用碳化稻壳石油焦混合还原剂制备高品质硅的研究

摘要

随着传统化石能源的日渐枯竭，寻找新的可再生能源迫在眉睫。太阳能发电安全无污染，且分布广泛，受到了世界各国的高度重视。在光伏产业中，多晶硅成本占到整个光伏产业成本的50％以上。目前，改良西门子法是多晶硅生产的只要方法，而我国没有掌握改良西门子法的核心技术，主要依赖高价进口多晶硅，而冶金法制备太阳能级多晶硅具有成本低、能耗小和环保等特点，逐渐被人们所重视。研究冶金法制备太阳能级多晶硅对我国拥有自主知识产权及发展我国光伏产业有着重要意义。本文主要是利用碳化稻壳、石油焦混合还原剂和高纯石英砂制备高品质硅，为下一步提纯为太阳能级多晶硅奠定基础。本文主要研究内容和研究结果如下: (1)碳化稻壳的净化处理:应用超声波酸浸技术，对碳化稻壳进行净化处理，确定了考察范围内的优化工艺参数:选用粒径为100-120目的碳化稻壳，固液比为1∶10，盐酸浓度为14wt％，水浴温度为40℃，超声频率为45kHz，超声功率为300W，酸浸时间120min时，碳化稻壳中铁元素的去除率可达到91.62％，磷元素的去除率可达到84.25％，为后续冶炼高品质硅提供优质原料。 (2)酸浸除铁的动力学研究:铁的酸浸过程可用缩核模型来描述，普通酸浸反应过程属于混合控制，Ea=90.04kJ/mol，盐酸的反应级数为1.63，宏观反应动力学方程表达式:(1/3)ln(1-x)+[(1-x)-1/3-1]=8.65×1011C1.63d-0.27e(-90040/RT)t;超声酸浸反应过程属于混合控制，Ea=89.87kJ/mol，盐酸的反应级数为1.47，宏观反应动力学方程表达式:(1/3)ln(1-x)+[(1-x)-1/3-1]=3.01×1012C1.47d-0.33e(-89870/RT)t。 (3)球团制备及生球团物理性能的研究:利用碳化稻壳、石油焦、高纯石英砂作为原料压制球团，分别考察了还原剂配比、制团压力和粘结剂加入量三个因素对生球团抗压强度和气孔率的影响，确定了考察范围内的优化制团条件为:混合还原剂中碳化稻壳与石油焦质量之比为1∶3、粘结剂加入量为4％、制团压力为35MPa，在此条件下制得的生球团晾干后，气孔率为29.5％，抗压强度为12.89MPa。 (4)电热法制备高品质硅的研究:实验结果表明利用提纯后的碳化稻壳、石油焦混合还原剂及高纯石英砂作为原料熔炼硅是可行的，且得到了高品质硅。硅的纯度达到了99.67％，其中杂质铁的含量为0.198％，磷为0.086％，均低于现有工业硅中铁、磷的含量，为后期制备太阳能级多晶硅奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．2．1太阳能电池的构造

1．2．2太阳能电池的发电原理

1．3太阳能电池的分类

1．4硅太阳能电池生产工艺流程

1．5多晶硅的制备工艺

1．5．1改良西门子法

1．5．2硅烷热分解法

1．5．3流化床反应法

1．5．4冶金法

1．6化学法与冶金法工艺对比

1．6．1生产成本对比

1．6．2环境影响对比

1．7碳质还原剂的选择

1．8碳质还原剂的种类i

1．8．1木炭

1．8．2烟煤

1．8．3碳化稻壳

1．8．4石油焦

1．9本论文研究的意义及目的

1．10本论文研究的内容

第2章碳化稻壳的酸浸除杂研究

2．2．1实验原料

2．2．2实验设备、装置及试剂

2．3实验原理和分析方法

2．3．1实验原理

2．3．2实验分析方法

2．4实验方法

2．4．1实验操作流程图

2．4．2浸出实验步骤

2．5实验结果与讨论

2．5．1盐酸浓度对除杂效果的影响

2．5．2反应温度对除杂效果的影响

2．5．3搅拌速度对除杂效果的影响

2．5．4超声条件下超声频率对除杂效果的影晌

2．5．5超声条件下超声功率对除杂效果的影响

2．6优化条件下的浸出结果

2．7酸浸前后对比

2．8本章小结

第3章酸浸除铁的动力学研究

3．2．1反应温度的影响

3．2．2盐酸浓度的影响

3．2．3碳化稻壳粒径的影响

3．2．4普通酸浸宏观动力学方程的计算

3．3超声辅助浸出动力学研究

3．3．1超声条件下反应温度的影响

3．3．2超声条件下盐酸浓度的影响

3．3．3超声条件下碳化稻壳粒径的影响

3．3．4超声酸浸宏观动力学方程的计算

3．4普通酸浸与超声酸浸对比

3．4．1反应级数对比

3．4．2活化能及指前因子对比

3．5本章小结

第4章球团制备及其物理性能的研究

4．1引言

4．2实验原料与仪器

4．2．1实验原料

4．2．2实验仪器

4．3实验分析方法

4．3．1球团抗压强度测试

4．3．2球团气孔率的测试

4．4实验方法

4．4．1原料配比计算

4．4．2球团的制备

4．5实验结果与讨论

4．5．1还原剂配比对生球团性能影响的研究

4．5．2粘结剂用量对生球团性能影响的研究

4．5．3制团压力对生球团性能影响的研究

4．6优化条件下的生球团能

4．7本章小结

第5章混合还原剂熔炼硅的研究

5．1引言

5．2实验设备

5．3实验流程图

5．4实验的准备

5．4．1电弧炉的准备

5．4．2实验原料的准备

5．4．3电弧炉的试运行

5．5电弧炉熔炼

5．5．1烘炉

5．5．2原料熔炼

5．5．3拆炉

5．6实验结果与讨论

5．6．1实验产物SEM分析

5．6．2实验产物XRD分析

5．6．3实验产物定量分析

5．7本章小结

第6章结论

参考文献

致谢