聲波清洗技術使用傳統的四槽超聲波自動清洗機（隧道烘干線），烘干技術采用 “隧道內高壓風機切水--隧道熱風循環干燥-冷卻風下料” 的烘干技術。該裝置存在以下缺點：

1）料籃式設計，上下料困難。

2）料籃采用圓鋼SUS 304框架和細絲網焊接而成，存在金屬污染及金屬絲網老化脫落在多晶硅內的重大質量隱患。

3）物料框籃較小（400*550*260mm），清洗量較小（2-3Kg/籃，40 Kg/h）。

4）烘干熱量不均勻、烘干量較少。

5）清洗烘干厚度較低，對堆積密度較高或存在孔洞的物料清洗烘干效果差、時間長、效率低。

（3）技術特點

超聲波裝置烘干后只能滿足25-150 mm大塊多晶硅烘干最低要求，但對顆粒狀尺寸3-25mm碎料和菜花料烘干效果較差，不能滿足要求，需要長時間的靜置晾曬的方法進行處理。長時間靜置晾曬具有引入雜物、二次污染、占據較大生產空間、浪費人力等問題。

為了做好全面清洗物料的形勢需要，解決物料表面污染的生產瓶頸，研發清洗烘干技術，采用“舟式”超聲清洗技術，使用精密超聲（25-50kHz）波浸泡脫脂清洗。再通過純水噴淋漂洗物料表面的殘液，使多晶硅料達到最佳清洗效果。

烘干采用微波技術，微波能穿透被加工產品的熱效應進行加熱較為合理。微波加熱可以對各類含水粉狀、顆粒狀、片狀、條狀、板狀、小型坯件等物料進行烘干。30kw微波可以穿透顆粒狀堆積量高度在70-90 mm產品。微波加熱對顆粒狀、低濕含量的物料進行干燥具有很多優點，如干燥速度快，干燥均勻，節能，濕含量控制精確等優點。

二、“舟式”超聲波清洗-隧道式微波烘干技術工藝設計

1.開發形式：

目前在多晶硅清洗烘干領域內未見超聲波與微波聯合使用，未見“舟式”超聲波清洗機在多晶硅領域的運用。提出符合物料技術參數要求，開發“舟式”超聲波清洗機及超聲波清洗微波烘干聯合設備的設計。

2.創新點：

（1）開發“舟式”超聲波清洗機，采用寬幅非金屬PP輸送滾輪，避免了金屬污染;

（2）硅料單元經四級清洗后，籃筐上位移動往復掃描切水方式，將物料表面殘液吹掉，利于干燥。超聲波清洗機清洗后風切切水，除水率達到98%左右，需采用熱風風切，溫度控制在80℃-100℃。

（3）弱酸清洗。

經過純水槽清洗后的硅料單元自動移位至酸洗槽，進入槽內弱酸清洗，所述弱酸可以為HNO3或HF或HNO3和HF混合酸，其濃度在0～5%，進行低濃度酸清洗。

（4）純水系統的逆向溢流方式。

料藍進入超聲波浸泡精洗脫脂可以清除物料表面酸殘液及雜質，通過高精度的過濾循環系統及漂洗時逆向溢流方式（儲液槽配有100目粗過濾網框，槽內設置兩道高低隔板沉淀過濾，再由噴淋泵抽啟凈液箱經過濾器后進入腔體）沖洗儲液槽不停注入新的純水，達到高效的物料清洗效果;

（5）超聲波清洗-微波烘干設備聯合的設計。

真空微波技術降低產品表面水份的沸點，降低物料出料時溫度，縮短冷卻時間;微波加熱可以對各類含水粉狀、顆粒狀、片狀、條狀、板狀、小型坯件等無規則物料進行烘干。30kw微波可以穿透顆粒狀堆積量高度在70-90 mm產品。微波技術烘干對具有小縫隙、小尺寸的產品烘干效果較好。

3.關鍵技術：

（1）設計制造一臺符合生產要求設備：一種“舟式”超聲波清洗-通道式微波烘干設備。

（2）有機物、表面金屬離子的去除的設計。

（3）純水系統的逆向溢流方式。

（4）超聲波清洗-微波烘干設備聯合的設計。

（5）真空微波處理光伏產品的設計。

4.技術路線：

（1）實施內容：進行設備具體參數優化，根據產能、現場場地、清洗烘干能力進行確切核算、設計符合的需求的超聲波清洗微波加熱烘干設備。

（2）工藝流程：手動上料→預清洗→XX去除→超聲波清洗→弱酸→超聲波清洗→超聲波清洗→出料→進入真空微波干燥→冷卻出料。

三、“舟式”超聲波清洗-隧道式微波烘干技術清洗效果

1.對尺寸不規則多晶硅正品料進行超聲清洗、微波烘干，物料連續生產，100%烘干效果，物料表面無水，含水率在0.01%。

2.對表面、裂紋、孔洞等菜花料超聲清洗、微波烘干，100%烘干效果，物料表面裂紋、孔洞無水，含水率在0.01% 。

3.每月600噸，30天/月，有效工作時間14小時/天。

四、微波烘干技術特點：

1.加熱均勻迅速、熱效率高。目前的的加熱方法是利用物質的傳熱系數，從外到內進行熱量傳遞，而微波則對含水物質內外同時作用。因此加熱均勻迅速，節省能源與處理時間。

因為多晶硅在微波場中“內外同熱”，碎料間縫隙或菜花空隙內部的水分很快達到沸點，發生高強度蒸發，物料的質構阻礙水分流動，故在碎料間縫隙或菜花空隙內部形成壓力梯度，由于“內外同熱”表面熱量易散失，碎料間縫隙或菜花空隙內部形成正的溫度梯度和濕度梯度，三種狀態均能促使水分以液態、汽態或分子流的形式向多晶硅表面移動。大大提高降速干燥階段的干燥速度，使很難干燥的碎料或菜花能快速得到均勻的干燥。

2.不引入二次污染。目前通過表金屬實驗證實，現在通過石英加熱管加熱給多晶硅物料熱風烘干，在風機、氣體等作用下引入二次污染，表金屬增加13%左右。而通過微波加熱對多晶硅無外界物資引入。

3.由于微波能穿透一定厚度的物質進行處理，微波干燥的效率是傳統方法的幾倍至幾十倍。與此同時，它不破多晶硅原有的物理化學性質。

4.節能高效。由于含有水分的物質極易直接吸收微波而發熱，沒有經過其他中間轉換環節，因此除少量的傳輸損耗外幾乎無其他損耗。比一般常規加熱省電約30%～50% 。

參考文獻：

[1] 王小東，超聲波清洗工藝簡介，江西光學儀器，2000（1）

[2] 李晟;韋東才， 隧道式微波干燥滅菌機， 申請號：02229935.1， 2002年03月

[3] 王家寶，超聲波清洗工藝的原理及應用，柴油機設計與制造，2006年，第4期第14卷