不同清洗方式对光伏组件回收硅材料提纯效果的影响实验研究

何银凤，郭民，韩金豆

（1.青海黄河上游水电开发有限责任公司光伏产业技术分公司，青海西宁，810007；2.青海黄河上游水电开发有限责任公新能源分公司，青海西宁，810007）

0 引言

随着光伏行业的不断发展，废旧光伏组件处理的问题日益严重，根据专业估算,至2020年,废弃的光伏组件将突破1000t；而到2038年,将高达1957099t[1]。在晶硅光伏组件中电池的制造占组件生产成本的65%，而硅片占晶硅电池成本的60%[2]，有研究表明,将回收之后的晶硅片经过熔铸形成高纯硅，比起从石英砂中提炼硅，其成本要低得多[3]。目前，对于废弃光伏组件及光伏电池中硅材料的提纯大都处于实验研究阶段，虽然基本确定化学湿法提纯为主要的提纯方法，但尚无能够大规模提纯光伏组件中硅材料的提纯装置。因此，为实现光伏组件回收的产业化及规模化，有必要确定一种既能保证硅材料回收率，又能确保提纯效果的方式及提纯装置。

1 晶硅光伏电池硅材料回收工艺

晶硅光伏电池是光伏组件的核心，其主要原料为纯度较高的晶体硅材料，通过制绒、扩散、刻蚀、减反射膜沉积、丝网印刷、烧结等一系列工序加工制造而成，晶硅光伏电池结构如图1所示。

图1 晶硅光伏电池结构示意图

对于湿法提纯回收光伏电池中硅材料的提纯，主要利用氢氧化钠、硝酸、氢氟酸等化学试剂将晶硅光伏电池表面的铝背电场、银电极及减反射膜等杂质依依溶解，从而得到纯度较高的硅材料。而在进行硅材料的提纯前，废旧光伏组件的运输和封装材料的拆除过程中，组件中的电池片结构已经配破坏[4]，碎裂成大小不一的碎片。为了达到良好的清洗效果，需要将这些碎片破碎成统一粒度，通常破碎后电池颗粒的粒径小于1mm。

2 提纯装置基本要求

晶硅光伏电池在经过破碎工序后，其粒径往往在1mm以下，且厚度仅为180μm。因此采用一般的清洗方式难以对这类细小的碎片进行清洗，而在光伏行业中，清洗作业主要是用于硅片的清洗制绒，主要是利用插片形式的工装，在槽式或链式清洗设备进行清洗。插片形式的工装，主要是用于完整的硅片或是电池片的清洗，而对与破碎后的电池碎片，采用这种工装会使原料从工装中掉落，造成原料的大量浪费。而采用链式清洗方式会使原料在清洗槽内堆积，无法与清洗试剂充分接触，导致杂质的去除效果不佳。

因此，对于细小的碎片状晶硅光伏电池中硅材料的清洗提纯首先需要考虑的是对粒径在1mm以下的薄片原料的盛装，同时还需考虑在清洗提纯时要保证清洗装置内的原料能够与清洗试剂充分接触，从而达到清洗要求。

3 鼓泡清洗装置

对于颗粒状原料的清洗，多是应用于矿业中的粉末清洗，采用鼓泡清洗的方式，利用镂空筒状工装进行装料，同时在清洗槽内设置压缩空气管路，在清洗时向清洗槽内通入压缩空气，鼓出气泡从而使物料在工装内翻滚，与清洗试剂充分接触，达到清洗效果。而电池原料为细小碎片状原料，其粒度分布范围较大，由于破碎的不均匀，会含有大量粒度在1mm以下的原料，且厚度仅在180μm左右，若直接利用矿业中的鼓泡清洗方式进行提纯同样会造成大量的原料浪费，因此，需要对鼓泡清洗装置进行优化改进。

电池碎片的清洗提纯装置，同样采用镂空的筒状工装，但是为了避免原料的浪费，需要在工装内铺衬一层纱网，如图2所示。

图2 内衬纱网筒状鼓泡工装

内衬纱网的粒度可以根据原料的粒度分布情况进行选择，以满足原料的承装要求，在进行清洗作业时，试剂会通过筒状工装的镂空及纱网，进入工装内，与原料进行反应。

4 鼓泡工装清试验

■4.1 不同类型鼓泡装置鼓泡效果试验

在进行鼓泡清洗时，除工装外还需有相应的鼓泡装置，对于鼓泡装置的选择，可以直接将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盘，如图3所示。

图3

其中，压缩空气管路鼓泡装置是在清洗槽底部设置一盘软管，放入底部的卡槽内，并在管路上开孔，清洗时，向管路中通入压缩空气，以起到鼓泡的作用。压缩空气空腔盘鼓泡装置是用塑料板材做出一个内部中空的圆盘，圆盘两端设有压缩空气进气口，其表面打孔用于通入压缩空气以进行鼓泡。

为验证两种鼓泡装置的鼓泡效果，对60g、200g、500g电池颗粒原料进行鼓泡实验，实验结果如表1、2所示。

表1 压缩空气管路鼓泡实验

8 5 0 0 0.4 鼓出的汽包十分不均匀，在进气端鼓出的气泡较大，而远离进气端鼓出的气泡较小9 5 0 0 0.6 鼓出的汽包十分不均匀，在进气端鼓出的气泡较大，而远离进气端鼓出的气泡较小

表2 压缩空气空腔盘鼓泡实验

通过实验发现，当清洗原料较少时，采用压缩空气管路鼓泡或是空腔盘进行鼓泡均能起到很好的鼓泡效果，但当原料质量大于200g时，压缩空气管路对原料的鼓泡效果有明显下降。同时当增大鼓泡气压时，压缩空气管路的鼓泡装置对鼓出的气泡难以控制，容易发生气泡喷发，将原料带出工装外的现象。而在采用空腔盘进行鼓泡时，由于压缩空气在空腔内有一定的缓冲，因此对鼓出汽包的大小更容易控制，使得鼓出的气泡更加均匀。

■4.2 不同鼓泡方式鼓泡效果实验

就鼓泡的原理而言，主要是通过从工装底部通入鼓泡介质，从而使工装内的原料在清洗试剂中翻腾以达到与试剂充分接触的目的，提升原料的清洗效果。因此在鼓泡方式上可以选择采用清洗试剂的自循环或是风机鼓泡。为了使实验更加接近实际生产中大量的原料清洗，在不同鼓泡方式的实验中将原料质量增加至5Kg进行鼓泡效果实验。实验仍采用筒状工装内衬纱网，选用鼓泡较为均匀的空腔盘鼓泡装置，采用四路鼓泡进口，空腔盘直径φ270mm，表面开设50个鼓泡孔，孔径φ2mm，正对鼓泡口位置的开孔孔径为3.5mm，如图4所示。

图4 空腔盘鼓泡装置

（1）自循环鼓泡

试剂自循环的鼓泡方式，主要是采用自吸泵或是自循环泵抽出槽内清洗试剂，再通过不同类型的水泵进行增压后重新打入清洗工装中，试剂自循环鼓泡实验结果如表3所示。

表3 试剂自循环鼓泡实验

由于清洗槽及工装中本就充满液体，因此在使用液体进行鼓泡时，用于鼓泡的液体受到的流体阻力较大，加上原料本身重量较大，无法将质量达5Kg的原料鼓起，仅有极少数片状原料漂浮在试剂中，如图5所示。

图5 试剂自循环鼓泡效果

（2）风机鼓泡实验

风机鼓泡方式，是利用不同规格的风机向工装内鼓风，从而利用风压将试剂内的原料鼓起，由于在水泵的鼓泡试验中，仅在总进液口有极少数片状原料漂浮在试剂中，而远离进水口的地方则难以鼓起原料，因此对空腔盘进行改进，扩大空腔盘表面开孔孔径至φ3mm，风机鼓泡实验结果如表4所示。

表4 风机鼓泡实验

通过实验发现，采用空腔盘鼓泡装置利用风机进行鼓泡能够很好的利用鼓泡将清洗原料鼓起，使其在清洗试剂中充分的翻腾，如图6所示，当清洗原料质量为5Kg时，可选用功率为1.5KW的风机进行鼓泡，即可达到良好的鼓泡效果，而在实际生产中，风机、风压的选择需要根据原料质量的不同进行调整。

图6 风机鼓泡效果

5 结论

通过对不同类型鼓泡装置、鼓泡方式的对比试验可以发现在晶硅光伏组件电池硅材料的回收中，可以利用空腔盘风机鼓泡的方式对细小的电池碎片进行清洗提纯，采用该装置不仅能够有效的承装细小的电池碎片，而且能够有效地使工装内的原料与清洗试剂接触，从而保证原料的清洗效果，该装置的研究对于晶硅光伏组件的回收利用具有重要现实意义，同时也可用于其他细小颗粒状原料的清洗。