周先桃，蔡俊，吳錦毅，萬旭輝，邢曉陽

（華東理工大學化工機械研究所，上海200237）

進入21世紀以來，作為利用太陽能的形式，光伏發(fā)電發(fā)展速度很快。在線切割硅晶這一過程中，理論估計有30%～40%的硅粉以細顆粒的形式摻進切割磨料中，而在實際中這一數(shù)據(jù)可能會更高[1]。隨著硅粉的進入和切割過程的進行，磨料中的碳化硅顆粒會逐漸喪失切割作用。此時的切割液就會成為典型的切割廢砂漿，其中會有質(zhì)量分數(shù)約為43%的碳化硅、42%的切割液、12%的硅和3%的金屬廢屑（主要以鐵為主）[2]。

砂漿回收廠家已有的幾種工藝方法，在回收效率、再生質(zhì)量及再生過程中，資源消耗與環(huán)境污染等問題成為制約其發(fā)展的痼疾。以下舉一些例子作簡要分析。

（1）板框固液分離—沉淀池酸堿洗滌法：這種方法雖然在碳化硅回收的純度指標上有保障，但缺點顯而易見，最大的危害就是在生產(chǎn)過程中必須添加大量的酸和堿，進行反復(fù)洗滌。酸堿的使用不僅消耗大量化學資源，而且消耗大量的淡水資源，酸堿洗后產(chǎn)生的污水成為當?shù)刂匾奈廴驹?，不適合綠色經(jīng)濟的發(fā)展趨勢；再者，經(jīng)過洗滌后的碳化硅顆粒集中度低，顆粒分布形態(tài)不好，還要進行分級工序，較繁瑣。

（2）離心機分離法：利用離心力將細小的破碎顆粒及被切削下來的硅粉與符合要求的碳化硅進行分離。該系統(tǒng)的缺陷主要體現(xiàn)在：首先，該方式僅能將廢砂漿體系內(nèi)的部分細碳化硅顆粒和游離的硅粉剔除，但無法達到與碳化硅微粉相同的顆粒分布形態(tài)。其次，該處理方法無法將附著在碳化硅顆粒表面的硅微粉去除，因此經(jīng)過處理后的回收碳化硅砂漿純度不高，無法直接使用，必須添加新碳化硅微粉才能用于再次切割。再次，過程中污水無法循環(huán)利用，有污水排放，增加后續(xù)水處理負擔。

（3）開放式旋流器組多級洗滌法：該方法采用4～6組或更多組旋流器組進行分離工作，在每組旋流器下方要放有一個儲料槽，必須搭建二層平臺。一組分離完成后料液進入下方儲料槽，然后再經(jīng)泵打入下一組旋流器，依次進行。首先，該方法是間斷開放式進行，各組旋流器不能連續(xù)不斷地工作，操作繁瑣。其次，該裝備需要搭建二層平臺，生產(chǎn)面積大。第三，系統(tǒng)一樣存在酸堿污水后續(xù)處理問題，水資源循環(huán)使用困難。最后，它的旋流器分離有較嚴重的溢流跑料情況，通常溢流口碳化硅跑料要達到15%以上或更高。

針對當前問題，作者開發(fā)了一套逆流洗滌的方法以實現(xiàn)硅晶切割料的分離與純化，減少化學資源的消耗，根除酸堿水污染的綠色化再生工藝裝備，取代當前硅晶切割廢砂餅資源化回收過程中的酸堿洗工藝。

1 硅晶切割砂綠色再生工藝與裝備

1.1 硅晶切割砂綠色再生工藝

設(shè)備采用工藝的基本原理是：將硅晶切割廢砂餅用水稀釋攪拌成切割砂懸浮液，然后利用輸送泵的攪拌作用和旋流器的高速旋轉(zhuǎn)作用，實現(xiàn)對硅晶切割料的洗滌、分級與濃縮，同時將洗滌旋流器組出來的底流濃縮液作為后一級旋流器的待洗切割砂懸浮液，將洗滌旋流器組出來的溢流清液作為前一級洗滌旋流器的洗滌液，通過多級的組合實現(xiàn)從硅晶切割廢砂餅中回收硅晶切割料的目的，充分發(fā)揮洗滌液的洗滌作用，同時實現(xiàn)洗滌液和稀釋液循環(huán)利用、節(jié)約資源、減少排放的目的。圖1為工藝的具體流程。

本工藝流程可以簡單概述為：在原料槽中把廢砂餅與水按一定比例配置成懸浮液，通過給料泵把懸浮液輸送進第一級泵進口端處，與第二級溢流口流出的溢流液合并后進入第一級旋流器組進行分離；第一級底流口流出的砂餅懸浮液與第三級溢流口的溢流液混合后進入第二級旋流器組進行分離。依次類推，物料從原料槽中過來后一共會進行六級分離洗滌。需要注意的是，與第五級底流口流出的砂餅懸浮液混合的是補水罐中的清水，然后再進入第六級旋流器組分離。最后的結(jié)果為第一級溢流口處的溢流液為硅粉和破碎的碳化硅顆粒，在進行壓濾過后得到的清水可以循環(huán)使用，作為廢砂餅配料水與補水罐用水。第六級底流口處的懸浮液即為所要分離回收的碳化硅產(chǎn)品懸浮液，經(jīng)過固液分離后的清水可用來循環(huán)使用，固態(tài)物質(zhì)即為碳化硅產(chǎn)品。

1.2 硅晶切割砂綠色再生裝備

根據(jù)上述工藝流程，開發(fā)了基于水力旋流器組的六級封閉循環(huán)硅晶切割砂綠色再生裝備。本裝備能對硅晶切割廢砂餅進行逆流洗滌，起到切割料分級、提高切割料純度、節(jié)約水資源、減少污染排放的作用。圖2為本裝備在車間的真實安裝圖。

本裝備由六級旋流器組、六臺型號80TFJ-55K（無錫市耐爾泵業(yè)有限公司）的特種耐磨耐腐蝕泵、調(diào)節(jié)閥、溢流排氣閥、變頻電柜以及排污管道等組成。

其中泵最高流量為 40 m3/h、揚程 55 m、轉(zhuǎn)數(shù)2 900 r/min、吸程6 m、進出口直徑為80 mm和50 mm，與之匹配的電機最高功率為11 kW。調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)旋流器組進口、底流和溢流流量，起到調(diào)節(jié)旋流器組分流比的作用。設(shè)備頂端處的排氣閥可以排盡管路中的空氣，保證管道充滿液體。變頻電柜調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，控制裝備入料量。排污管道在運行結(jié)束后排盡系統(tǒng)內(nèi)的料液。

2 硅晶切割砂綠色化再生工藝裝備的工業(yè)化試運行

2.1 試運行物料與條件

一般廠家通過固液分離后所得到的廢砂餅中的顆粒粒徑分布如表1所示。

表1 廢砂餅顆粒粒徑分布表

小于6μm的顆粒都是硅粉和破碎的無效碳化硅顆粒，是需要去除的部分，6μm以上的部分就是需要回收的。一般在這部分的碳化硅顆粒的表面上還會附著有一定的細微硅粉，這也是在處理過程中需要除去的，否則會影響產(chǎn)品的純度。

試運行在室溫條件下展開，使用的原水為廠內(nèi)工業(yè)用清水。水質(zhì)情況為：中性、微量BOD5、無CODcr、無鐵錳等含量、氯離子含量小于等于250 mg/L、無氨氮磷、溶解性總固體含量小于等于1 000 mg/L。

2.2 工業(yè)試運行過程

在裝備試運行中，根據(jù)旋流器溢流與底流的分流比設(shè)計為2∶1，原料槽中清水與原料配比為5∶1，泵的流量控制在15 m3/h等條件，得出系統(tǒng)后端的補水量為10 m3/h。

“我們過段時間就要清塘出貨了，明年早春的網(wǎng)具、水褲、清塘魚藥咱就早點兒進貨，幫助老張分流點庫存?！蓖灏l(fā)小的水產(chǎn)養(yǎng)殖大戶領(lǐng)著兒子媳婦三人，推著車輛進店，向著老張的漁需物件“采購淘貨”來了。

運行過程中，由于旋流器尺寸參數(shù)已經(jīng)確定，所以能影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的就只剩下系統(tǒng)的操作參數(shù)，如物料的進料濃度、補水量、壓力降和入料壓力等。在保證3個量不變的情況下，控制第4個變量，反復(fù)調(diào)整獲得它的最佳值。依此原理可以得到每一個變量的最佳工作點，表2為匯總后確定的最佳工況點。

表2 工況參數(shù)

在表2所示參數(shù)下運行時，設(shè)備系統(tǒng)運行穩(wěn)定，得到的產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠?？梢哉J為此工況即為設(shè)備的最佳工作點。

3 試運行數(shù)據(jù)分析

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量分析

對產(chǎn)品質(zhì)量的分析一共分為兩方面：產(chǎn)品粒度分析和純度分析。這次產(chǎn)品的粒度分析通過歐美克測試儀器（珠海歐美克儀器有限公司）的粒度測試報告進行。儀器類型LS-POP（VI）、檢測時的分析模式為rosin-ram、樣品折射率2.60、介質(zhì)折射率1.33、擬合殘余0.02、超聲時間2、遮光比19.3%。最終測得的產(chǎn)品D50為8.79μm、D3為 12.67μm、D94為5.10μm。產(chǎn)品粒度分布曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，產(chǎn)品顆粒的分布情況基本聚集于10μm附近，從1.35μm含量0.01%開始到16.11μm含量1.28%結(jié)束。把6～11μm這一粒徑區(qū)間的各項粒徑分布累積起來后，算得這一段的顆粒集中度達到總體的78.45%，效果十分良好。而且此段的粒徑分布情況滿足了作為循環(huán)使用切割砂的粒徑分級要求，無需再在后續(xù)工作中再次進行分級。

對于產(chǎn)品純度，通過測試后得到底流液中碳化硅純度達到97%，這是一個十分理想的結(jié)果，超過了所有其余旋流器工藝的純度指標。

3.2 溢流跑料分析

在利用旋流器回收洗滌碳化硅顆粒時，一個關(guān)鍵的問題就是要控制有效顆粒通過旋流器組溢流端跑出系統(tǒng)。如果溢流液中有過多碳化硅顆粒，廠家則需要對溢流液進行再一次的回收工作，既不經(jīng)濟也浪費了人力物力。所以對于一套設(shè)備來說，溢流跑料量就是評價一個系統(tǒng)的關(guān)鍵指標，它代表了砂餅的回收效率。當旋流器設(shè)備能把溢流跑料量控制在5%以內(nèi)時，設(shè)備就是成功的。

溢流液檢測儀器為歐美克儀器（珠海歐美克儀器有限公司），儀器類型 LS-POP（VI）、分析模式 rosinram、樣品折射率2.00、介質(zhì)折射率1.33、擬合殘余0.08、超聲時間2、遮光比16.7%。

從儀器數(shù)據(jù)表和曲線圖中都能得出，在溢流中粒徑大于5μm的顆粒含量為1.27%，而大于6μm的顆粒含量僅有0.06%，說明在溢流液中基本不存在產(chǎn)品跑料現(xiàn)象，有效的碳化硅顆粒都進入了回收系統(tǒng)，保證了最后產(chǎn)品的回收率，達到了裝備的設(shè)計目標。

3.3 運行成本分析

設(shè)備設(shè)計為處理砂餅量1 t/h，據(jù)工況表2中數(shù)據(jù)按每臺電機平均75%使用量得到6臺電機1 h耗能為：66×75%=49.5 kW

按工業(yè)生產(chǎn)用電電費1元/kW·h計算，本設(shè)備處理1 t砂餅?zāi)芎男?9.5元。

現(xiàn)今工業(yè)上用到的常規(guī)旋流器組，一般分為6～8組，每組旋流器組還要配備1個輸送泵和一個攪拌電機。按6組計算，總共也需要90 kW/h的能耗。

兩者相比，更能看出本套裝備的優(yōu)勢：在產(chǎn)品質(zhì)量有保證的前提下，所需要的能耗也相對低很多。

3.4 資源消耗分析

在資源消耗方面，本設(shè)備處理1 t砂餅僅需用到清水15 t（包括原料配漿5 t與第六級補水量10 t），即循環(huán)水總量為15 t/h。這15 t清水最終通過對底流和溢流懸浮液的壓濾后回收，用于下一循環(huán)的配漿和補水。由于切割廢砂漿在通過壓濾得到砂餅的過程中不可能完全去除砂餅中的聚乙二醇，所以當循環(huán)水中的聚乙二醇含量達到影響流體粘度的程度時，需要更換一批15 t量的清水。

而在常規(guī)的堿溶酸洗工藝中，除了需要大量清水外，還需要消耗很多化學資源。以表1所示的1 t廢砂餅為例，其中含有約12%的硅粉即為120 kg，如采用堿洗工藝：

可以求得需要燒堿343 kg，按現(xiàn)在市場燒堿的較低價格2 450元/t計算，需要花費840元。再加上后續(xù)的除去硅酸鈉的氫氟酸洗滌，工業(yè)用氫氟酸價格為3 800元/t，實際處理廢砂餅的價格已經(jīng)超過了1 000元/t。

從資源消耗的對比可以看出，本設(shè)備僅需少量清水循環(huán)使用，相對于大量水資源和化學資源消耗的常規(guī)工藝來說無疑是一個巨大的進步。

4 結(jié)論

采用上述設(shè)備系統(tǒng)的意義與所產(chǎn)生的有益效果在于：

（1）從硅晶切割廢砂餅到回收清潔的硅晶切割料的過程是在封閉的管路設(shè)備中進行，消除了硅晶切割料再次污染的風險；

（2）洗滌液、稀釋液可以循環(huán)使用，減少了水資源的消耗，1 h內(nèi)的循環(huán)水總量僅為15 t；

（3）采用逆流洗滌的方法，充分發(fā)揮了洗滌液的洗滌功能，提高了硅晶切割料的純度，達到97%，同時顆粒粒徑集中度為78.45%；

（4）取代了硅晶切割廢砂漿回收硅晶切割料過程中的堿溶工序，減少了化學資源的消耗，根除了酸堿液污染源，保護了環(huán)境；

（5）該方法形成的裝備緊湊，減少了操作空間，節(jié)約了基礎(chǔ)投資；

（6）工作電機功率低，長時間工作綜合能耗少，生產(chǎn)成本低。

[1]邢鵬飛，郭菁，劉燕，等.單晶硅和多晶硅切割廢料漿的回收[J].材料與冶金學報,2010，9(2):148-153.

[2]仝宇，徐冬梅，齊維，等.硅切割廢砂漿回收現(xiàn)狀[J].無機鹽工業(yè)，2011,43(9)：5-7.