太陽能電池片生產(chǎn)過程大氣污染排放分析

1、太陽能電池片生產(chǎn)過程大氣污染排放分析 摘 要：分析太陽能多晶硅電池片生產(chǎn)過程各類大氣污染物的來源、成分、初始排放濃度等污染特征，按照技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理、達(dá)標(biāo)排放等大氣污染物控制原則，對產(chǎn)生的酸性廢氣、堿性廢氣、有機(jī)廢氣設(shè)計(jì)了相應(yīng)的酸性廢氣凈化系統(tǒng)、堿性廢氣凈化系統(tǒng)、活性炭吸附系統(tǒng)等廢氣處理措施，凈化后的外排廢氣滿足國家相關(guān)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。 關(guān)鍵詞：多晶硅電池片；大氣污染；酸性廢氣；有機(jī)廢氣 doi：10.16640/ki.37-1222/t.2016.10.037 1 引言 太陽能作具有清潔、安全、資源豐富等優(yōu)勢，有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，2030年全球光伏裝機(jī)目標(biāo)1000 gw，中國2050年光

2、伏裝機(jī)目標(biāo)100gw，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。作為光伏產(chǎn)業(yè)重要組成部分的太陽能電池片生產(chǎn)近年發(fā)展迅速，其中多晶硅電池片發(fā)展成熟，產(chǎn)量約占全部光伏電池的80%以上，在全國多地均有布局。多晶硅電池片通常以上游合格多晶硅切片為原料，經(jīng)制絨、刻蝕、印刷燒結(jié)等工序處理后供應(yīng)給下游光伏電池組件企業(yè)制成光伏電池成品。多晶硅電池片生產(chǎn)過程產(chǎn)生氟化物、氮氧化物、鹽酸霧、cl2、硫酸霧、nh3、非甲烷總烴等多種大氣污染物，如控制不當(dāng)可能對當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境和周圍人群健康產(chǎn)生不利影響。 2 生產(chǎn)工藝簡述及大氣污染物排放特征 2.1 生產(chǎn)工藝簡述 太陽能電池片生產(chǎn)工藝通常包括硅片清洗、制絨、堿洗、酸洗、磷擴(kuò)散、邊緣刻蝕

3、、等離子化學(xué)氣相沉積（pecvd）、絲網(wǎng)印刷干燒結(jié)、檢測包裝等工序，簡述如下： （1）超聲波清洗。去除硅片上的污物，把硅片放入超聲波清洗器中清洗，如進(jìn)廠前已經(jīng)清洗過，可直接進(jìn)入制絨工序。 （2）制絨。太陽能電池片采用硝酸、氫氟酸、異丙醇等制絨，與硅片反應(yīng)生成h2sif6和nox。反應(yīng)方程式：si +2hno3 +6hfh2sif6 + no2+ 3h2o + no+ h2。此工序產(chǎn)生含hf、nox、h2、非甲烷總烴的廢氣。 （3）制絨后清洗：多晶硅太陽能電池制絨后采用純水噴淋清洗。 （4）堿洗：多晶硅太陽能電池制絨清洗后，再采用koh進(jìn)行堿洗。 （5）堿洗后清洗：堿洗后采用純水進(jìn)行噴淋清洗。

4、（6）擴(kuò)散前酸洗：堿洗后采用10%20%的hcl進(jìn)行酸洗，此工序產(chǎn)生含hcl廢氣。 （7）酸洗后水洗：酸洗后多晶硅太陽能電池采用純水噴淋方式進(jìn)行清洗。 （8）擴(kuò)散前酸洗：hcl清洗后采用10-20%的hf進(jìn)行酸洗，此工序產(chǎn)生hf廢氣。 （9）酸洗后水洗：酸洗后多晶硅太陽能電池采用純水噴淋方式進(jìn)行清洗。 （10）磷擴(kuò)散：磷擴(kuò)散是在硅片表層摻入純雜質(zhì)原子的過程，工藝采用液態(tài)擴(kuò)散源。過程反應(yīng)為：c2h3cl3 + 2o2 3hcl+ 2co2。該工序?qū)a(chǎn)生含hcl、cl2的酸性廢氣。 （11）邊緣刻蝕：利用hno3、hf和硫酸的混合溶液對硅片邊緣進(jìn)行腐蝕，去除硅片邊緣的pn結(jié)，具體的反應(yīng)式為：si

5、+ hno3 + hf h2sif6 + no2+ h2o + no+ h2。 此工序產(chǎn)生含hf、nox、硫酸霧的酸性廢氣。 （12）刻蝕后清洗：刻蝕后采用純水進(jìn)行清洗。 （13）堿洗：刻蝕后采用naoh進(jìn)行清洗，以去除表面的h2sif6。 （14）清洗：堿洗后采用純水進(jìn)行清洗。 （15）去psg：該工序是對刻蝕后硅片上的污物及在擴(kuò)散中產(chǎn)生的sio2用hf和hcl清洗的方法進(jìn)行清除。該工序產(chǎn)生含氫氟酸和hcl的廢氣。 （16）清洗：去psg后采用純水進(jìn)行清洗和吹干。 （17）等離子化學(xué)氣相沉積（pecvd） pecvd被用來在硅片上沉積氮化硅材料，將硅片裝在石墨舟上，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮化硅。典

6、型化學(xué)反應(yīng)為：3sih4+4nh3si3n4+12h2。該工序產(chǎn)生含cf4、sif4、sih4、nh3及h2的堿性廢氣。 （18）絲網(wǎng)印刷干燒結(jié)。通過絲網(wǎng)印刷機(jī)將銀漿、鋁漿及松油醇調(diào)配成導(dǎo)電材料印刷在硅片上，作為太陽電池導(dǎo)電的主要通道；烘干后再經(jīng)過高溫（電加熱）燒結(jié)成合金。該工序產(chǎn)生有機(jī)廢氣。 （19）分類檢測。成品入庫前使用檢測系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行檢測，將產(chǎn)品分等級包裝入庫待售。 2.2 大氣污染物來源及排放特征 （1）電池片生產(chǎn)線酸性廢氣。電池片生產(chǎn)線酸性廢氣為含hf（以氟化物計(jì)）、氮氧化物、hcl、cl2、硫酸霧的混合酸性廢氣，主要包括制絨工序產(chǎn)生的含hf、氮氧化物廢氣、擴(kuò)散前酸洗過程產(chǎn)生的含

7、hcl廢氣、磷擴(kuò)散過程產(chǎn)生的含cl2廢氣、去psg過程產(chǎn)生的含hf、硫酸霧廢氣，廢氣初始濃度hf（以氟化物計(jì)）、氮氧化物、hcl、cl2、硫酸霧分別為2.1mg/m3、72mg/m3、0.25mg/m3、14.7mg/m3、6mg/m3。 （2）電池片生產(chǎn)線堿性廢氣。電池片生產(chǎn)線硅片pecvd過程產(chǎn)生含nh3、cf4、sif4的混合廢氣，設(shè)計(jì)采用經(jīng)pecvd設(shè)備附帶的廢氣燃燒器焚燒，燃料為天然氣， 燃燒后的廢氣主要含 煙塵、nh3、so2、氮氧化物、氟化物，燃燒廢氣初始濃度煙塵、nh3、氮氧化物、so2、氟化物分別為300mg/m3、7mg/m3、10mg/m3、12mg/m3、1.55mg/

8、m3。 （3）電池片生產(chǎn)線有機(jī)廢氣。電池片生產(chǎn)有機(jī)廢氣為污染物為非甲烷總烴，主要包括絲網(wǎng)印刷、烘干燒結(jié)、單晶制絨過程中加松油醇、異丙醇而產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，廢氣初始濃度非甲烷總烴為60mg/m3。 3 大氣污染控制措施 （1）電池片生產(chǎn)線酸性廢氣凈化。電池片生產(chǎn)線酸性廢氣為含hf（以氟化物計(jì)）、氮氧化物、hcl、cl2、硫酸霧的混合酸性廢氣，主要包括制絨工序產(chǎn)生的含hf、氮氧化物廢氣、擴(kuò)散前酸洗過程產(chǎn)生的含hcl廢氣、磷擴(kuò)散過程產(chǎn)生的含cl2廢氣、去psg過程產(chǎn)生的含hf、硫酸霧廢氣，上述酸性廢氣經(jīng)管道收集后設(shè)計(jì)采用酸霧堿液噴淋洗滌系統(tǒng)進(jìn)行收集處理，hf（以氟化物計(jì)）、氮氧化物、hcl、cl2、硫

9、酸霧設(shè)計(jì)凈化效率分別為80%、50%、90%、49%、85%，凈化后的廢氣通過高排氣筒排放，廢氣排放濃度hf（以氟化物計(jì)）、氮氧化物、hcl、cl2、硫酸霧分別為0.42mg/m3、36mg/m3、0.025mg/m3、7.5mg/m3、0.9mg/m3，滿足大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（gb16297-1996 ）二級標(biāo)準(zhǔn)要求。 電池片生產(chǎn)線酸性廢氣凈化系統(tǒng)處理系統(tǒng)由堿液噴淋洗滌塔、排風(fēng)機(jī)、噴淋裝置、吸收液供給裝置和排氣筒組成，其工藝流程參見圖3-1所示。 （2）電池片生產(chǎn)線堿性廢氣凈化。電池片生產(chǎn)線硅片pecvd過程產(chǎn)生含nh3、cf4、sif4的混合廢氣（g4），設(shè)計(jì)采用經(jīng)pecvd設(shè)備附帶的

10、廢氣燃燒器焚燒，燃料為天然氣， 燃燒后的廢氣主要含煙塵、nh3、so2、氮氧化物、氟化物，燃燒后的廢氣通過堿性廢氣噴淋洗滌系統(tǒng)進(jìn)行收集處理，設(shè)計(jì)噴淋液為稀鹽酸，煙塵、nh3、氮氧化物、so2、氟化物設(shè)計(jì)凈化效率分別為90%、80%、50%、50%、80%，凈化后的廢氣通過高排氣筒排放，廢氣排放濃度煙塵、nh3、氮氧化物、so2、氟化物分別為30mg/m3、1.4mg/m3、5mg/m3、6mg/m3、0.31mg/m3，滿足大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（gb16297-1996 ）二級標(biāo)準(zhǔn)要求及惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（gb14554-93）二級標(biāo)準(zhǔn)要求。 該廢氣凈化系統(tǒng)由pecvd燃燒器、酸液洗滌塔、排

11、風(fēng)機(jī)、噴淋裝置、吸收液供給裝置和排風(fēng)管等組成，其工藝流程參見圖3-2所示。噴淋液為稀鹽酸，與堿性廢氣發(fā)生反應(yīng)生成水和鹽，進(jìn)而除去廢氣中的堿性氣體。 （3）電池片生產(chǎn)線有機(jī)廢氣凈化。電池片生產(chǎn)有機(jī)廢氣為污染物為非甲烷總烴，主要包括制絨、絲網(wǎng)印刷、烘干燒結(jié)過程中加入異丙醇、松油醇而產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，該廢氣經(jīng)管道收集后設(shè)計(jì)采用活性炭有機(jī)廢氣吸附塔進(jìn)行收集處理，廢氣初始濃度非甲烷總烴為60mg/m3，凈化效率80%，凈化后的廢氣通過排氣筒排放，廢氣排放濃度非甲烷總烴為12mg/m3，滿足大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（gb16297-1996 ）二級標(biāo)準(zhǔn)要求。 該有機(jī)廢氣凈化系統(tǒng)由活性碳纖維筒吸附裝置、排風(fēng)管和

12、排風(fēng)機(jī)、排氣筒等組成，處理工藝流程參見下圖3-3所示。 4 結(jié)語 太陽能晶硅電池片生產(chǎn)工序多、工藝復(fù)雜且涉及硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、異丙醇、松油醇等多種化學(xué)品，生產(chǎn)過程產(chǎn)生氟化物、氮氧化物、hcl、cl2、硫酸霧、nh3、非甲烷總烴等多種大氣污染物，通過分析各類大氣污染物的來源、成分、初始濃度等污染特征，按照技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理、達(dá)標(biāo)排放等大氣污染物控制原則，對生產(chǎn)中產(chǎn)生的各類廢氣設(shè)計(jì)了相應(yīng)的處理措施，凈化后的外排廢氣可滿足國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。 參考文獻(xiàn)： 1盧蘭蘭等.光伏太陽能電池生產(chǎn)過程中的污染問題j.中國科學(xué)， 2013（06）：687-703. 2瞿露，汪誠文等.我國太陽能電池板生產(chǎn)中的環(huán)境污染問