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太陽能玻璃生產線原料車間設計

2013年2月19日  

    太陽能玻璃生產中要嚴格控制玻璃成分中著色氧化物的含量,以提高玻璃的透光率。為此,要從三方面著手,首先要選擇優質的原料;其次在原料的儲存、運輸加工、稱量、混合過程中要盡量減少鐵等金屬氧化物的混入,防止原料被污染;第三對生產過程中混入的鐵等要采取措施盡量除去。
   
    1 前言
   
    在全球能源危機日漸突出的今天,太陽能作為一種取之不盡無污染的真正綠色能源,被認為是21世紀新型能源的重要來源,正被越來越多的國家所重視。與太陽能開發和利用有關的技術和產品發展迅猛,太陽能光熱發電、光伏發電、太陽能建材化、太陽能建筑一體化、產品化的技術不斷發展進步,相關產品不斷被開發和完善,市場前景廣闊。
   
    太陽能玻璃基片,也稱低鐵玻璃或超白玻璃,作為一種太陽能產業的基礎產品,要求其能最大限度地讓太陽光和熱透射,以提高硅晶片的光電轉換率。其作為一種高附加值的產品,這幾年國內發展較快,有新設計建線的,有在原普通平板玻璃生產線基礎上改造的。改造的首要和絕大部分工作是在原料車間進行的,改造的目的就是要嚴格控制和減少原料中的鐵等使玻璃著色金屬氧化物的含量,使玻璃中Fe2O3控制在0.015%以下,最終提高玻璃的透光率和透熱率,均達到90%以上。
   
    2 原料的選擇與質量控制
   
    太陽能玻璃的化學組成與普通平板玻璃沒有太大的區別,屬于鈉鈣硅玻璃。但對引入各種氧化物的原料選擇更嚴格,尤其是硅質原料。
   
    SiO2是形成玻璃骨架的主體,引入的SiO2硅質原料是玻璃生產中最主要和用量最大的原料,也是太陽能玻璃生產中首先要解決和控制的。要求其化學成分中SiO2>99%、Fe2O3≤0.01%、TiO2≤0.02%。其來源主要有兩種。一種是優質的石英巖,其本身的品位就滿足低鐵玻璃生產的要求,在加工過程中要盡量減少鐵的混入,磨礦不能采用常用的棒磨,可以采用傳統的石碾,這種礦的儲量不大,并且分布的礦點很少,國內只有安徽風陽等少數幾個地區有。另外一種是對普通平板玻璃用優質硅砂進行浮選等選礦處理,使其滿足要求,這種砂的成本相對較高,是前述天然優質石英巖的2倍以上,其生產過程中排放的尾礦和廢水對環境的破壞較大。
   
    石灰石是除硅砂外另一種主要礦物原料,其化學成分中Fe2O3也要控制在0.01%以下。
   
    普通玻璃制品通常由長石引入Al2O3,但天然的長石礦一般較小,伴生礦物多,不可避免要混進有害雜質,最主要的是氧化鐵,對玻璃的熔化質量和透光率都要造成不利的影響。因此在太陽能玻璃生產中用氫氧化鋁代替長石引入Al2O3。氫氧化鋁是一種化工產品,其特性見表1。
    氧化鐵有多種存在形式,FeO、Fe2O3、Fe3O4,它們都會使玻璃著色,降低玻璃的透光度。玻璃中通常以FeO和Fe2O3存在,而FeO的著色能力比Fe2O3強10倍,因此在玻璃配合料中加入適量的氧化劑,使其在熔化過程中將FeO氧化成Fe2O3,從而降低鐵的著色能力,提高玻璃透光度。
   
    譬如,可以同時加入適量硝酸鈉和三氧化二銻,硝酸鈉在較低溫度(350℃)分解放出氧,而三氧化二銻在低溫階段吸收氧氣形成高價的五氧化二銻,后者在高溫下(>1050℃)放出氧,將FeO氧化成Fe2O3。
    350℃時: 4NaNO 3→ 2Na2O + 4NO + 3O2
    Sb2O3 + O2 → Sb2O5
    >1050℃時: 2Sb2O5+8FeO → 2Sb2O3+ 4Fe2O3
    五氧化二銻放出的部分氧氣還能起到澄清的作用。
   
    3 生產過程中減少鐵的混入
   
    生產普通平板玻璃時,合格原料在儲存、輸送、稱量、混合過程中由于設備、料倉等的磨損、銹蝕或多或少會混入一些鐵或氧化鐵。在太陽能玻璃的生產中要采取必要的措施,盡量減少鐵的混入。
   
    上料提升機料斗的磨損和殼體的銹蝕會帶入機械鐵和氧化鐵。為此殼體可用非金屬材料或在其內壁安裝一層高分子塑料板等,以防止生銹或銹渣落入原料中。用于生料的料斗可采用高分子塑料斗,用于碎玻璃的料斗可采用硫化工藝襯耐磨橡膠的料斗,取代普通的鋼斗,這樣還可以解決斗內粘料、掛料的現象。底部的弧形板也要進行防鐵處理。
    上料斗、配料儲倉和設備之間連接溜管內壁的磨損和銹蝕也是鐵污染的重要來源之一,為此在生料的料倉和溜管內壁安裝一種超高分子量的耐磨聚乙烯板(簡稱UHMWPE板),這是一種分子量在200萬以上的線性結構聚乙烯材料,由于其分子量極高,具有極強的耐磨損、耐壓、耐沖擊、耐低溫、自潤滑、抗結垢等優異性能,比不銹鋼、黃銅等還耐磨數倍。其主要特性見表2。
   
    使用這種板材還可以很好地解決料倉和溜管內的粘料和堵料現象,既經濟又實用。
   
    由于碎玻璃棱角銳利,具有很強的劃傷性,在料倉和溜管內壁不能采用上述UHMWPE板。可以采用一種復合耐磨合金板制作,它由二層熔融復合而成,背面基板為普通的鋼材,工作面為一層鎳、鉻、鉬合金。其洛氏硬度63~65HRC,耐磨性比較見表3。
   
    這種材料由法國最先開發,現在國內也有生產。一般以板材出廠,也可以根據使用要求加工成各種異形,如可以用于制造碎玻璃給料機的槽體。
   
    電子秤是配料的關鍵設備,在振動料斗內壁和電磁振動給料機槽體內表面涂一層防銹耐磨涂層,防止生銹。由于物料在給料機槽體內是作拋物線運動的,對槽體的磨損本來就少,這樣帶來的鐵污染就很少。在秤量斗內壁內及其它可能接觸物料的地方安裝前述UHMWPE材料。
   
    普通的混合機在混合過程中也會帶入較大量的鐵,主要來自襯板、刮板、鏟片等的磨損,因此要對混合機進行改造。內外筒壁襯板、底襯板改用耐磨的UPE板或復合耐磨合金板;在刮板、鏟片表面嵌焊耐磨合金或噴涂碳化物;加水、加氣裝置,采用不銹鋼管材并在管材表面噴涂耐磨涂層,噴嘴采用銅材。混合過程中鐵含量增加控制在8ppm以下。
   
    對運送散狀原料(如砂和碎玻璃)的車輛,也要進行防鐵處理。
   
    4 除鐵
   
    即使采取了上述措施仍難免會有少量的鐵雜質混入,為此要采取除鐵措施。由于剛磨損下來的基本上是鐵,尚未被氧化,可以采用磁力吸除。
    在入庫的溜管上安裝管道除鐵器,在物料處于半失重狀態下,更容易將鐵吸除,以碎玻璃為例,吸除前后通過化驗分析比較Fe2O3相差達110ppm。在輸送皮帶機適當位置的上方安裝懸掛式除鐵器,除去料層上部的鐵;小功率皮帶機的頭輪可采用電磁滾筒,除去料層下部的鐵。
   
    碎玻璃磨損下來的鐵基本都在細粉當中,可以增加一套篩分系統,對篩下來的細粉除鐵后再投入使用。
   
    5 結語
   
    某項目改造前成品玻璃中的Fe2O3與各種原料中的Fe2O3加權值和相比增加了400~500ppm,而改造后只增加了不到40ppm,效果明顯。改造后玻璃的透光率和透熱率都達到了92%以上,產品附加值大幅提高,大部分出口國外,市場供不應求。
   
    在防鐵方面,除碎玻璃外,應盡量采用類似UHMWPE等高分子材料,雖然復合耐磨合金板的耐磨性、穩定性強,但其含鉻、鎳、鉬等對玻璃有害的元素;另外其成本很高(是普通鋼材的7倍以上),且安裝及附材費用也很高。
   
    除要防鐵外,與物料接觸的部分盡量不用含鎳的材料(安裝UHMWPE板時用的不銹鋼螺栓和壓板),以免造成玻璃在后期鋼化時和鋼化后自爆。
   

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