太阳能级多晶硅切割废料的利用研究

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化石能源几近枯竭,温室效应日渐明显,光伏新能源因其资源无限、清洁环保、安全可靠等优势已成为世界各国发展的重点。全球光伏产业的高速发展使得对太阳能级多晶硅的需求量猛增,但同时也使得切割多晶硅产生的切割废料浆出现了井喷式增长,在切割废料浆中晶体硅粉约占15wt%、碳化硅粉约占42wt%、聚乙二醇(PEG)约占42wt%。目前国内外除了对PEG和50wt%的碳化硅回收处理外,剩余的全部丢弃成为了废料,既浪费了资源,也污染了环境。因此,研究多晶硅切割废料的再利用具有经济和环境的双重意义,同时对间接降低光伏能源的成本也具有重要意义。本文以锦州阳光新能源有限公司提供的太阳能级多晶硅切割废料为研究对象,采用了一个全新的利用方法:即先对废料中残留的PEG进行回收,再对剩下的废料进行酸洗除杂,然后高温氮化制得氮化硅结合碳化硅制品,最后对其在铝电解工艺中的抗腐蚀性能进行初步的研究。  本研究主要内容包括:⑴从废料中回收PEG:通过蒸馏冷凝法对太阳能级多晶硅切割废料中残留PEG进行回收,回收率为81.8%,约占废料的12.49wt%。对蒸馏后的废料进行物相和成分检测分析,证明:碳化硅76.17wt%、硅10.89wt%、二氧化硅5.34wt%、四氧化三铁5.96wt%、PEG和其他杂质1.55wt%。⑵废料中硅的氧化性质:对切割废料中硅在不同条件下的氧化性质进行了研究,结果为:硅颗粒在PEG分散剂中氧化缓慢,10天氧化率约2.28%;在水中浸泡氧化较快,前3天氧化严重,氧化率约26.85%;在19wt%盐酸及40vol%氢氟酸酸洗过程中硅颗粒氧化缓慢,切割废料中硅含量不减少。⑶酸洗除杂:对切割废料进行酸洗去除二氧化硅和其它杂质,经研究得到用氢氟酸除杂的合适条件为:氢氟酸浓度15vol%、反应温度15℃、反应时间2.5h、液固比4∶1、搅拌速度150r/min,除杂率达到98.83%。⑷废料成型:将切割废料压制成型作为高温氮化的生坯,研究得到较优的成型条件为:粘结剂含量3wt%、压力20MPa、保压时间1.5min,在此条件下所得生坯较优的密度为1.782 g·cm-3。⑸高温氮化:将生坯进行高温氮化得到碳化硅制品,通过研究发现较优的氮化条件为:氮化温度1380℃、氮化时间2h,在此条件下获得的较样品的抗折强度达到17.49MPa,抗压强度156.35 MPa,密度1.941 g·cm-3,气孔率38.62%。⑹抗腐蚀性能:针对碳化硅制品可能用于铝电解槽侧部的耐火材料,探索了本碳化硅制品在铝电解工艺中的抗腐蚀性能,结果表明:在空气中抗腐蚀性较好,体积增加率为4.38%;在熔盐(Na3AlF6)条件下的抗腐蚀性能较好,体积减小率4.88%;在向熔盐中通气的条件下腐蚀效果较为严重,体积减小率为22.29%。
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