I løpet av den «14. femårsplanen», i henhold til landets strategiske plan for «karbontopp og karbonnøytralitet», vil den fotovoltaiske industrien føre til en eksplosiv utvikling. Utbruddet av den fotovoltaiske industrien har «skapt rikdom» for hele industrikjeden. I denne blendende kjeden er fotovoltaisk glass et uunnværlig ledd. I dag, som taler for energisparing og miljøvern, øker etterspørselen etter fotovoltaisk glass dag for dag, og det er en ubalanse mellom tilbud og etterspørsel. Samtidig har lavjerns- og ultrahvit kvartsand, et viktig materiale for fotovoltaisk glass, også steget, og prisen har økt og tilbudet er mangelvare. Bransjeeksperter spår at lavjernskvartsand vil ha en langsiktig økning på mer enn 15 % i mer enn 10 år. Under den sterke vinden fra fotovoltaisk energi har produksjonen av lavjernskvartsand fått mye oppmerksomhet.
1. Kvartsand for solcellepanel
Fotovoltaisk glass brukes vanligvis som innkapslingspanel for fotovoltaiske moduler, og det er i direkte kontakt med det ytre miljøet. Værbestandighet, styrke, lysgjennomgang og andre indikatorer spiller en sentral rolle i levetiden til fotovoltaiske moduler og langsiktig kraftproduksjonseffektivitet. Jernionene i kvartssanden er enkle å farge, og for å sikre den høye solgjennomgangen til det originale glasset, er jerninnholdet i fotovoltaisk glass lavere enn i vanlig glass, og lavjernkvartsand med høy silisiumrenhet og lavt urenhetsinnhold må brukes.
For tiden finnes det få høykvalitets kvartssand med lavt jerninnhold som er enkle å utvinne i landet vårt, og de er hovedsakelig distribuert i Heyuan, Guangxi, Fengyang, Anhui, Hainan og andre steder. I fremtiden, med veksten i produksjonskapasiteten til ultrahvitt preget glass for solceller, vil høykvalitets kvartssand med begrenset produksjonsområde bli en relativt knapp ressurs. Tilgangen på høykvalitets og stabil kvartssand vil begrense konkurranseevnen til solcelledrevne glassselskaper i fremtiden. Derfor er hvordan man effektivt kan redusere innholdet av jern, aluminium, titan og andre urenheter i kvartssand og fremstille høyrent kvartssand et hett forskningstema.
2. Produksjon av kvartsand med lavt jerninnhold for fotovoltaisk glass
2.1 Rensing av kvartsand for fotovoltaisk glass
For tiden inkluderer de tradisjonelle kvartsrenseprosessene som er modent anvendt i industrien sortering, skrubbing, kalsinering-vann-bråkjøling, sliping, sikting, magnetisk separasjon, gravitasjonsseparasjon, flotasjon, syreutvasking, mikrobiell utvasking, høytemperaturavgassing, etc. Dyprensingsprosesser inkluderer klorert brenning, bestrålt fargesortering, superledende magnetisk sortering, høytemperaturvakuum og så videre. Den generelle opprensingsprosessen for rensing av kvartssand i husholdninger har også blitt utviklet fra tidlig "sliping, magnetisk separasjon, vasking" til "separasjon → grovknusing → kalsinering → vann-bråkjøling → sliping → sikting → magnetisk separasjon → flotasjon → syre". Den kombinerte opprensingsprosessen med nedsenking → vasking → tørking, kombinert med mikrobølgeovn, ultralyd og andre metoder for forbehandling eller hjelperensing, forbedrer renseeffekten betraktelig. I lys av de lave jernkravene til fotovoltaisk glass, introduseres forskning og utvikling av metoder for fjerning av kvartssand hovedsakelig.
Generelt finnes jern i følgende seks vanlige former i kvartsmalm:
① Finnes i form av fine partikler i leire eller kaolinisert feltspat
②Festet til overflaten av kvartspartikler i form av en jernoksidfilm
③Jernmineraler som hematitt, magnetitt, spekularitt, qinitt osv. eller jernholdige mineraler som glimmer, amfibol, granat osv.
④Det er i nedsenkingstilstand eller linse inne i kvartspartiklene
⑤ Eksisterer i fast løsning inne i kvartskrystallen
⑥ En viss mengde sekundært jern vil bli blandet i knuse- og slipeprosessen
For å effektivt separere jernholdige mineraler fra kvarts, er det nødvendig å først fastslå forekomsten av jernurenheter i kvartsmalmen og velge en rimelig opprenskningsmetode og separasjonsprosess for å oppnå fjerning av jernurenheter.
(1) Magnetisk separasjonsprosess
Den magnetiske separasjonsprosessen kan i størst mulig grad fjerne svake magnetiske urenheter som hematitt, limonitt og biotitt, inkludert sammenføyde partikler. I henhold til magnetisk styrke kan magnetisk separasjon deles inn i sterk magnetisk separasjon og svak magnetisk separasjon. Sterk magnetisk separasjon benytter vanligvis våt sterk magnetisk separator eller magnetisk separator med høy gradient.
Generelt sett kan kvartsand som hovedsakelig inneholder svake magnetiske urenheter som limonitt, hematitt, biotitt osv., velges ved hjelp av en våttype sterk magnetisk maskin med en verdi over 8,0 × 105 A/m. For sterke magnetiske mineraler dominert av jernmalm er det bedre å bruke en svak magnetisk maskin eller en middels magnetisk maskin for separasjon. [2] I dag, med bruk av magnetiske separatorer med høy gradient og sterkt magnetfelt, har magnetisk separasjon og rensing blitt betydelig forbedret sammenlignet med tidligere. For eksempel kan bruk av en sterk magnetisk separator av elektromagnetisk induksjonsvalsetypen for å fjerne jern under 2,2 T magnetfeltstyrke redusere innholdet av Fe2O3 fra 0,002 % til 0,0002 %.
(2) Flotasjonsprosess
Flotasjon er en prosess for å separere mineralpartikler gjennom ulike fysiske og kjemiske egenskaper på overflaten av mineralpartiklene. Hovedfunksjonen er å fjerne de relaterte mineralene glimmer og feltspat fra kvartssanden. For flotasjonsseparasjon av jernholdige mineraler og kvarts er det å finne ut forekomsten av jernforurensninger og fordelingsformen for hver partikkelstørrelse nøkkelen til å velge en riktig separasjonsprosess for jernfjerning. De fleste jernholdige mineraler har et nullpunkt over 5, som er positivt ladet i et surt miljø og teoretisk egnet for bruk av anioniske samlere.
Fettsyre (såpe), hydrokarbylsulfonat eller sulfat kan brukes som anionisk samler for flotasjon av jernoksidmalm. Pyritt kan floteres fra kvarts i et beisemiljø med det klassiske flotasjonsmiddelet for isobutylxantat pluss butylamin svart pulver (4:1). Doseringen er omtrent 200 ppmw.
Flotasjon av ilmenitt bruker vanligvis natriumoleat (0,21 mol/L) som flotasjonsmiddel for å justere pH-verdien til 4–10. En kjemisk reaksjon skjer mellom oleationer og jernpartikler på overflaten av ilmenitten for å produsere jernoleat, som er kjemisk adsorbert. Oleationer holder ilmenitten flytende med bedre flyteevne. De hydrokarbonbaserte fosfonsyresamlerne som er utviklet de siste årene, har god selektivitet og innsamlingsytelse for ilmenitt.
(3) Syreutvaskingsprosess
Hovedformålet med syreutvaskingsprosessen er å fjerne løselige jernmineraler i syreløsningen. Faktorene som påvirker renseeffekten av syreutvaskingen inkluderer kvartsandpartikkelstørrelse, temperatur, tid, syretype, syrekonsentrasjon, forholdet mellom fast stoff og væske, etc., og øker temperaturen og syreløsningen. Konsentrasjon og reduksjon av radiusen til kvartspartiklene kan øke utvaskingshastigheten og utvaskingshastigheten til Al. Renseeffekten av en enkelt syre er begrenset, og den blandede syren har en synergistisk effekt, noe som kan øke fjerningshastigheten for urenheter som Fe og K betraktelig. Vanlige uorganiske syrer er HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4, H2C2O4, vanligvis blandes to eller flere av dem og brukes i en viss mengde.
Oksalsyre er en vanlig organisk syre for syreutvasking. Den kan danne et relativt stabilt kompleks med de oppløste metallionene, og urenhetene vaskes lett ut. Den har fordelene med lav dosering og høy jernfjerningshastighet. Noen bruker ultralyd for å hjelpe til med rensingen av oksalsyre, og har funnet at sammenlignet med konvensjonell omrøring og tankultralyd, har probeultralyd den høyeste Fe-fjerningshastigheten, mengden oksalsyre er mindre enn 4 g/L, og jernfjerningshastigheten når 75,4 %.
Tilstedeværelsen av fortynnet syre og flussyre kan effektivt fjerne metallurenheter som Fe, Al og Mg, men mengden flussyre må kontrolleres fordi flussyre kan korrodere kvartspartiklene. Bruken av forskjellige typer syrer påvirker også kvaliteten på renseprosessen. Blant dem har den blandede syren av HCl og HF den beste prosesseringseffekten. Noen bruker et blandet utvaskingsmiddel med HCl og HF for å rense kvartssanden etter magnetisk separasjon. Gjennom kjemisk utvasking er den totale mengden urenheter 40,71 μg/g, og renheten til SiO2 er så høy som 99,993 vekt%.
(4) Mikrobiell utvasking
Mikroorganismer brukes til å utvaske tynnfilmjern eller impregnere jern på overflaten av kvartsandpartikler, som er en nylig utviklet teknikk for å fjerne jern. Utenlandske studier har vist at bruk av Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Polymyxin Bacillus og andre mikroorganismer for å utvaske jern på overflaten av kvartsfilmen har oppnådd gode resultater, hvorav effekten av Aspergillus niger-utvasking av jern er optimal. Fjerningsgraden av Fe2O3 er stort sett over 75 %, og graden av Fe2O3-konsentrat er så lav som 0,007 %. Og det ble funnet at effekten av utvasking av jern med fordyrking av de fleste bakterier og muggsopp ville være bedre.
2.2 Andre forskningsfremskritt innen kvartsand til fotovoltaisk glass
For å redusere mengden syre, gjøre det vanskeligere å rense kloakk og være miljøvennlig, beskrev Peng Shou [5] et al. en metode for å fremstille 10 ppm lavjernskvartsand ved en ikke-beisingprosess: naturlig årekvarts brukes som råmateriale, og tretrinnsknusing. Første trinns sliping og andre trinns klassifisering kan gi 0,1~0,7 mm korn; kornet separeres ved første trinn med magnetisk separasjon og andre trinn med sterk magnetisk fjerning av mekanisk jern og jernholdige mineraler for å oppnå magnetisk separasjonssand; den magnetiske separasjonen av sanden oppnås ved andre trinns flotasjon. Fe2O3-innholdet er lavere enn 10 ppm lavjernskvartsand, flotasjon bruker H2SO4 som regulator, justerer pH=2~3, og bruker natriumoleat og kokosoljebasert propylendiamin som samlere. Den fremstilte kvartssanden SiO2≥99,9%, Fe2O3≤10 ppm, oppfyller kravene til kiselholdige råvarer som kreves for optisk glass, fotoelektrisk displayglass og kvartsglass.
På den annen side, med uttømmingen av høykvalitets kvartsressurser, har omfattende utnyttelse av lavkvalitetsressurser fått bred oppmerksomhet. Xie Enjun fra China Building Materials Bengbu Glass Industry Design and Research Institute Co., Ltd. brukte kaolinavgangsmaterialer til å fremstille lavjernskvartsand for fotovoltaisk glass. Hovedmineralsammensetningen av Fujian kaolinavgangsmaterialer er kvarts, som inneholder en liten mengde urenhetsmineraler som kaolinitt, glimmer og feltspat. Etter at kaolinavgangsmaterialet er behandlet ved hjelp av foredlingsprosessen «sliping-hydraulisk klassifisering-magnetisk separasjon-flotasjon», er innholdet av 0,6~0,125 mm partikkelstørrelse større enn 95 %, SiO2 er 99,62 %, Al2O3 er 0,065 %, Fe2O3 er 92×10-6 fin kvartsand som oppfyller kvalitetskravene til lavjernskvartsand for fotovoltaisk glass.
Shao Weihua og andre fra Zhengzhou Institute of Comprehensive Utnyttelse av Mineralressurser, Chinese Academy of Geological Sciences, publiserte et oppfinnelsespatent: en metode for å fremstille høyrens kvartssand fra kaolinavganger. Metodetrinnene: a. Kaolinavganger brukes som råmalm, som siktes etter omrøring og skrubbing for å oppnå et materiale på +0,6 mm; b. Materiale på +0,6 mm males og klassifiseres, og 0,4 mm - 0,1 mm mineralmateriale utsettes for magnetisk separasjonsoperasjon. For å oppnå magnetiske og ikke-magnetiske materialer, går de ikke-magnetiske materialene gjennom gravitasjonsseparasjonsoperasjonen for å oppnå de lette mineralene ved gravitasjonsseparasjon og de tunge mineralene ved gravitasjonsseparasjon, og de lette mineralene ved gravitasjonsseparasjon går gjennom ommalingsoperasjonen for å sikte for å oppnå +0,1 mm mineraler; c. Mineralet går gjennom flotasjonsoperasjonen for å oppnå flotasjonskonsentratet. Det øvre vannet i flotasjonskonsentratet fjernes og ultralydbeises, og deretter siktes for å oppnå det grove materialet på +0,1 mm som kvartssand med høy renhet. Fremgangsmåten i oppfinnelsen kan ikke bare oppnå kvartskonsentratprodukter av høy kvalitet, men har også kort prosesseringstid, enkel prosessflyt, lavt energiforbruk og høy kvalitet på det oppnådde kvartskonsentratet, som kan oppfylle kvalitetskravene til kvarts med høy renhet.
Kaolinavgangsmaterialer inneholder store mengder kvartsressurser. Gjennom foredling, rensing og dyp prosessering kan det oppfylle kravene til bruk av solcellebaserte ultrahvitt glassråvarer. Dette gir også en ny idé for omfattende utnyttelse av kaolinavgangsressurser.
3. Markedsoversikt over kvartsand med lavt jerninnhold for fotovoltaisk glass
På den ene siden, i andre halvdel av 2020, kan ikke den ekspansjonsbegrensede produksjonskapasiteten håndtere den eksplosive etterspørselen under høy velstand. Tilbud og etterspørsel etter fotovoltaisk glass er ubalansert, og prisen skyter i været. Etter en felles oppfordring fra mange fotovoltaiske modulselskaper, utstedte Industri- og informasjonsdepartementet i desember 2020 et dokument som klargjorde at det fotovoltaiske rulleglassprosjektet kanskje ikke utarbeider en kapasitetserstatningsplan. Påvirket av den nye politikken vil vekstraten for produksjon av fotovoltaisk glass bli utvidet fra 2021. I følge offentlig informasjon vil kapasiteten for rullet fotovoltaisk glass med en klar produksjonsplan i 21/22 nå 22250/26590t/d, med en årlig vekstrate på 68,4/48,6%. Når det gjelder politikk og etterspørselsgarantier, forventes det at fotovoltaisk sand vil innlede eksplosiv vekst.
Produksjonskapasiteten for solcellepanelindustrien 2015–2022
På den annen side kan den betydelige økningen i produksjonskapasiteten til fotovoltaisk glass føre til at tilgangen på silikasand med lavt jerninnhold overstiger tilgangen, noe som igjen begrenser den faktiske produksjonskapasiteten for fotovoltaisk glass. Ifølge statistikk har landets innenlandske kvartsandproduksjon generelt vært litt lavere enn den innenlandske etterspørselen siden 2014, og tilbud og etterspørsel har opprettholdt en stram balanse.
Samtidig er landets innenlandske lavjernsressurser av kvartsplacerer knappe, konsentrert i Heyuan i Guangdong, Beihai i Guangxi, Fengyang i Anhui og Donghai i Jiangsu, og en stor mengde av dem må importeres.
Ultrahvit kvartsand med lavt jerninnhold er et av de viktigste råmaterialene (som står for omtrent 25 % av råvarekostnaden) de siste årene. Prisen har også steget. Tidligere har den lenge ligget rundt 200 yuan/tonn. Etter utbruddet av Q1-epidemien på 20 år har den falt fra et høyt nivå, og den opprettholder for tiden stabil drift for tiden.
I 2020 vil landets totale etterspørsel etter kvartssand være 90,93 millioner tonn, produksjonen vil være 87,65 millioner tonn, og nettoimporten vil være 3,278 millioner tonn. Ifølge offentlig informasjon er mengden kvartsstein i 100 kg smeltet glass omtrent 72,2 kg. I følge den nåværende utvidelsesplanen kan kapasitetsøkningen for fotovoltaisk glass i 2021/2022 nå 3,23/24 500 tonn/dag. I følge den årlige produksjonen beregnet over en 360-dagers periode vil den totale produksjonen tilsvare den nylig økte etterspørselen etter lavjernssilikasand på 836/635 millioner tonn/år. Det vil si at den nye etterspørselen etter lavjernssilikasand som kommer fra fotovoltaisk glass i 2021/2022, vil utgjøre den totale kvartssanden i 2020 på 9,2 %/7,0 % av etterspørselen. Tatt i betraktning at silikasand med lavt jerninnhold bare utgjør en del av den totale etterspørselen etter silikasand, kan tilbuds- og etterspørselspresset på silikasand med lavt jerninnhold forårsaket av den store investeringen i produksjonskapasitet for fotovoltaisk glass være mye høyere enn presset på den generelle kvartsandindustrien.
– Artikkel fra Powder Network
Publisert: 11. desember 2021