CN110182810A - 基于工业微波加热破碎硅料的连续生产工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明主要应用于单晶硅或多晶硅棒/硅块料加热破碎的技术领域，特别涉及一种基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，包括隧道式微波加热段、冷介质骤冷段及隧道式微波干燥段及传送装置，传送装置按照输送方向依次贯穿微波加热段、冷介质骤冷段及微波干燥段。本发明还包含基于工业微波加热的硅料破碎的连续生产工艺，物料通过履带式传输装置，顺序通过微波加热段、冷介质骤冷段和微波干燥段。此工艺以微波作为能量来源，利用微波在硅料内部均匀转换成热能的特性，在较低环境温度下，加热硅料。然后将加热后的硅料浸入冷却介质，再经过微波干燥，使硅料干燥。干燥后的硅料经轻微击打，可碎成均匀的、符合下游工艺需求的碎块。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于工业微波的硅料连续生产工艺及装置，主要应用于单晶硅或多晶硅棒/硅块料加热破碎的技术领域。
背景技术
太阳能资源丰富、分布广泛，是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在此背景下，全球光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。
在光伏产品生产过程中，随着技术的进步，近几年来太阳能电池组件的价格大幅下降，从而对整个产业链中的各个生产环节的高效节能提出了更高的要求。其中就包括对原生多晶硅或单晶硅大块料或棒料进行破碎过程，这是单晶硅拉制提纯过程中的一个必要环节。由于光伏电池组件对单晶硅的纯度要求非常高，通常达到9个9以上，为防止在破碎工程中操作过程对原料的污染，对硅棒或块料的破碎流程的工艺要求也非常严格。
在原来产量较小的情况下，一般采用人工，用硬质合金钢或碳化钨锤子，在洁净空间内对硅块或棒料进行手工破碎。虽然这个工艺存在劳动强度大、效率低、易污染和浪费严重的缺点，但由于其他工艺很难满足工况要求，此工艺一直被沿用。但随着产能的逐年提高，此工艺已经远远不能满足行业的需求。近些年来，不同商业机构和科研单位一直在不断开发新型的硅棒和硅块破碎的方法。主要集中在以下几个方向：
直接物理机械敲击或挤压破碎技术。在此类生产工艺中，一般采取颚式破碎机，通过两片金属板对物料进行挤压破碎；或通过滚筒挤压，当物料通过滚筒缝隙时，被挤压破碎；或经过旋转的带有金属棒的腔体，当物料经过时，被金属棒或锤打碎，例如：CN203044126U，CN105536920A，CN108654816A，CN108837921A，CN205517916U，CN207287535U，CN208244812U。此类技术，即便对金属表面进行过耐磨处理，但在持续生产过程中，极易造成保护层破损，从而使物料与金属面直接触造成金属离子污染，这对单晶硅拉制会造成致命的缺陷；
低温冷冻破碎技术，在此类技术中，硅料被进入液氮或液氩中，利用速冷造成的表面收缩，从而使物料破裂，例如：CN108405035A。此类技术对生产环境要求比较苛刻，产能低，成本高；
高压脉冲破碎技术，此技术利用“闪电”的原理，通过高压电弧，在硅料表面瞬间能量，造成硅料表面高温、高压，造成硅料的破裂，例如：CN108295994A。此类技术，高压电弧放电的时候，会造成硅料表面的局部高温烧结，从而影响终端产品的品质。同时此技术还存在能耗高、效率低等缺点。
热破碎技术，此类设备是通过外部热源，对硅料进行加热，待升到一定温度，再将硅料转移到冷却介质中，通过骤冷造成的表面收缩的不均匀性，引发硅料的破裂，例如专利CN201473321U中提到的技术。此类技术，一般采用电阻炉加热的方式，要达到硅料快速升温的目的，环境温度要求很高，这样极易造成硅料表面的氧化，从而影响终端产品的性能。如果降低环境温度，则加热时间过长，影响产率。
以上各类技术，多采用间歇生产，都存在不同程度的低效率、高能耗、产能低、物料浪费严重。更致命的是，这些工艺，都极易引入杂质，从而极大影响终端产品的品质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于工业微波的硅料连续生产工艺及装置，可实现连续生产，极大的提高生产效率，整个过程采用微波加热，避免局部高温对原料的氧化；生产过程中碎块均匀，有利于后续工艺的生产。
本发明所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，包括隧道式微波加热段、冷介质骤冷段及隧道式微波干燥段及传送装置，传送装置按照输送方向依次贯穿微波加热段、冷介质骤冷段及微波干燥段。
微波加热段和微波干燥段的微波发射源可选用2.45GHz或915MHz频率，单个微波发射源功率可采用1kW、1.5kW、2kW、3kW等型号。磁控管可采用风冷或水冷。微波发射源可在腔体外壁一面布置，或同时在几个不同的外壁布置。
隧道式微波加热段包括微波加热腔，其中微波加热腔包括内腔、外腔以及夹在内腔与外腔之间的保温层，加热段微波发射源均匀分布在外腔外壁，加热段微波发射源产生的微波经外腔壁上设置的开口进入腔体。
所述的微波加热腔的外腔体选用金属材质；保温层为石棉、硅酸铝保温材料或氧化铝保温材料；内腔材料为石英或氧化铝。内腔也可以是其他非金属陶瓷材料，内腔厚度为5mm-100mm。保温层为50mm-200mm。外腔体选用的金属材质，包括碳钢、不同型号不锈钢等。
所述的微波加热腔内腔的内壁上偏离加热段微波发射源垂直射入的位置，通过喷涂或浅凹槽填充吸波材料，吸波材料选用石墨、碳化硅、氧化锆其中一种或多种。
所述的冷介质骤冷段包括冷介质槽，传送装置穿过冷介质槽内部。冷介质槽选用塑料材质，或者无机陶瓷材料，或外壁为金属，内壁涂覆高分子材料层或非金属无机物材料层，塑料材质如PVC、PP、PTFE等，无机陶瓷材料可以是石英、氧化铝、氧化锆等，冷却介质选用水、有机溶剂、液氮、液氨其中一种或多种。有机溶剂为醇类、酮类、烷类、醚类等。
所述的隧道式微波干燥段包括微波干燥腔，干燥段微波发射源布置在微波干燥腔的外壁。
所述的微波干燥腔由金属材质制成，隧道式微波干燥段包括排湿系统。
所述的隧道式微波加热段和隧道式微波干燥段的两端分别设置微波抑制段，隧道式微波加热段前部为加热上料段，后部为加热下料段，隧道式微波干燥段前部为干燥上料段，后部为干燥下料段。
所述的传送装置选用履带传送，包括加热段履带、骤冷段履带及干燥段履带，加热段履带和骤冷段履带分别选用硬质合金钢、钨钢、碳化钨、石英、氧化铝、氧化锆其中一种或者多种；干燥段履带材质选用金属、高分子聚合物、石英、氧化铝或其中一种或多种。高分子聚合物可以为PVC、PP、PTFE等。如果干燥段履带为金属材质，则上面铺覆有高分子聚合物、石英、氧化铝陶瓷材料中的一种或几种，避免金属与硅料直接接触。
本发明所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产工艺，采取以下步骤：
(1)上料：硅料通过传送装置输送到加热上料段；
(2)微波加热：硅料从上料端输送到隧道式微波加热段的微波加热腔进行加热，同时布置在内腔内壁上的吸波材料吸收未被物料吸收的微波产生热能，通过热辐射对物料辅助加热；
(3)冷介质骤冷：微波加热后的硅料通过传送装置进入到冷介质槽内骤冷；
(4)微波干燥：骤冷后的硅料经传送装置进入隧道式微波干燥段持续加热；
(5)下料：干燥后的硅料经传送装置输送至干燥下料段。
本发明的有益效果是：
以微波作为能量来源，利用微波可以穿透硅料，并在硅料内部均匀转换成热能的特性，在较低环境温度下，加热硅料。同时，在加热腔内腔内壁布置吸波材料，可以吸收未被物料吸收的微波，并转化成热能，通过热辐射，对物料进行辅助加热，并可保持腔体的温度，从而提高微波的利用率，提高效率，降低能耗。然后将加热后的硅料浸入冷却介质，利用热胀冷缩的不均匀性，使硅料形成微裂纹。再经过微波干燥，将微裂纹中的冷却介质加热挥发，使硅料干燥。干燥后的硅料经轻微击打，可碎成均匀的、符合下游工艺需求的碎块。同时，在此过程中，可实现自动连续生产的同时，避免微波的泄露。另外，通过设备制造材料的选择，可使硅料在全程可有效避免杂质污染。通过本发明的工艺和设备，可以实现连续自动化生产，具有高效率、低能耗、无污染等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明传送履带的结构示意。
图中：1、加热上料段；2、微波抑制段；3、微波加热段；4、冷介质骤冷段；5、微波干燥段；6、干燥下料段；7、加热下料段；8、干燥上料段；
3.1、加热段微波发射源；3.2、微波加热腔；4.1、冷介质槽；5.1、干燥段微波发射源；5.2、微波干燥腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1～图2所示，本发明所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，包括隧道式微波加热段3、冷介质骤冷段4及隧道式微波干燥段5及传送装置，传送装置按照输送方向依次贯穿微波加热段3、冷介质骤冷段4及微波干燥段5。微波加热段3和微波干燥段5的磁控管可选用2.45GHz或915MHz频率，单个磁控管功率可采用1kW、1.5kW、2kW、3kW等型号。磁控管可采用风冷或水冷。隧道式微波加热段3包括微波加热腔3.2，其中微波加热腔3.2包括内腔、外腔以及夹在内腔与外腔之间的保温层，加热段微波发射源3.1均匀分布在外腔外壁，加热段微波发射源3.1产生的微波经外腔壁上设置的开口进入腔体。微波加热腔3.2的外腔体选用金属材质；保温层为石棉、硅酸铝保温材料或氧化铝保温材料；内腔材料为石英或氧化铝。内腔也可以是其他非金属陶瓷材料，内腔厚度为5mm-100mm。保温层为50mm-200mm。外腔体选用的金属材质，包括碳钢、不同型号不锈钢等，微波加热腔3.2内腔的内壁上偏离加热段微波发射源3.1垂直射入的位置，通过喷涂或浅凹槽填充吸波材料。吸波材料选用石墨、碳化硅、氧化锆其中一种或多种。冷介质骤冷段4包括冷介质槽4.1，传送装置穿过冷介质槽4.1内部。冷介质槽选用塑料材质，或者无机陶瓷材料，或外壁为金属，内壁涂覆高分子材料层或非金属无机物材料层，冷却介质选用水、有机溶剂、液氮、液氨其中一种或多种。塑料材质如PVC、PP、PTFE等，无机陶瓷材料可以是石英、氧化铝、氧化锆等。有机溶剂为醇类、酮类、烷类、醚类等。隧道式微波干燥段5包括微波干燥腔5.2，干燥段微波发射源5.1布置在微波干燥腔5.2的外壁。微波干燥腔5.2由金属材质制成，隧道式微波干燥段5包括排湿系统。隧道式微波加热段3和隧道式微波干燥段5的两端分别设置微波抑制段2，隧道式微波加热段3前部为加热上料段1，后部为加热下料段7，隧道式微波干燥段5前部为干燥上料段8，后部为干燥下料段6。传送装置选用履带传送，包括加热段履带、骤冷段履带及干燥段履带，加热段履带和骤冷段履带分别选用硬质合金钢、钨钢、碳化钨、石英、氧化铝、氧化锆其中一种或者多种；干燥段履带材质选用金属、高分子聚合物、石英、氧化铝或其中一种或多种。
本发明所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产工艺，采取以下步骤：
(1)上料：硅料通过传送装置输送到加热上料段1。
(2)微波加热：硅料从上料端输送到隧道式微波加热段3的微波加热腔3.2进行加热，同时布置在内腔内壁上的吸波材料吸收未被物料吸收的微波产生热能，通过热辐射对物料辅助加热；
(3)冷介质骤冷：微波加热后的硅料通过传送装置进入到冷介质槽4.1内骤冷；
(4)微波干燥：骤冷后的硅料经传送装置进入隧道式微波干燥段5持续加热。
(5)下料：干燥后的硅料经传送装置输送至干燥下料段6。
硅料在设备加热上料段1，通过人工或机械手，将硅棒放置在上料履带，然后通过履带将物料转移到加热段履带，通过微波抑制段2，进入微波加热段3，加热段履带持续运动，使物料在微波加热段3内，被安装在此段的微波加热系统持续加热，物料到达微波加热段3末端时，被加热到预定温度，并通过微波抑制段2，到达加热下料段。
物料从加热下料段，被转移到骤冷段履带，有此履带运输进冷介质槽4.1，由里面的冷介质骤冷，然后被运至干燥上料段，由干燥段履带，经微波抑制段2，运至干燥加热段，在此段硅料被连续加热干燥，干燥后的硅料通过干燥抑制段，到达干燥下料段6，在此由人工或机械手，将硅料转至破碎区，完成硅料破碎。
实施例：
在本实施例，产量为500kg/h，设备总长24m，其中隧道式微波加热段3为14m，总功率为200kW。硅料冷介质骤冷段4为2m，隧道式微波干燥段5为8m。其中，隧道式微波加热段3外腔为316L材质，内腔为石英材质，保温棉采用硅酸铝材质，加热上料段1履带材质为聚四氟乙烯，加热上料段1履带为硬质合金钢；硅料冷介质骤冷段4槽体为PP，履带采用硬质合金钢，冷介质为纯水，温度保持在20-50℃。隧道式微波干燥段5腔体材质为316L，履带为聚四氟乙烯材质。全部履带的运行速度为10m/h。在此工况下，硅料可被加热到400℃，经冷介质骤冷，干燥段干燥后，硅料表面可见明显皲裂，可轻易被破碎，碎料粒径均匀，在20-50mm左右。
Claims (10)
1.一种基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：包括隧道式微波加热段(3)、冷介质骤冷段(4)及隧道式微波干燥段(5)及传送装置，传送装置按照输送方向依次贯穿微波加热段(3)、冷介质骤冷段(4)及微波干燥段(5)。
2.根据权利要求1所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：隧道式微波加热段(3)包括微波加热腔(3.2)，其中微波加热腔(3.2)包括内腔、外腔以及夹在内腔与外腔之间的保温层，加热段微波发射源(3.1)均匀分布在外腔外壁，加热段微波发射源(3.1)产生的微波经外腔壁上设置的开口进入腔体。
3.根据权利要求2所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：微波加热腔(3.2)的外腔体选用金属材质；保温层为石棉、硅酸铝保温材料或氧化铝保温材料；内腔材料为石英或氧化铝。
4.根据权利要求2所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：微波加热腔(3.2)内腔的内壁上偏离加热段微波发射源(3.1)垂直射入的位置，通过喷涂或浅凹槽填充吸波材料，吸波材料选用石墨、碳化硅、氧化锆其中一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：冷介质骤冷段(4)包括冷介质槽(4.1)，传送装置穿过冷介质槽(4.1)内部，冷介质槽(4.1)选用塑料材质，或者无机陶瓷材料，或外壁为金属，内壁涂覆高分子材料层或非金属无机物材料层，冷却介质选用水、有机溶剂、液氮、液氨其中一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：隧道式微波干燥段(5)包括微波干燥腔(5.2)，干燥段微波发射源(5.1)布置在微波干燥腔(5.2)的外壁。
7.根据权利要求6所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：微波干燥腔(5.2)由金属材质制成，隧道式微波干燥段(5)包括排湿系统。
8.根据权利要求1所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：隧道式微波加热段(3)和隧道式微波干燥段(5)的两端分别设置微波抑制段(2)，隧道式微波加热段(3)前部为加热上料段(1)，后部为加热下料段(7)，隧道式微波干燥段(5)前部为干燥上料段(8)，后部为干燥下料段(6)。
9.根据权利要求1所述的基于工业微波加热破碎硅料的连续生产装置，其特征在于：传送装置选用履带传送，包括加热段履带、骤冷段履带及干燥段履带，加热段履带和骤冷段履带分别选用硬质合金钢、钨钢、碳化钨、石英、氧化铝、氧化锆其中一种或者多种；干燥段履带材质选用金属、高分子聚合物、石英、氧化铝或其中一种或多种。
10.一种基于工业微波加热破碎硅料的连续生产工艺，其特征在于采取以下步骤：
(1)上料：硅料通过传送装置输送到加热上料段(1)；
(2)微波加热：硅料从上料端输送到隧道式微波加热段(3)的微波加热腔(3.2)进行加热，同时布置在内腔内壁上的吸波材料吸收未被物料吸收的微波产生热能，通过热辐射对物料辅助加热；
(3)冷介质骤冷：微波加热后的硅料通过传送装置进入到冷介质槽(4.1)内骤冷；
(4)微波干燥：骤冷后的硅料经传送装置进入隧道式微波干燥段(5)持续加热；
(5)下料：干燥后的硅料经传送装置输送至干燥下料段(6)。
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