本发明专利技术提供一种回收利用金刚线硅切割副产硅泥的方法和所用装置与系统，本发明专利技术的方法主要是利用金刚线硅切割所产硅泥颗粒表面具有高度氧化层的特性，使其与相邻的内部单质硅硅发生歧化反应生成氧化亚硅以气态脱除，达到可与金属、卤素气体、卤化氢气体或氢气进行物理化学反应，生成高附加值的含硅工业产品，实现了金刚线硅切割硅泥的大规模、高效、节能、连续和低成本完全循环利用。
【技术实现步骤摘要】
一种回收利用金刚线切割硅料副产硅泥的方法装置和系统
本专利技术涉及回收利用硅材料在切割过程中耗损的硅，尤其涉及一种利用金刚线切割硅料所副产的硅泥来生产含硅产品的方法、装置设备与系统。
技术介绍
高纯硅材料被拉制成单晶和铸锭后被切割成薄片，可用于半导体集成电路和太阳能光伏电池。随着技术的发展，硅片越来越薄，特别是太阳能光伏电池硅片的厚度，已经与切割所用金刚线的直经相当。但金刚线硅片切割中，存在硅原料损耗，这些损失的硅，被磨成细粉与金刚线上的磨损料一起混入切割液，由于切割时局部温度很高，导致被切割下来的硅粉颗粒表面形成一层二氧化硅氧化层，所以在切割液中除了有用的硅粉之外，还有碎金刚石、切割线上固定金刚石颗粒的的树脂或镍基合金以及切割线基体钢线料，颗粒细微，性质各异，虽然这些杂质成分相对较少，仅占总量的千分之几，由二氧化硅包裹的硅粉占99％以上，其中硅粉内部的单质硅占85％以上，但如将其中有用部分硅分离出来依然非常的困难。中国专利CN201210106821.4和CN201210127930.4介绍通过多次提纯熔炼成多晶硅；中国专利CN201610164160.9利用热还原生成工业硅；中国专利CN201610429832.4利用中频炉加入渣剂熔炼，然而，这些现有技术采用的工艺多重繁杂，会引入大量酸碱等腐蚀和环境不友好化学物品，且进行酸洗，除去金属杂质和二氧化硅表面层，然后将净化后得到的硅粉高温感应熔炼制得硅锭的方法,不仅成本高，且对环境造成的二次污染严重，造成过多原料损失与浪费。另外，现有技术忽略原料是结构松散以及有较厚的不均匀表面氧化层的细粉，都属间歇操作，经过酸洗等传统方法除去表面氧化层的硅粉又经过加多重清洗，极易在后续的烘干过程中被再次过度氧化。而且与实际应用不匹配。本专利技术采取连续操作，在真空或惰性气体环境下除去氧化层，并将得到的硅直接转化为下游产品，可避免再次与空气间的氧化，同时产生高附加值的产品，用于更广泛
技术实现思路
针对现有技术中金刚线切割硅原料工艺流程长、过程复杂、能耗高、有效利用少等缺点，本专利技术利用硅泥颗粒(Si)表面具有在切割时所产生的较厚的氧化层(SiO2)的特性，在真空或非氧化气氛下采用歧化的办法让表面氧化层与其内部与之紧密相邻的单质硅反应，生成氧化亚硅升华并脱离硅颗粒表面，达到去除表面氧化层的目的，从而可与金属、卤素气体、卤化氢气体或氢气进行物理化学反应，使得硅泥进一步转化为单质硅、硅合金、和卤硅烷等成为可能，生成高附加值的含硅工业产品。同时还产生了更具价值的可用于多领域的氧化亚硅。解决了传统方法，采用酸洗，加入还原剂等去除硅表面氧化层的方法，具有成本高、污染环境、还浪费了硅材料等缺点。该方法没有按照传统做法尝试利用密度不同从金刚线硅切割硅泥中分离回收硅粉，也摒弃了传统人们认为硅切割硅泥中硅粉未被氧化或已被完全氧化的两个极端误区，而是将硅切割硅泥直接作为反应原料进行含硅产品的制备，达到流程短、能耗低、分离完全和利用充分的效果。同时，将金刚线切割硅原料副产硅泥的有效利用与氧化亚硅的规模化生产有机结合起来，实现了金刚线硅切割硅泥的大规模、高效、节能、连续和低成本完全循环利用。本专利技术采用羰基化技术除去硅泥中的金属杂质也具有广泛意义。因为在现在工业生产中产生大量过渡金属Co、Ni、Cr等排放物，大多以工业污泥形式存在，有时过渡金属渗透到土壤中造成更大的环境破坏，处理这类过渡金属污染一直是环境保护难题，传统方法多采用酸洗的方式除之，但成本高，造成环境污染，还造成过渡金属的浪费。针对该问题，本专利技术利用这类金属可以羰基化的原理，实现干法回收过渡金属的目的和完全利用的效果，是一种新型的环保处理方法，不仅可以有效的回收处理转换含金属杂质的固体危险废弃物，同时还可利用来修复已被污染的土壤，解决了工业排放物中含有的过渡金属污染环境被浪费的问题。氧化亚硅的合成与收集属于气相到固相的过程，传统方法是靠研磨高纯硅与高纯二氧化硅形成氧化亚硅前躯体，然后通过高温歧化使氧化亚硅升华并沉积在反应器下游管内进行收集，但随着反应时间延长，管内径越来越小，内壁表面积越来越小，收集效率越来越低，以至于反应不得不终止，效率很低。本专利技术是将产生的气态氧化亚硅排进(由负压吸入)含有中空通冷却介质的管状或板状衬底，或流动的颗粒状衬底的收集系统中进行收集，氧化亚硅在衬底外表面沉积，随着时间延长，沉积表面积越来越大，沉积率越来越高，当衬底沉积较多后，可终止沉积(或取出大颗粒，加进小颗粒)，取下产品后继续收集，没有限制，从而可实现大面积，连续生产法(见图6和7)，极大地提高了生产效率，降低了生产成本。本专利技术还提供一种实现所述方法所用反应器设备/装置/系统；提供氧化亚硅材料的独一前躯体(原料)的方法；提供收集上述氧化亚硅材料的装置；提供上述收集氧化亚硅材料的装置的应用。传统方法生产氧化亚硅，采取高纯硅与高纯二氧化硅研磨混合然后在高温歧化，成本高，反应不能完全进行，因为颗粒相交处反应生产氧化亚硅挥发后，二氧化硅与硅颗粒不再接触，便无法进一步反应。本专利技术通过控制硅颗粒(Si)表面的氧化层(SiO2)，这可以是硅的氧化，也可以是过渡氧化的硅氧化合物的还原主要是让前躯体中单质硅与二氧化硅的摩尔比相近，然后在真空或惰性气氛下采用歧化的办法让表面氧化层与其内部与之紧密相邻的单质硅(或内部二氧化硅与外部的单质硅)反应，生成氧化亚硅升华并脱离硅颗粒表面。这样只需要一种合成前躯体(原料)，而不用像传统方法由高纯二氧化硅与硅混合。本专利技术的目的还在于提供一种干法除去过渡金属杂质的羰基化方法以及装置。在现在工业生产中产生大量过渡金属Co、Ni、Cr、等排放物，大多以工业污泥形式存在，有时过渡金属渗透到土壤中造成更大的环境破坏，处理这类过渡金属污染一直是环境保护难题。本专利技术利用这类金属可以羰基化的特点，采用羰基化方法处理工业污泥中的过渡金属，可实现干法回收的目的和完全利用的效果，是一种新型的环保处理方法。具体操作为达上述目的，一方面，本专利技术提供了一种回收利用金刚线硅切割液分离出固体硅泥的方法(技术流程见图2a，b和c)该方法包括：步骤一、对金刚线硅片切割废液进行固液分离，除去其中可挥发成分，制得干燥的粉、粒或块状固体硅泥(一般为压滤过后，干燥后的硅泥又称硅粉，本步骤为非必要技术特征，可由外部加工实现)。具体：将固体硅泥固液分离和干燥，使得其中挥发成份少于30％，优选的少于10％，更优选点少于1％。采用干燥设备对半干硅粉进行干燥处理，干燥处理在230℃就将原来切割液中的物质挥发尽了，得到干燥的固体硅泥。固液分离：金刚线切割废浆有很大的回收价值主要是硅粉，必须要进行固液分离以固体进行回收。传统方法为了获得固体，要对废浆进行固液分离，固液分离的方法可以是现有技术任何可行的方法。在分离完之后，固体中还有一定量的液体，可进行清洗。在清洗完之后，就可以对固体进行干燥，以提纯硅，为了分离出含硅固体，可采用静置法、溢流法和浮选法。为了进行有效的进行固液分离，采取离心机和抽滤进行有效的分离，以达到分离的效果。液态浮选：精密过滤、膜分离、抽滤法。干燥：在经过除杂和固液分离后，所得的固体的主要成分主要是硅。进一步干燥可除去水分对下游反应的影响。干燥的具体方式：可采用常用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种回收利用金刚线硅切割所产硅泥的方法，其特征在于：让分离出液体并干燥后的金刚线切割硅泥颗粒表面的二氧化硅与其内部的单质硅之间的歧化反应生成氧化亚硅排出，使得进一步物理熔解反应和卤化反应生成单质硅，硅合金以及卤硅烷成为可能，同时产生氧化亚硅。
【技术特征摘要】
2017.03.27 CN 2017102064938;2017.05.05 CN 201710361.一种回收利用金刚线硅切割所产硅泥的方法，其特征在于：让分离出液体并干燥后的金刚线切割硅泥颗粒表面的二氧化硅与其内部的单质硅之间的歧化反应生成氧化亚硅排出，使得进一步物理熔解反应和卤化反应生成单质硅，硅合金以及卤硅烷成为可能，同时产生氧化亚硅。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的干燥为在230℃无气体挥发物，干燥采用的设备为气流干燥、喷雾干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥、冲击干燥、对撞流干燥、过热干燥、脉动燃烧干燥、热泵干燥等之一或组合。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的含硅产品为单质硅、高纯硅、硅合金、氧化亚硅、和卤素硅烷与有机硅单体。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的所述歧化反应是在高温下、真空或惰性气体中进行，反应温度1200-1800℃，反应压力0.001-100MPa，其它生成单质硅、硅合金与卤硅烷的反应与之同时或在此之后进行。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的物理熔解反应为除去表面氧化层过程中或之后的硅粉末颗粒的熔化聚集单质硅或与其它金属形成合金；所述物理反应是硅本身熔化或与其它金属形成合金是在高温下进行。反应温度500-1800℃，反应压力0.001-100MPa。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的化学反应还包括羰基化反应利用一氧化碳与硅泥中过渡金属进行羰基化反应除去金属杂质，所述羰基化反应是硅中过渡金属杂质与一氧化碳反应，是在高温高压下进行。反应温度50-240℃，反应压力0.01-100Mpa。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的化学反应还包括去除表面氧化层的单质硅硅泥粉末颗粒与卤素卤化氢气化反应生成卤素硅烷(SiHxL4-x，L＝F，Cl，Br，和I；X＝0、1、2、3、4)和有机硅单体。所述气化反应(硅与卤素、氢气，所述卤素气体为氟、氯、溴或碘，所述卤化氢气体为氟化氢、氯化氢、溴化氢或碘化氢；是在高温高压与催化剂共同作用下进行。反应温度200-1400℃，反应压力0.01-100Mpa，所述的单质硅是由硅泥经过歧化反应，经过羰基化反应后制得、更优选的反应过程优选地为连续化生产。8.所述的硅合金是指包含硅元素和至少一种其他金属的多元合金，包括硅铝、硅镁、硅铁、硅钙、硅锂、硅钡、硅铝、硅钛.；是在歧化反应后所产单质硅与合金元素熔炼获得，优选的，合金元素与硅泥同时加入反应器，歧化与熔炼同时进行。9.根据权利要求1所述的方法，其中所涉及的过程加热为电阻热场加热，感应加热，微波加热，直接电极电弧，电子束、等离子加热，反应加热，燃烧加热，等方法之一或组合。10.一种用于实现权利要求1所述回收利用金刚线硅切割硅泥的方法的系统，该系统包括：干燥系统；反应器进料系统；加热系统；反应器系统；氧化亚硅收集系统；单质硅或硅合金收集系统；对于进行与卤素的气化反应的反应器，该反应器设置温控设备，优选地，所述反应器为流化床、稀相气流床、喷动床，固定床或移动...
【专利技术属性】
技术研发人员：储晞，
申请(专利权)人：储晞，
类型：发明
国别省市：北京,11
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