În perioada „Cel de-al 14-lea Plan Cincal”, conform planului strategic al țării pentru „vârf de carbon și neutru din punct de vedere al emisiilor de carbon”, industria fotovoltaică va duce la o dezvoltare explozivă. Izbucnirea industriei fotovoltaice a „creat bogăție” pentru întregul lanț industrial. În acest lanț orbitor, sticla fotovoltaică este o verigă indispensabilă. Astăzi, pledând pentru conservarea energiei și protecția mediului, cererea de sticlă fotovoltaică crește zi de zi, existând un dezechilibru între cerere și ofertă. În același timp, nisipul cuarțos cu conținut scăzut de fier și ultra-alb, un material important pentru sticla fotovoltaică, a crescut și el, iar prețul a crescut, iar oferta este insuficientă. Experții din industrie prevăd că nisipul cuarțos cu conținut scăzut de fier va avea o creștere pe termen lung de peste 15% timp de peste 10 ani. Sub vântul puternic al fotovoltaicului, producția de nisip cuarțos cu conținut scăzut de fier a atras multă atenție.
1. Nisip de cuarț pentru sticlă fotovoltaică
Sticla fotovoltaică este utilizată în general ca panou de încapsulare a modulelor fotovoltaice și este în contact direct cu mediul extern. Rezistența la intemperii, rezistența, transmitanța luminii și alți indicatori joacă un rol central în durata de viață a modulelor fotovoltaice și în eficiența pe termen lung a generării de energie. Ionii de fier din nisipul de cuarț sunt ușor de vopsit, iar pentru a asigura transmitanța solară ridicată a sticlei originale, conținutul de fier al sticlei fotovoltaice este mai mic decât cel al sticlei obișnuite, fiind necesară utilizarea nisipului de cuarț cu conținut scăzut de fier, cu puritate ridicată a siliciului și conținut scăzut de impurități.
În prezent, în țara noastră există puține nisipuri cuarțoase de înaltă calitate, cu conținut scăzut de fier, ușor de exploatat, distribuite în principal în Heyuan, Guangxi, Fengyang, Anhui, Hainan și alte locuri. În viitor, odată cu creșterea capacității de producție a sticlei ultra-albe embosate pentru celule solare, nisipul cuarțos de înaltă calitate, cu o suprafață de producție limitată, va deveni o resursă relativ rară. Furnizarea de nisip cuarțos de înaltă calitate și stabil va restricționa competitivitatea companiilor de sticlă fotovoltaică în viitor. Prin urmare, modul de reducere eficientă a conținutului de fier, aluminiu, titan și alte elemente de impuritate din nisipul cuarțos și de preparare a nisipului cuarțos de înaltă puritate este un subiect de cercetare fierbinte.
2. Producerea de nisip cuarțos cu conținut scăzut de fier pentru sticlă fotovoltaică
2.1 Purificarea nisipului de cuarț pentru sticla fotovoltaică
În prezent, procesele tradiționale de purificare a cuarțului, aplicate cu maturitate în industrie, includ sortarea, spălarea, calcinarea-stingerea cu apă, măcinarea, cernerea, separarea magnetică, separarea gravitațională, flotația, levigarea acidă, levigarea microbiană, degazarea la temperatură înaltă etc., procesele de purificare profundă includ prăjirea clorurată, sortarea iradiată a culorilor, sortarea magnetică supraconductoare, vidul la temperatură înaltă și așa mai departe. Procesul general de valorificare a nisipului cuarțos intern a fost, de asemenea, dezvoltat de la „măcinare, separare magnetică, spălare” timpurie la „separare → concasare grosieră → calcinare → stingere cu apă → măcinare → cernere → separare magnetică → flotație → acid”. Procesul combinat de valorificare prin imersie → spălare → uscare, combinat cu microunde, ultrasunete și alte mijloace de pretratare sau purificare auxiliară, îmbunătățește considerabil efectul de purificare. Având în vedere cerințele scăzute de fier ale sticlei fotovoltaice, se introduce în principal cercetarea și dezvoltarea metodelor de îndepărtare a nisipului cuarțos.
În general, fierul există în următoarele șase forme comune în minereul de cuarț:
① Există sub formă de particule fine în argilă sau feldspat caolinizat
②Atașat la suprafața particulelor de cuarț sub formă de peliculă de oxid de fier
③Minerale fieroase precum hematitul, magnetitul, specularitul, qinit etc. sau minerale care conțin fier precum mica, amfibolul, granatul etc.
④Se află în stare de imersie sau lentilă în interiorul particulelor de cuarț
⑤ Există în stare de soluție solidă în interiorul cristalului de cuarț
⑥ O anumită cantitate de fier secundar va fi amestecată în procesul de concasare și măcinare
Pentru a separa eficient mineralele care conțin fier de cuarț, este necesar să se constate mai întâi starea de prezență a impurităților de fier în minereul de cuarț și să se selecteze o metodă de valorificare și un proces de separare rezonabile pentru a realiza îndepărtarea impurităților de fier.
(1) Procesul de separare magnetică
Procesul de separare magnetică poate îndepărta mineralele cu impurități magnetice slabe, cum ar fi hematitul, limonitul și biotitul, inclusiv particulele unite în cea mai mare măsură. În funcție de puterea magnetică, separarea magnetică poate fi împărțită în separare magnetică puternică și separare magnetică slabă. Separarea magnetică puternică utilizează de obicei separatorul magnetic puternic umed sau separatorul magnetic cu gradient ridicat.
În general, nisipul cuarțos care conține în principal minerale cu impurități magnetice slabe, cum ar fi limonitul, hematitul, biotitul etc., poate fi selectat folosind o mașină magnetică puternică de tip umed, la o valoare mai mare de 8,0 × 105 A/m; Pentru mineralele magnetice puternice, dominate de minereu de fier, este mai bine să se utilizeze o mașină magnetică slabă sau o mașină magnetică medie pentru separare. [2] În zilele noastre, odată cu aplicarea separatoarelor magnetice cu gradient înalt și câmp magnetic puternic, separarea și purificarea magnetică au fost îmbunătățite semnificativ în comparație cu trecutul. De exemplu, utilizarea unui separator magnetic puternic de tip rolă cu inducție electromagnetică pentru a îndepărta fierul sub o intensitate a câmpului magnetic de 2,2 T poate reduce conținutul de Fe2O3 de la 0,002% la 0,0002%.
(2) Procesul de flotație
Flotația este un proces de separare a particulelor minerale prin diferite proprietăți fizice și chimice de pe suprafața particulelor minerale. Funcția principală este de a îndepărta mica și feldspatul minerale aferente din nisipul cuarțos. Pentru separarea prin flotație a mineralelor care conțin fier și a cuarțului, descoperirea formei de apariție a impurităților de fier și a formei de distribuție a fiecărei dimensiuni de particule este cheia pentru alegerea unui proces de separare adecvat pentru îndepărtarea fierului. Majoritatea mineralelor care conțin fier au un punct electric zero peste 5, fiind încărcat pozitiv într-un mediu acid și teoretic potrivit pentru utilizarea colectoarelor anionice.
Acidul gras (săpunul), sulfonatul sau sulfatul de hidrocarbil pot fi utilizați ca și colectori anionici pentru flotația minereului de oxid de fier. Pirita poate fi obținută prin flotarea piritei din cuarț într-un mediu de decapare cu agentul de flotație clasic pentru xantatul de izobutil plus pulbere neagră de butilamină (4:1). Dozajul este de aproximativ 200 ppmw.
Flotația ilmenitului utilizează în general oleat de sodiu (0,21 mol/L) ca agent de flotație pentru a ajusta pH-ul la 4~10. O reacție chimică are loc între ionii de oleat și particulele de fier de pe suprafața ilmenitului pentru a produce oleat de fier, care este adsorbit chimic. Ionii de oleat mențin ilmenitul cu o flotabilitate mai bună. Colectoarele de acid fosfonic pe bază de hidrocarburi, dezvoltate în ultimii ani, au o selectivitate bună și performanțe de colectare a ilmenitului.
(3) Procesul de levigare acidă
Scopul principal al procesului de levigare acidă este de a îndepărta mineralele solubile de fier din soluția acidă. Factorii care afectează efectul de purificare al levigării acide includ dimensiunea particulelor de nisip cuarțos, temperatura, timpul, tipul de acid, concentrația de acid, raportul solid-lichid etc., și cresc temperatura și soluția acidă. Concentrarea și reducerea razei particulelor de cuarț pot crește rata de levigare și rata de levigare a Al. Efectul de purificare al unui singur acid este limitat, iar acidul amestecat are un efect sinergic, care poate crește considerabil rata de îndepărtare a elementelor impure, cum ar fi Fe și K. Acizii anorganici comuni sunt HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4, H2C2O4, în general doi sau mai mulți dintre ei fiind amestecați și utilizați într-o anumită proporție.
Acidul oxalic este un acid organic utilizat în mod obișnuit pentru levigarea acidă. Poate forma un complex relativ stabil cu ionii metalici dizolvați, iar impuritățile sunt ușor de spălat. Are avantajele dozei reduse și ale ratei ridicate de îndepărtare a fierului. Unii utilizatori utilizează ultrasunetele pentru a ajuta la purificarea acidului oxalic și au constatat că, în comparație cu agitarea convențională și cu ultrasunetele din rezervor, ultrasunetele cu sondă au cea mai mare rată de îndepărtare a Fe, cantitatea de acid oxalic este mai mică de 4 g/l, iar rata de îndepărtare a fierului ajunge la 75,4%.
Prezența acidului diluat și a acidului fluorhidric poate îndepărta eficient impuritățile metalice precum Fe, Al, Mg, dar cantitatea de acid fluorhidric trebuie controlată deoarece acidul fluorhidric poate coroda particulele de cuarț. Utilizarea diferitelor tipuri de acizi afectează, de asemenea, calitatea procesului de purificare. Printre aceștia, acidul mixt de HCl și HF are cel mai bun efect de procesare. Unii oameni folosesc un agent de levigare mixt de HCl și HF pentru a purifica nisipul de cuarț după separarea magnetică. Prin levigare chimică, cantitatea totală de elemente de impuritate este de 40,71 μg/g, iar puritatea SiO2 este de până la 99,993% în greutate.
(4) Levigarea microbiană
Microorganismele sunt utilizate pentru levigarea peliculelor subțiri de fier sau pentru impregnarea fierului pe suprafața particulelor de nisip cuarțos, o tehnică recent dezvoltată pentru îndepărtarea fierului. Studiile efectuate în străinătate au arătat că utilizarea Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Polymyxin Bacillus și a altor microorganisme pentru levigarea fierului pe suprafața peliculei de cuarț a obținut rezultate bune, efectul levigării fierului de către Aspergillus niger fiind optim. Rata de îndepărtare a Fe2O3 este în mare parte peste 75%, iar conținutul concentratului de Fe2O3 este de doar 0,007%. S-a constatat că efectul levigării fierului cu pre-cultivarea majorității bacteriilor și mucegaiurilor ar fi mai bun.
2.2 Alte progrese în cercetarea nisipului cuarțos pentru sticla fotovoltaică
Pentru a reduce cantitatea de acid, a diminua dificultatea tratării apelor uzate și a fi ecologic, Peng Shou [5] și colab. au descris o metodă de preparare a nisipului cuarțos cu conținut scăzut de fier de 10 ppm printr-un proces fără decapare: cuarțul natural este utilizat ca materie primă și este concasat în trei etape. Prima etapă de măcinare și a doua etapă de clasificare pot obține o granulație de 0,1~0,7 mm; granulația este separată prin prima etapă de separare magnetică și a doua etapă de îndepărtare magnetică puternică a fierului mecanic și a mineralelor care conțin fier pentru a obține nisip de separare magnetică; separarea magnetică a nisipului se obține prin flotație în a doua etapă. Conținutul de Fe2O3 este mai mic decât cel de 10 ppm nisip cuarțos cu conținut scăzut de fier, flotația utilizează H2SO4 ca regulator, ajustează pH-ul = 2~3, utilizează oleat de sodiu și propilen diamină pe bază de ulei de cocos ca colectori. Nisipul cuarțos preparat SiO2≥99,9%, Fe2O3≤10 ppm, îndeplinește cerințele materiilor prime silicioase necesare pentru sticla optică, sticla de afișare fotoelectrică și sticla de cuarț.
Pe de altă parte, odată cu epuizarea resurselor de cuarț de înaltă calitate, utilizarea cuprinzătoare a resurselor de nivel scăzut a atras o atenție largă. Xie Enjun de la China Building Materials Bengbu Glass Industry Design and Research Institute Co., Ltd. a folosit steril de caolin pentru a prepara nisip cuarțos cu conținut scăzut de fier pentru sticla fotovoltaică. Compoziția minerală principală a sterilului de caolin din Fujian este cuarțul, care conține o cantitate mică de impurități minerale, cum ar fi caolinit, mică și feldspat. După ce sterilul de caolin este procesat prin procesul de „măcinare-clasificare hidraulică-separare magnetică-flotație”, conținutul de particule cu dimensiunea de 0,6~0,125 mm este mai mare de 95%, SiO2 este 99,62%, Al2O3 este 0,065%, Fe2O3 este nisipul cuarțos fin 92×10-6, care îndeplinește cerințele de calitate ale nisipului cuarțos cu conținut scăzut de fier pentru sticla fotovoltaică.
Shao Weihua și alții de la Institutul Zhengzhou pentru Utilizarea Cuprinzătoare a Resurselor Minerale, Academia Chineză de Științe Geologice, au publicat un brevet de invenție: o metodă de preparare a nisipului cuarțos de înaltă puritate din steril de caolin. Etapele metodei: a. Sterilul de caolin este utilizat ca minereu brut, care este cernut după agitare și curățare pentru a obține material de +0,6 mm; b. Materialul de +0,6 mm este măcinat și clasificat, iar materialul mineral de 0,4 mm-0,1 mm este supus unei operațiuni de separare magnetică. Pentru a obține materiale magnetice și nemagnetice, materialele nemagnetice intră în operațiunea de separare gravitațională pentru a obține minerale ușoare prin separare gravitațională și minerale grele prin separare gravitațională, iar mineralele ușoare prin separare gravitațională intră în operațiunea de măcinare pentru a fi cernute pentru a obține minerale de +0,1 mm; c. Mineralul de +0,1 mm intră în operațiunea de flotație pentru a obține concentratul de flotație. Apa superioară a concentratului de flotație este îndepărtată și apoi decapată cu ultrasunete, apoi cernută pentru a obține materialul grosier de +0,1 mm sub formă de nisip cuarțos de înaltă puritate. Metoda invenției nu numai că poate obține produse concentrate de cuarț de înaltă calitate, dar are și un timp de procesare scurt, un flux de proces simplu, un consum redus de energie și o calitate ridicată a concentratului de cuarț obținut, ceea ce poate îndeplini cerințele de calitate ale cuarțului de înaltă puritate.
Sterilul de caolin conțin o cantitate mare de resurse de cuarț. Prin îmbogățire, purificare și procesare profundă, acesta poate îndeplini cerințele pentru utilizarea materiilor prime din sticlă ultra-albă fotovoltaică. Acest lucru oferă, de asemenea, o nouă idee pentru utilizarea completă a resurselor de steril de caolin.
3. Prezentare generală a pieței nisipului cuarțos cu conținut scăzut de fier pentru sticlă fotovoltaică
Pe de o parte, în a doua jumătate a anului 2020, capacitatea de producție, limitată de extindere, nu poate face față cererii explozive într-un context de prosperitate ridicată. Cererea și oferta de sticlă fotovoltaică sunt dezechilibrate, iar prețul este în creștere. În urma apelului comun al mai multor companii de module fotovoltaice, în decembrie 2020, Ministerul Industriei și Tehnologiei Informației a emis un document care clarifică faptul că proiectul de sticlă fotovoltaică laminată nu poate formula un plan de înlocuire a capacității. Afectată de noua politică, rata de creștere a producției de sticlă fotovoltaică va fi extinsă începând cu 2021. Conform informațiilor publice, capacitatea de sticlă fotovoltaică laminată, cu un plan clar de producție în 2021/2022, va ajunge la 22250/26590 t/zi, cu o rată anuală de creștere de 68,4/48,6%. În cazul garanțiilor de politică și a cererii, se așteaptă ca nisipul fotovoltaic să inaugureze o creștere explozivă.
Capacitatea de producție a industriei sticlei fotovoltaice 2015-2022
Pe de altă parte, creșterea substanțială a capacității de producție a sticlei fotovoltaice poate determina depășirea ofertei de nisip siliceu cu conținut scăzut de fier, ceea ce, la rândul său, restricționează capacitatea efectivă de producție a sticlei fotovoltaice. Conform statisticilor, din 2014, producția internă de nisip cuarțos a țării mele a fost, în general, puțin mai mică decât cererea internă, iar cererea și oferta au menținut un echilibru strâns.
În același timp, resursele interne de cuarț placentar cu conținut scăzut de fier ale țării mele sunt limitate, concentrate în Heyuan din Guangdong, Beihai din Guangxi, Fengyang din Anhui și Donghai din Jiangsu, iar o mare parte din acestea trebuie importate.
Nisipul cuarțos ultra-alb cu conținut scăzut de fier este una dintre materiile prime importante (reprezentând aproximativ 25% din costul materiei prime) în ultimii ani. Prețul a crescut și el. În trecut, a fost în jur de 200 de yuani/tonă pentru o lungă perioadă de timp. După izbucnirea epidemiei din primul trimestru, în urmă cu 20 de ani, a scăzut de la un nivel ridicat și, în prezent, își menține o funcționare stabilă.
În 2020, cererea totală a țării mele de nisip cuarțos va fi de 90,93 milioane de tone, producția va fi de 87,65 milioane de tone, iar importul net va fi de 3,278 milioane de tone. Conform informațiilor publice, cantitatea de piatră de cuarț în 100 kg de sticlă topită este de aproximativ 72,2 kg. Conform planului actual de extindere, creșterea capacității de sticlă fotovoltaică în 2021/2022 ar putea ajunge la 3,23/24500 t/zi, conform producției anuale. Calculată pe o perioadă de 360 de zile, producția totală va corespunde cererii nou crescute de nisip siliceu cu conținut scăzut de fier de 836/635 milioane de tone/an, adică noua cerere de nisip siliceu cu conținut scăzut de fier adusă de sticla fotovoltaică în 2021/2022 va reprezenta pentru nisipul cuarțos total în 2020 9,2%/7,0% din cerere. Având în vedere că nisipul siliceu cu conținut scăzut de fier reprezintă doar o parte din cererea totală de nisip siliceu, presiunea asupra cererii și ofertei de nisip siliceu cu conținut scăzut de fier, cauzată de investițiile la scară largă în capacitatea de producție a sticlei fotovoltaice, poate fi mult mai mare decât presiunea asupra industriei generale a nisipului cuarțos.
—Articol din Powder Network
Data publicării: 11 decembrie 2021