不同清洗方式對光伏組件回收硅材料提純效果的影響實驗研究

何銀鳳，郭民，韓金豆

（1.青海黃河上游水電開發有限責任公司光伏產業技術分公司，青海西寧，810007；2.青海黃河上游水電開發有限責任公新能源分公司，青海西寧，810007）

0 引言

隨著光伏行業的不斷發展，廢舊光伏組件處理的問題日益嚴重，根據專業估算,至2020年,廢棄的光伏組件將突破1000t；而到2038年,將高達1957099t[1]。在晶硅光伏組件中電池的制造占組件生產成本的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，對于廢棄光伏組件及光伏電池中硅材料的提純大都處于實驗研究階段，雖然基本確定化學濕法提純為主要的提純方法，但尚無能夠大規模提純光伏組件中硅材料的提純裝置。因此，為實現光伏組件回收的產業化及規模化，有必要確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、擴散、刻蝕、減反射膜沉積、絲網印刷、燒結等一系列工序加工制造而成，晶硅光伏電池結構如圖1所示。

圖1 晶硅光伏電池結構示意圖

對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、氫氟酸等化學試劑將晶硅光伏電池表面的鋁背電場、銀電極及減反射膜等雜質依依溶解，從而得到純度較高的硅材料。而在進行硅材料的提純前，廢舊光伏組件的運輸和封裝材料的拆除過程中，組件中的電池片結構已經配破壞[4]，碎裂成大小不一的碎片。為了達到良好的清洗效果，需要將這些碎片破碎成統一粒度，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這類細小的碎片進行清洗，而在光伏行業中，清洗作業主要是用于硅片的清洗制絨，主要是利用插片形式的工裝，在槽式或鏈式清洗設備進行清洗。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，而對與破碎后的電池碎片，采用這種工裝會使原料從工裝中掉落，造成原料的大量浪費。而采用鏈式清洗方式會使原料在清洗槽內堆積，無法與清洗試劑充分接觸，導致雜質的去除效果不佳。

因此，對于細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粒徑在1mm以下的薄片原料的盛裝，同時還需考慮在清洗提純時要保證清洗裝置內的原料能夠與清洗試劑充分接觸，從而達到清洗要求。

3 鼓泡清洗裝置

對于顆粒狀原料的清洗，多是應用于礦業中的粉末清洗，采用鼓泡清洗的方式，利用鏤空筒狀工裝進行裝料，同時在清洗槽內設置壓縮空氣管路，在清洗時向清洗槽內通入壓縮空氣，鼓出氣泡從而使物料在工裝內翻滾，與清洗試劑充分接觸，達到清洗效果。而電池原料為細小碎片狀原料，其粒度分布范圍較大，由于破碎的不均勻，會含有大量粒度在1mm以下的原料，且厚度僅在180μm左右，若直接利用礦業中的鼓泡清洗方式進行提純同樣會造成大量的原料浪費，因此，需要對鼓泡清洗裝置進行優化改進。

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，需要在工裝內鋪襯一層紗網，如圖2所示。

圖2 內襯紗網筒狀鼓泡工裝

內襯紗網的粒度可以根據原料的粒度分布情況進行選擇，以滿足原料的承裝要求，在進行清洗作業時，試劑會通過筒狀工裝的鏤空及紗網，進入工裝內，與原料進行反應。

4 鼓泡工裝清試驗

■4.1 不同類型鼓泡裝置鼓泡效果試驗

在進行鼓泡清洗時，除工裝外還需有相應的鼓泡裝置，對于鼓泡裝置的選擇，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置一盤軟管，放入底部的卡槽內，并在管路上開孔，清洗時，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內部中空的圓盤，圓盤兩端設有壓縮空氣進氣口，其表面打孔用于通入壓縮空氣以進行鼓泡。

為驗證兩種鼓泡裝置的鼓泡效果，對60g、200g、500g電池顆粒原料進行鼓泡實驗，實驗結果如表1、2所示。

表1 壓縮空氣管路鼓泡實驗

8 5 0 0 0.4 鼓出的汽包十分不均勻，在進氣端鼓出的氣泡較大，而遠離進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，在進氣端鼓出的氣泡較大，而遠離進氣端鼓出的氣泡較小

表2 壓縮空氣空腔盤鼓泡實驗

通過實驗發現，當清洗原料較少時，采用壓縮空氣管路鼓泡或是空腔盤進行鼓泡均能起到很好的鼓泡效果，但當原料質量大于200g時，壓縮空氣管路對原料的鼓泡效果有明顯下降。同時當增大鼓泡氣壓時，壓縮空氣管路的鼓泡裝置對鼓出的氣泡難以控制，容易發生氣泡噴發，將原料帶出工裝外的現象。而在采用空腔盤進行鼓泡時，由于壓縮空氣在空腔內有一定的緩沖，因此對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驗

就鼓泡的原理而言，主要是通過從工裝底部通入鼓泡介質，從而使工裝內的原料在清洗試劑中翻騰以達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或是風機鼓泡。為了使實驗更加接近實際生產中大量的原料清洗，在不同鼓泡方式的實驗中將原料質量增加至5Kg進行鼓泡效果實驗。實驗仍采用筒狀工裝內襯紗網，選用鼓泡較為均勻的空腔盤鼓泡裝置，采用四路鼓泡進口，空腔盤直徑φ270mm，表面開設50個鼓泡孔，孔徑φ2mm，正對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）自循環鼓泡

試劑自循環的鼓泡方式，主要是采用自吸泵或是自循環泵抽出槽內清洗試劑，再通過不同類型的水泵進行增壓后重新打入清洗工裝中，試劑自循環鼓泡實驗結果如表3所示。

表3 試劑自循環鼓泡實驗

由于清洗槽及工裝中本就充滿液體，因此在使用液體進行鼓泡時，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，無法將質量達5Kg的原料鼓起，僅有極少數片狀原料漂浮在試劑中，如圖5所示。

圖5 試劑自循環鼓泡效果

（2）風機鼓泡實驗

風機鼓泡方式，是利用不同規格的風機向工裝內鼓風，從而利用風壓將試劑內的原料鼓起，由于在水泵的鼓泡試驗中，僅在總進液口有極少數片狀原料漂浮在試劑中，而遠離進水口的地方則難以鼓起原料，因此對空腔盤進行改進，擴大空腔盤表面開孔孔徑至φ3mm，風機鼓泡實驗結果如表4所示。

表4 風機鼓泡實驗

通過實驗發現，采用空腔盤鼓泡裝置利用風機進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，當清洗原料質量為5Kg時，可選用功率為1.5KW的風機進行鼓泡，即可達到良好的鼓泡效果，而在實際生產中，風機、風壓的選擇需要根據原料質量的不同進行調整。

圖6 風機鼓泡效果

5 結論

通過對不同類型鼓泡裝置、鼓泡方式的對比試驗可以發現在晶硅光伏組件電池硅材料的回收中，可以利用空腔盤風機鼓泡的方式對細小的電池碎片進行清洗提純，采用該裝置不僅能夠有效的承裝細小的電池碎片，而且能夠有效地使工裝內的原料與清洗試劑接觸，從而保證原料的清洗效果，該裝置的研究對于晶硅光伏組件的回收利用具有重要現實意義，同時也可用于其他細小顆粒狀原料的清洗。