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太阳能玻璃生产线原料车间设计

2013年2月19日

    太阳能玻璃生产中要严格控制玻璃成分中着色氧化物的含量，以提高玻璃的透光率。为此，要从三方面着手，首先要选择优质的原料；其次在原料的储存、运输加工、称量、混合过程中要尽量减少铁等金属氧化物的混入，防止原料被污染；第三对生产过程中混入的铁等要采取措施尽量除去。

    1 前言

    在全球能源危机日渐突出的今天，太阳能作为一种取之不尽无污染的真正绿色能源，被认为是21世纪新型能源的重要来源，正被越来越多的国家所重视。与太阳能开发和利用有关的技术和产品发展迅猛，太阳能光热发电、光伏发电、太阳能建材化、太阳能建筑一体化、产品化的技术不断发展进步，相关产品不断被开发和完善，市场前景广阔。

    太阳能玻璃基片，也称低铁玻璃或超白玻璃，作为一种太阳能产业的基础产品，要求其能最大限度地让太阳光和热透射，以提高硅晶片的光电转换率。其作为一种高附加值的产品，这几年国内发展较快，有新设计建线的，有在原普通平板玻璃生产线基础上改造的。改造的首要和绝大部分工作是在原料车间进行的，改造的目的就是要严格控制和减少原料中的铁等使玻璃着色金属氧化物的含量，使玻璃中Fe2O3控制在0.015%以下，最终提高玻璃的透光率和透热率，均达到90%以上。

    2 原料的选择与质量控制

    太阳能玻璃的化学组成与普通平板玻璃没有太大的区别，属于钠钙硅玻璃。但对引入各种氧化物的原料选择更严格，尤其是硅质原料。

    SiO2是形成玻璃骨架的主体，引入的SiO2硅质原料是玻璃生产中最主要和用量最大的原料，也是太阳能玻璃生产中首先要解决和控制的。要求其化学成分中SiO2>99%、Fe2O3≤0.01%、TiO2≤0.02%。其来源主要有两种。一种是优质的石英岩，其本身的品位就满足低铁玻璃生产的要求，在加工过程中要尽量减少铁的混入，磨矿不能采用常用的棒磨，可以采用传统的石碾，这种矿的储量不大，并且分布的矿点很少，国内只有安徽风阳等少数几个地区有。另外一种是对普通平板玻璃用优质硅砂进行浮选等选矿处理，使其满足要求，这种砂的成本相对较高，是前述天然优质石英岩的2倍以上，其生产过程中排放的尾矿和废水对环境的破坏较大。

    石灰石是除硅砂外另一种主要矿物原料，其化学成分中Fe2O3也要控制在0.01%以下。

    普通玻璃制品通常由长石引入Al2O3，但天然的长石矿一般较小，伴生矿物多，不可避免要混进有害杂质，最主要的是氧化铁，对玻璃的熔化质量和透光率都要造成不利的影响。因此在太阳能玻璃生产中用氢氧化铝代替长石引入Al2O3。氢氧化铝是一种化工产品，其特性见表1。
    氧化铁有多种存在形式，FeO、Fe2O3、Fe3O4，它们都会使玻璃着色，降低玻璃的透光度。玻璃中通常以FeO和Fe2O3存在，而FeO的着色能力比Fe2O3强10倍，因此在玻璃配合料中加入适量的氧化剂，使其在熔化过程中将FeO氧化成Fe2O3，从而降低铁的着色能力，提高玻璃透光度。

    譬如，可以同时加入适量硝酸钠和三氧化二锑，硝酸钠在较低温度（350℃）分解放出氧，而三氧化二锑在低温阶段吸收氧气形成高价的五氧化二锑，后者在高温下（＞1050℃）放出氧，将FeO氧化成Fe2O3。
    350℃时： 4NaNO 3→ 2Na2O + 4NO + 3O2
    Sb2O3 + O2 → Sb2O5
    ＞1050℃时： 2Sb2O5＋8FeO → 2Sb2O3＋ 4Fe2O3
    五氧化二锑放出的部分氧气还能起到澄清的作用。

    3 生产过程中减少铁的混入

    生产普通平板玻璃时，合格原料在储存、输送、称量、混合过程中由于设备、料仓等的磨损、锈蚀或多或少会混入一些铁或氧化铁。在太阳能玻璃的生产中要采取必要的措施，尽量减少铁的混入。

    上料提升机料斗的磨损和壳体的锈蚀会带入机械铁和氧化铁。为此壳体可用非金属材料或在其内壁安装一层高分子塑料板等，以防止生锈或锈渣落入原料中。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艺衬耐磨橡胶的料斗，取代普通的钢斗，这样还可以解决斗内粘料、挂料的现象。底部的弧形板也要进行防铁处理。
    上料斗、配料储仓和设备之间连接溜管内壁的磨损和锈蚀也是铁污染的重要来源之一，为此在生料的料仓和溜管内壁安装一种超高分子量的耐磨聚乙烯板（简称UHMWPE板），这是一种分子量在200万以上的线性结构聚乙烯材料，由于其分子量极高，具有极强的耐磨损、耐压、耐冲击、耐低温、自润滑、抗结垢等优异性能，比不锈钢、黄铜等还耐磨数倍。其主要特性见表2。

    使用这种板材还可以很好地解决料仓和溜管内的粘料和堵料现象，既经济又实用。

    由于碎玻璃棱角锐利，具有很强的划伤性，在料仓和溜管内壁不能采用上述UHMWPE板。可以采用一种复合耐磨合金板制作，它由二层熔融复合而成，背面基板为普通的钢材，工作面为一层镍、铬、钼合金。其洛氏硬度63～65HRC，耐磨性比较见表3。

    这种材料由法国最先开发，现在国内也有生产。一般以板材出厂，也可以根据使用要求加工成各种异形，如可以用于制造碎玻璃给料机的槽体。

    电子秤是配料的关键设备，在振动料斗内壁和电磁振动给料机槽体内表面涂一层防锈耐磨涂层，防止生锈。由于物料在给料机槽体内是作抛物线运动的，对槽体的磨损本来就少，这样带来的铁污染就很少。在秤量斗内壁内及其它可能接触物料的地方安装前述UHMWPE材料。

    普通的混合机在混合过程中也会带入较大量的铁，主要来自衬板、刮板、铲片等的磨损，因此要对混合机进行改造。内外筒壁衬板、底衬板改用耐磨的UPE板或复合耐磨合金板；在刮板、铲片表面嵌焊耐磨合金或喷涂碳化物；加水、加气装置，采用不锈钢管材并在管材表面喷涂耐磨涂层，喷嘴采用铜材。混合过程中铁含量增加控制在8ppm以下。

    对运送散状原料（如砂和碎玻璃）的车辆，也要进行防铁处理。

    4 除铁

    即使采取了上述措施仍难免会有少量的铁杂质混入，为此要采取除铁措施。由于刚磨损下来的基本上是铁，尚未被氧化，可以采用磁力吸除。
    在入库的溜管上安装管道除铁器，在物料处于半失重状态下，更容易将铁吸除，以碎玻璃为例，吸除前后通过化验分析比较Fe2O3相差达110ppm。在输送皮带机适当位置的上方安装悬挂式除铁器，除去料层上部的铁；小功率皮带机的头轮可采用电磁滚筒，除去料层下部的铁。

    碎玻璃磨损下来的铁基本都在细粉当中，可以增加一套筛分系统，对筛下来的细粉除铁后再投入使用。

    5 结语

    某项目改造前成品玻璃中的Fe2O3与各种原料中的Fe2O3加权值和相比增加了400～500ppm，而改造后只增加了不到40ppm，效果明显。改造后玻璃的透光率和透热率都达到了92％以上，产品附加值大幅提高，大部分出口国外，市场供不应求。

    在防铁方面，除碎玻璃外，应尽量采用类似UHMWPE等高分子材料，虽然复合耐磨合金板的耐磨性、稳定性强，但其含铬、镍、钼等对玻璃有害的元素；另外其成本很高（是普通钢材的7倍以上），且安装及附材费用也很高。

    除要防铁外，与物料接触的部分尽量不用含镍的材料（安装UHMWPE板时用的不锈钢螺栓和压板），以免造成玻璃在后期钢化时和钢化后自爆。

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