W okresie „14. planu pięcioletniego”, zgodnie z planem strategicznym kraju „szczyt emisji dwutlenku węgla i neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla”, przemysł fotowoltaiczny doprowadzi do gwałtownego rozwoju. Wybuch przemysłu fotowoltaicznego „stworzył bogactwo” dla całego łańcucha przemysłowego. W tym olśniewającym łańcuchu niezastąpionym ogniwem jest szkło fotowoltaiczne. Obecnie, opowiadając się za oszczędzaniem energii i ochroną środowiska, zapotrzebowanie na szkło fotowoltaiczne rośnie z dnia na dzień i istnieje brak równowagi między podażą a popytem. W tym samym czasie wzrosła również cena piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza i ultrabiałego, ważnego materiału do produkcji szkła fotowoltaicznego, wzrosła cena, a podaż jest ograniczona. Eksperci branżowi przewidują, że piasek kwarcowy o niskiej zawartości żelaza będzie charakteryzował się długoterminowym wzrostem o ponad 15% przez ponad 10 lat. Pod wpływem silnego wiatru fotowoltaicznego dużą uwagę przyciągnęła produkcja piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza.
1. Piasek kwarcowy do szkła fotowoltaicznego
Szkło fotowoltaiczne jest powszechnie stosowane jako panel hermetyzujący moduły fotowoltaiczne i ma bezpośredni kontakt ze środowiskiem zewnętrznym. Odporność na warunki atmosferyczne, wytrzymałość, przepuszczalność światła i inne wskaźniki odgrywają kluczową rolę w żywotności modułów fotowoltaicznych i długoterminowej wydajności wytwarzania energii. Jony żelaza w piasku kwarcowym są łatwe do barwienia, a aby zapewnić wysoką przepuszczalność światła słonecznego oryginalnego szkła, zawartość żelaza w szkle fotowoltaicznym jest niższa niż w zwykłym szkle, a piasek kwarcowy o niskiej zawartości żelaza i wysokiej czystości krzemu i należy stosować niską zawartość zanieczyszczeń.
Obecnie w naszym kraju istnieje niewiele wysokiej jakości piasków kwarcowych o niskiej zawartości żelaza, które można łatwo wydobyć i są one dystrybuowane głównie w Heyuan, Guangxi, Fengyang, Anhui, Hainan i innych miejscach. W przyszłości, wraz ze wzrostem mocy produkcyjnych ultrabiałego szkła tłoczonego do ogniw słonecznych, wysokiej jakości piasek kwarcowy przy ograniczonej powierzchni produkcyjnej stanie się zasobem stosunkowo deficytowym. Dostawy wysokiej jakości i stabilnego piasku kwarcowego będą w przyszłości ograniczać konkurencyjność przedsiębiorstw zajmujących się szkłem fotowoltaicznym. Dlatego też, jak skutecznie zmniejszyć zawartość żelaza, aluminium, tytanu i innych pierwiastków zanieczyszczających w piasku kwarcowym i przygotować piasek kwarcowy o wysokiej czystości, jest gorącym tematem badawczym.
2. Produkcja piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza do szkła fotowoltaicznego
2.1 Oczyszczanie piasku kwarcowego do szkła fotowoltaicznego
Obecnie tradycyjne procesy oczyszczania kwarcu, które są powszechnie stosowane w przemyśle, obejmują sortowanie, płukanie, hartowanie wodą kalcynacyjną, mielenie, przesiewanie, separację magnetyczną, separację grawitacyjną, flotację, ługowanie kwasowe, ługowanie mikrobiologiczne, odgazowywanie w wysokiej temperaturze itp., Procesy głębokiego oczyszczania obejmują prażenie chlorowane, sortowanie według koloru napromienianego, sortowanie magnetyczne nadprzewodzące, próżnię w wysokiej temperaturze i tak dalej. Opracowano również ogólny proces wzbogacania domowego piasku kwarcowego od wczesnego „mielenia, separacji magnetycznej, przemywania” do „oddzielania → kruszenia zgrubnego → kalcynacji → hartowania wodą → mielenia → przesiewania → separacji magnetycznej → flotacji → kwasu. Połączony proces wzbogacania zanurzenia → mycia → suszenia, w połączeniu z mikrofalami, ultradźwiękami i innymi środkami do obróbki wstępnej lub oczyszczania pomocniczego, znacznie poprawia efekt oczyszczania. Ze względu na niską zawartość żelaza w szkle fotowoltaicznym wprowadza się głównie badania i rozwój metod usuwania piasku kwarcowego.
Ogólnie rzecz biorąc, żelazo występuje w następujących sześciu powszechnych postaciach w rudzie kwarcowej:
① Występują w postaci drobnych cząstek w glinie lub kaolinizowanym skaleniu
②Przymocowane do powierzchni cząstek kwarcu w postaci warstwy tlenku żelaza
③ Minerały żelaza, takie jak hematyt, magnetyt, specularyt, kinit itp. lub minerały zawierające żelazo, takie jak mika, amfibol, granat itp.
④Jest w stanie zanurzenia lub soczewki wewnątrz cząstek kwarcu
⑤ Występują w stanie stałego roztworu wewnątrz kryształu kwarcu
⑥ Pewna ilość żelaza wtórnego zostanie zmieszana w procesie kruszenia i mielenia
Aby skutecznie oddzielić minerały zawierające żelazo od kwarcu, należy najpierw ustalić stan występowania zanieczyszczeń żelazem w rudzie kwarcowej i wybrać rozsądną metodę wzbogacania oraz proces separacji w celu usunięcia zanieczyszczeń żelazem.
(1) Proces separacji magnetycznej
Proces separacji magnetycznej może w największym stopniu usunąć słabe minerały zanieczyszczeń magnetycznych, takie jak hematyt, limonit i biotyt, w tym cząstki połączone. W zależności od siły magnetycznej separację magnetyczną można podzielić na silną separację magnetyczną i słabą separację magnetyczną. Silna separacja magnetyczna zwykle wykorzystuje mokry, mocny separator magnetyczny lub separator magnetyczny o wysokim gradiencie.
Ogólnie rzecz biorąc, piasek kwarcowy zawierający głównie minerały o słabym zanieczyszczeniu magnetycznym, takie jak limonit, hematyt, biotyt itp., można selekcjonować za pomocą maszyny magnetycznej typu mokrego o wartości powyżej 8,0 × 105 A/m; W przypadku minerałów o silnym magnesie, w których dominuje ruda żelaza, lepiej jest zastosować do separacji maszynę o słabym lub średnim magnetycznym urządzeniu. [2] Obecnie, dzięki zastosowaniu separatorów magnetycznych o wysokim gradiencie i silnym polu magnetycznym, separacja i oczyszczanie magnetyczne uległy znacznej poprawie w porównaniu z przeszłością. Na przykład użycie silnego separatora magnetycznego z rolką indukcyjną elektromagnetyczną do usuwania żelaza o natężeniu pola magnetycznego poniżej 2,2 T może zmniejszyć zawartość Fe2O3 z 0,002% do 0,0002%.
(2) Proces flotacji
Flotacja to proces oddzielania cząstek mineralnych poprzez różne właściwości fizyczne i chemiczne na powierzchni cząstek mineralnych. Główną funkcją jest usuwanie powiązanej miki mineralnej i skalenia z piasku kwarcowego. W przypadku flotacyjnej separacji minerałów zawierających żelazo i kwarcu, ustalenie formy występowania zanieczyszczeń żelazem i postaci rozkładu poszczególnych wielkości cząstek jest kluczem do wyboru odpowiedniego procesu separacji do usuwania żelaza. Większość minerałów zawierających żelazo ma punkt elektryczny zerowy powyżej 5, który w środowisku kwaśnym jest naładowany dodatnio i teoretycznie nadaje się do stosowania w kolektorach anionowych.
Kwas tłuszczowy (mydło), sulfonian lub siarczan hydrokarbylu można stosować jako kolektor anionowy do flotacji rudy tlenku żelaza. Piryt może być flotacją pirytu z kwarcu w środowisku trawiącym za pomocą klasycznego środka flotacyjnego na bazie ksantogenianu izobutylu i czarnego proszku butyloaminy (4:1). Dawka wynosi około 200 ppmw.
Do flotacji ilmenitu na ogół stosuje się oleinian sodu (0,21 mol/l) jako środek flotacyjny w celu dostosowania pH do 4–10. Pomiędzy jonami oleinianowymi a cząsteczkami żelaza na powierzchni ilmenitu zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje oleinian żelaza, który jest chemicznie adsorbowany. Jony oleinianowe utrzymują ilmenit z lepszą zdolnością do pływania. Opracowane w ostatnich latach kolektory kwasu fosfonowego na bazie węglowodorów charakteryzują się dobrą selektywnością i wydajnością zbierania ilmenitu.
(3) Proces ługowania kwasem
Głównym celem procesu ługowania kwasem jest usunięcie rozpuszczalnych minerałów żelaza z roztworu kwasu. Czynniki wpływające na efekt oczyszczania poprzez ługowanie kwasem obejmują wielkość cząstek piasku kwarcowego, temperaturę, czas, rodzaj kwasu, stężenie kwasu, stosunek ciała stałego do cieczy itp. oraz zwiększają temperaturę i roztwór kwasu. Stężenie i zmniejszenie promienia cząstek kwarcu może zwiększyć szybkość wymywania i szybkość wymywania Al. Efekt oczyszczania pojedynczego kwasu jest ograniczony, a mieszany kwas ma działanie synergistyczne, co może znacznie zwiększyć szybkość usuwania pierwiastków zanieczyszczeń, takich jak Fe i K. Typowymi kwasami nieorganicznymi są HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4 , H2C2O4, zazwyczaj dwa lub więcej z nich miesza się i stosuje w określonej proporcji.
Kwas szczawiowy jest powszechnie stosowanym kwasem organicznym do ługowania kwasowego. Z rozpuszczonymi jonami metali może tworzyć stosunkowo stabilny kompleks, a zanieczyszczenia łatwo się wypłukują. Ma zalety niskiego dawkowania i dużej szybkości usuwania żelaza. Niektórzy ludzie używają ultradźwięków do wspomagania oczyszczania kwasu szczawiowego i odkryli, że w porównaniu z konwencjonalnym mieszaniem i ultradźwiękami w zbiorniku, ultrasonografia sondy ma najwyższą szybkość usuwania Fe, ilość kwasu szczawiowego jest mniejsza niż 4 g/l, a szybkość usuwania żelaza sięga 75,4%.
Obecność rozcieńczonego kwasu i kwasu fluorowodorowego może skutecznie usunąć zanieczyszczenia metaliczne, takie jak Fe, Al, Mg, ale ilość kwasu fluorowodorowego musi być kontrolowana, ponieważ kwas fluorowodorowy może powodować korozję cząstek kwarcu. Na jakość procesu oczyszczania wpływa także zastosowanie różnego rodzaju kwasów. Wśród nich najlepszy efekt przetwarzania ma mieszany kwas HCl i HF. Niektórzy ludzie używają mieszanego środka ługującego HCl i HF do oczyszczania piasku kwarcowego po separacji magnetycznej. W wyniku ługowania chemicznego całkowita ilość pierwiastków zanieczyszczających wynosi 40,71 μg/g, a czystość SiO2 sięga aż 99,993% wag.
(4) Wymywanie mikrobiologiczne
Mikroorganizmy służą do ługowania cienkowarstwowego żelaza lub impregnowania żelaza na powierzchni cząstek piasku kwarcowego, co jest niedawno opracowaną techniką usuwania żelaza. Badania zagraniczne wykazały, że zastosowanie Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Polymyxin Bacillus i innych mikroorganizmów do wymywania żelaza z powierzchni warstewki kwarcowej dało dobre rezultaty, z których efekt wymywania żelaza przez Aspergillus niger jest optymalny. Szybkość usuwania Fe2O3 wynosi przeważnie powyżej 75%, a zawartość koncentratu Fe2O3 wynosi zaledwie 0,007%. Stwierdzono, że efekt ługowania żelaza przy wstępnej hodowli większości bakterii i pleśni byłby lepszy.
2.2 Inne postępy w badaniach piasku kwarcowego do szkła fotowoltaicznego
Aby zmniejszyć ilość kwasu, zmniejszyć trudność oczyszczania ścieków i być przyjaznym dla środowiska, Peng Shou [5] i in. ujawnili metodę wytwarzania piasku kwarcowego o zawartości 10 ppm żelaza w procesie niewytrawiającym: jako surowiec stosuje się naturalny kwarc żyłkowy, a kruszenie odbywa się w trzech etapach. W pierwszym etapie mielenia i klasyfikacji w drugim etapie można uzyskać ziarno o wielkości 0,1 ~ 0,7 mm ; oddzielanie żwiru odbywa się w pierwszym etapie separacji magnetycznej i drugim etapie silnego usuwania magnetycznego żelaza mechanicznego i minerałów żelazonośnych w celu uzyskania piasku do separacji magnetycznej; magnetyczną separację piasku uzyskuje się w drugim etapie flotacji. zawartość Fe2O3 jest niższa niż 10 ppm piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza, flotacja wykorzystuje H2SO4 jako regulator, reguluje pH = 2 ~ 3, wykorzystuje jako kolektory oleinian sodu i propylenodiaminę na bazie oleju kokosowego . Przygotowany piasek kwarcowy SiO2≥99,9%, Fe2O3≤10ppm spełnia wymagania surowców krzemionkowych wymaganych na szkło optyczne, szkło do wyświetlaczy fotoelektrycznych i szkło kwarcowe.
Z drugiej strony, wraz z wyczerpywaniem się wysokiej jakości zasobów kwarcu, szerokie wykorzystanie zasobów niskiej jakości przyciągnęło powszechną uwagę. Xie Enjun z Chin Building Materials Bengbu Glass Industry Design and Research Institute Co., Ltd. wykorzystał odpady kaolinowe do przygotowania piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza do szkła fotowoltaicznego. Głównym składem mineralnym odpadów kaolinu Fujian jest kwarc, który zawiera niewielką ilość minerałów zanieczyszczających, takich jak kaolinit, mika i skaleń. Po przetworzeniu odpadów kaolinowych w procesie wzbogacania „mielenie – klasyfikacja hydrauliczna – separacja magnetyczna – flotacja”, zawartość cząstek o wielkości 0,6 ~ 0,125 mm jest większa niż 95%, SiO2 wynosi 99,62%, Al2O3 wynosi 0,065%, Fe2O3 wynosi Drobny piasek kwarcowy 92×10-6 spełnia wymagania jakościowe piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza do szkła fotowoltaicznego.
Shao Weihua i inni z Instytutu Wszechstronnego Utylizacji Zasobów Mineralnych w Zhengzhou Chińskiej Akademii Nauk Geologicznych opublikowali patent na wynalazek: metodę otrzymywania piasku kwarcowego o wysokiej czystości z odpadów kaolinowych. Etapy metody: a. Odpady kaolinowe wykorzystuje się jako surową rudę, którą po wymieszaniu i oczyszczeniu przesiewa się w celu uzyskania materiału +0,6 mm; B. Materiał +0,6 mm jest mielony i klasyfikowany, a materiał mineralny o grubości 0,4 mm 0,1 mm poddawany jest operacji separacji magnetycznej. Aby uzyskać materiały magnetyczne i niemagnetyczne, materiały niemagnetyczne wchodzą do operacji separacji grawitacyjnej w celu uzyskania separacji grawitacyjnej lekkich minerałów i separacja grawitacyjna minerałów ciężkich i minerałów lekkich poprzez separację grawitacyjną wchodzą do operacji przemiału w celu przesiewania w celu uzyskania minerałów +0,1 mm; ok.+0,1 mm Minerał wchodzi do operacji flotacji w celu otrzymania koncentratu flotacyjnego. Górną wodę z koncentratu flotacyjnego usuwa się, a następnie trawi ultradźwiękowo, a następnie przesiewa w celu uzyskania gruboziarnistego materiału o wartości +0,1 mm w postaci piasku kwarcowego o wysokiej czystości. Sposób według wynalazku umożliwia nie tylko otrzymanie wysokiej jakości produktów z koncentratu kwarcowego, ale także charakteryzuje się krótkim czasem przetwarzania, prostym przebiegiem procesu, niskim zużyciem energii i wysoką jakością otrzymanego koncentratu kwarcowego, który może spełnić wymagania jakościowe wysokiej czystości kwarc.
Odpady kaolinu zawierają duże ilości zasobów kwarcu. Poprzez wzbogacanie, oczyszczanie i głębokie przetwarzanie może spełnić wymagania dotyczące stosowania fotowoltaicznych surowców ultrabiałego szkła. Daje to także nowy pomysł na kompleksowe wykorzystanie zasobów odpadów kaolinowych.
3. Przegląd rynku piasku kwarcowego o niskiej zawartości żelaza do szkła fotowoltaicznego
Z jednej strony w drugiej połowie 2020 r. ograniczone ekspansją moce produkcyjne nie będą w stanie sprostać gwałtownie rosnącemu popytowi w warunkach dobrej koniunktury. Podaż i popyt na szkło fotowoltaiczne są niezrównoważone, a cena gwałtownie rośnie. W ramach wspólnego zaproszenia wielu firm zajmujących się modułami fotowoltaicznymi w grudniu 2020 r. Ministerstwo Przemysłu i Informatyki wydało dokument wyjaśniający, że projekt fotowoltaicznego szkła walcowanego może nie uwzględniać planu odtworzenia mocy produkcyjnych. Pod wpływem nowej polityki tempo wzrostu produkcji szkła fotowoltaicznego zostanie zwiększone od 2021 roku. Według informacji publicznych, moce produkcyjne walcowanego szkła fotowoltaicznego z jasnym planem produkcji na 21/22 wyniosą 22250/26590t/d, przy roczna stopa wzrostu 68,4/48,6%. W przypadku gwarancji politycznych i popytowych oczekuje się, że piasek fotowoltaiczny zapoczątkuje gwałtowny wzrost.
Moce produkcyjne branży szkła fotowoltaicznego na lata 2015-2022
Z drugiej strony znaczny wzrost mocy produkcyjnych szkła fotowoltaicznego może spowodować, że podaż piasku krzemionkowego o niskiej zawartości żelaza przekroczy podaż, co z kolei ograniczy faktyczne wykorzystanie mocy produkcyjnych szkła fotowoltaicznego. Według statystyk od 2014 r. krajowa produkcja piasku kwarcowego w moim kraju jest zasadniczo nieco niższa niż popyt krajowy, a podaż i popyt utrzymują się w ścisłej równowadze.
Jednocześnie krajowe zasoby kwarcu o niskiej zawartości żelaza w moim kraju są ograniczone i skupiają się w Heyuan w Guangdong, Beihai w Guangxi, Fengyang w Anhui i Donghai w Jiangsu, a dużą ich ilość należy importować.
Ultrabiały piasek kwarcowy o niskiej zawartości żelaza jest jednym z najważniejszych surowców (stanowiących około 25% kosztu surowca) w ostatnich latach. Cena również wzrosła. W przeszłości przez długi czas cena ta wynosiła około 200 juanów za tonę. Po wybuchu epidemii I kwartału od 20 lat spadł on z wysokiego poziomu i obecnie utrzymuje się na razie stabilnie.
W 2020 r. całkowite zapotrzebowanie mojego kraju na piasek kwarcowy wyniesie 90,93 mln ton, wydobycie wyniesie 87,65 mln ton, a import netto wyniesie 3,278 mln ton. Według informacji publicznych ilość kamienia kwarcowego w 100kg roztopionego szkła wynosi około 72,2kg. Zgodnie z obecnym planem ekspansji przyrost mocy szkła fotowoltaicznego w roku 2021/2022 może osiągnąć poziom 3,23/24500t/d, zgodnie z roczną produkcją Obliczoną w okresie 360 dni, całkowita produkcja będzie odpowiadała nowo zwiększonemu zapotrzebowaniu na niskie -piasek krzemionkowy żelazny w ilości 836/635 mln ton/rok, czyli nowe zapotrzebowanie na piasek krzemionkowy o niskiej zawartości żelaza ze szkła fotowoltaicznego w latach 2021/2022 będzie stanowić ogółem piasek kwarcowy w roku 2020 9,2%/7,0% zapotrzebowania . Biorąc pod uwagę, że piasek krzemionkowy o niskiej zawartości żelaza stanowi jedynie część całkowitego zapotrzebowania na piasek kwarcowy, presja podaży i popytu na piasek krzemionkowy o niskiej zawartości żelaza, spowodowana inwestycjami na dużą skalę w moce produkcyjne szkła fotowoltaicznego, może być znacznie wyższa niż presja na całego przemysłu piasku kwarcowego.
—Artykuł z Powder Network
Czas publikacji: 11 grudnia 2021 r