一种基于晶体硅切割废料制备的再生硅及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于晶体硅切割废料制备的再生硅及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将晶体硅切割废料进行压块成型处理，得到块状硅料；(2)熔化第一渣剂，得到熔渣液；(3)将步骤(1)所得块状硅料持续性投入步骤(2)所得熔渣液中，进行第一熔渣精炼，得到第一精炼渣与溶体硅；(4)混合第二渣剂与步骤(3)所得溶体硅，进行第二熔渣精炼，得到第二精炼渣与再生硅；其中，步骤(1)与步骤(2)不分先后次序；步骤(3)所得第一精炼渣与步骤(4)所得第二精炼渣进行重复利用。本发明专利技术克服了废硅粉难熔、硼磷同步去除困难以及精炼过程炉底沉渣等不利于应用的技术问题，同时简化了工艺，降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于晶体硅切割废料制备的再生硅及其制备方法
本专利技术属于二次资源利用的
，涉及一种再生硅及其制备方法，尤其涉及一种基于晶体硅切割废料制备的再生硅及其制备方法。
技术介绍
从晶体硅切割废料中提取硅可以使硅资源实现高价值利用，并进一步降低光伏产业成本，具有广阔的工业应用前景。传统的砂浆切割工艺在切割过程中会产生碳化硅颗粒、硅切缝颗粒以及一些金属碎片。由于硅和碳化硅具有相似的物理特性，很难从硅切割废料中分离出硅。目前从晶体硅切割废料中分离硅的研究主要包括高温处理、离心处理或合金化处理。与传统的砂浆法相比，新型金刚石线锯法生产的硅切缝中不含碳化硅颗粒，切割废硅粉中的主要物质是硅，另外有钢线磨损的Ni、Fe，它们以物理掺杂的方式混在废硅粉中，其次还有C、O、B、P等非金属元素。废硅粉粒度小，表面活性高，导致硅粉表面被氧化造成硅的损失和难熔问题。B、P为太阳能级硅中的主要杂质，如果太阳能电池的基材中含有B与P元素，将显著影响太阳能电池的光电子效率和可靠性。B在硅中具有较大的分凝系数(0.8)，P则具有较高的饱和蒸气压，B、P属性的差异造成了在同一步骤中很难同时被去除，因此B、P的同步深度分离是高值回收切割废硅粉的关键。CN109052407A公开了一种硅切割废料的回收与提纯方法，包括以下步骤：(1)将硅锭切割过程产生的硅废浆料进行固液分离并烘干得到固态硅废料；(2)将CaO、SiO2、助熔剂混合均匀得到造渣剂；(3)将步骤(2)的造渣剂与步骤(1)的固态硅废料混合均匀，并置于中频感应炉中，抽真空然后通入氩气，在氩气氛围条件下加热至温度为1450-1700℃，恒温熔炼0.5-4h，随炉冷却得到熔块；(4)采用金刚石线切割法将步骤(3)熔块的硅渣分离即得高纯硅。然而所述专利技术只可实现P元素的去除，无法实现B与P的同步深度分离，仍有较大的改进空间。CN108059167A公开了一种切割硅粉渣制备高纯硅的方法及装置，所述方法包括以下步骤：(1)将切割硅粉原料压制成块状硅料；(2)将渣剂、辅料硅块和块状硅料熔成混合高温熔体；(3)将惰性气体吹入混合高温熔体中。所述装置包括物料输送区、循环歧化反应区和熔炼精炼区；其中：循环歧化反应区可以控制反应中的一氧化硅和碳化硅反应生成单质硅，进一步精制得到所述高纯硅，从而提高了硅的收得率。然而所述专利技术无法有效避免精炼过程炉底沉渣的问题，且不适用于金刚石线锯法产生的切割废硅粉中B与P这类非金属元素的去除，应用领域有限。CN110963493A公开了一种晶体硅切割废料制备超冶金级硅的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将晶体硅切割废料进行第一次预处理后得到晶体硅粗选料浆液，将粗选料浆液经第二次预处理后得到净化精选料；(2)将得到的净化精选料经压块处理后得到第一精选料块，将第一精选块料经控氧熔炼精炼处理后渣、硅分离，得到第一熔体硅和第一精炼渣；(3)将第一熔体硅和/或第一精炼渣进行杂质化学重构后得到第一改性固体硅和/或第二改性固体硅；(4)将得到的第一改性固体硅和/或第二改性固体硅中的重构杂质相去除后得到所述超冶金级硅。然而所述专利技术中采用混酸溶液对硅粉进行酸洗会造成硅的大量损失和硅粉表面的进一步氧化，降低了硅资源的回收率。由此可见，如何提供一种基于晶体硅切割废料制备再生硅的方法，克服废硅粉难熔、硼磷同步去除困难以及精炼过程炉底沉渣等不利于应用的技术问题，同时简化工艺，降低成本，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的难题。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于晶体硅切割废料制备的再生硅及其制备方法，所述制备方法克服了废硅粉难熔、硼磷同步去除困难以及精炼过程炉底沉渣等不利于应用的技术问题，同时简化了工艺，降低了成本。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种基于晶体硅切割废料制备再生硅的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将晶体硅切割废料进行压块成型处理，得到块状硅料；(2)熔化第一渣剂，得到熔渣液；(3)将步骤(1)所得块状硅料持续性投入步骤(2)所得熔渣液中，进行第一熔渣精炼，得到第一精炼渣与溶体硅；(4)混合第二渣剂与步骤(3)所得溶体硅，进行第二熔渣精炼，得到第二精炼渣与再生硅。其中，步骤(1)与步骤(2)不分先后次序。步骤(3)所得第一精炼渣与步骤(4)所得第二精炼渣进行重复利用。本专利技术利用晶体硅切割废料作为原料，以短程、绿色、低能耗的技术制备出高附加值的再生硅，且再生硅的B和P总量≤2ppmw，实现了固体废弃物的资源化再利用。本专利技术改变了传统的单一分步分离提纯方法，通过两步精炼过程，实现了杂质B和P的协同去除。在第一步渣洗精炼过程中，熔渣液热量高，能够实现快速传热，小块物料在高温熔渣熔池中快速融化，形成小液滴，增大了传质截面，液滴在下降过程中产生动态界面，进一步减薄边界层厚度，二次强化传质，实现了提纯过程中的快速融合和高效除杂；在第二步低温精炼过程中，利用P氧化的放热反应特征，通过低温结合搅拌精炼，既实现了P的深度分离和能耗降低，又解决了炉底沉渣的行业难题。优选地，步骤(1)所述压块成型处理的过程为：混合晶体硅切割废料与粘结剂，压制并烘干。优选地，所述晶体硅切割废料与粘结剂的混合质量比为(50-100):1，例如可以是50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1或100:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术中，所述粘结剂为本领域常规使用的粘结剂，只要能实现晶体硅切割废料的成型即可，故不对粘结剂的种类做具体限定，例如可以是淀粉、糊精、聚乙烯醇或羧甲基纤维素中的任意一种。优选地，所述压制的压力为5-20MPa，例如可以是5MPa、6MPa、8MPa、10MPa、12MPa、14MPa、16MPa、18MPa或20MPa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述烘干的温度为25-100℃，例如可以是25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述烘干的时间为5-24h，例如可以是5h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(1)所述块状硅料的当量直径为5-20cm，例如可以是5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm或20cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术中，所述当量直径定义为层流时在相同流体里与颗粒自由沉降速度相等的同质球体直径。本专利技术中，步骤(1)所述块状硅料的当量直径需保持在合理范围内。当块状硅料的当量直径小于5cm时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于晶体硅切割废料制备再生硅的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)将晶体硅切割废料进行压块成型处理，得到块状硅料；/n(2)熔化第一渣剂，得到熔渣液；/n(3)将步骤(1)所得块状硅料持续性投入步骤(2)所得熔渣液中，进行第一熔渣精炼，得到第一精炼渣与溶体硅；/n(4)混合第二渣剂与步骤(3)所得溶体硅，进行第二熔渣精炼，得到第二精炼渣与再生硅；/n其中，步骤(1)与步骤(2)不分先后次序；/n步骤(3)所得第一精炼渣与步骤(4)所得第二精炼渣进行重复利用。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于晶体硅切割废料制备再生硅的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将晶体硅切割废料进行压块成型处理，得到块状硅料；
(2)熔化第一渣剂，得到熔渣液；
(3)将步骤(1)所得块状硅料持续性投入步骤(2)所得熔渣液中，进行第一熔渣精炼，得到第一精炼渣与溶体硅；
(4)混合第二渣剂与步骤(3)所得溶体硅，进行第二熔渣精炼，得到第二精炼渣与再生硅；
其中，步骤(1)与步骤(2)不分先后次序；
步骤(3)所得第一精炼渣与步骤(4)所得第二精炼渣进行重复利用。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述压块成型处理的过程为：混合晶体硅切割废料与粘结剂，压制并烘干；
优选地，所述晶体硅切割废料与粘结剂的混合质量比为(50-100):1；
优选地，所述压制的压力为5-20MPa；
优选地，所述烘干的温度为25-100℃；
优选地，所述烘干的时间为5-24h；
优选地，步骤(1)所述块状硅料的当量直径为5-20cm。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述第一渣剂为钠硅系轻质渣剂；
优选地，所述钠硅系轻质渣剂的密度为2.1-2.4g/cm3；
优选地，所述钠硅系轻质渣剂的熔点为1100-1400℃；
优选地，所述钠硅系轻质渣剂包括第一主剂与第一辅剂；
优选地，所述第一主剂包括Na2CO3和/或SiO2；
优选地，所述第一辅剂包括MgO、CaF2、NaF、Na3AlF6、BaO、BaF2、TiO2、Cr2O3、B2O3、K2O、ZrO2、ZnO、Li2O、SrO、Ce2O3、PbO、CaCl2、NaCl或KCl中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述第一主剂与第一辅剂的质量比为(3-5):1。


4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述持续性投入的速率为1-10kg/min；
优选地，步骤(3)所述块状硅料与熔渣液的质量比为1:(0.1-2)。


5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述第一熔渣精炼的温度为1600-1700℃；
优选地，步骤(3)所述第一熔渣精炼的时间为20-60min。


6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述第二渣剂为钙硅系碱性渣剂；
优选地，所述钙硅系碱性渣剂的密度为2.4-2.7g/cm3；
优选地，所述钙硅系碱性渣剂的熔点为1100-1350℃；
优选地，所述钙硅系碱性渣剂包括第二主剂与第二辅剂；
优选地，所述第二主剂包括CaO和/或SiO2；
优选地，所述第二辅剂包括Na2CO3、MgO、Al2O3、CaF2、NaF、FeOx、Na3AlF6、BaO、BaF2、TiO2、Cr2O3、B2O3、MnOx、K2O、ZrO2、ZnO、Li2O、SrO、Ce2O3、PbO、CaCl2、NaCl或KCl中的任意一种或至少两种的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志，钱国余，王东，周璐，庞昇，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11