окр. кремний

ОКР. УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ
p_fisenko@mail.ru +420 725372109
КОМПОНЕНТ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ. ПЛАЗМЕННОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРЕМНИЯ
1/10

2/10
Технология основана на базовых свойствах кремния – аморфный кремний в атмосфере газообразного фтора (F2) уже при
комнатной температуре превращается в газ тетрафторид кремния (SiF4). Который можно использовать для производства
поликристаллического кремния, весьма экономичным способом – в микроволновом плазменном разряде.
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПРОЦЕССА
ГЛАВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УЗЛЫ
Шаровая мельница – устройство предназначенное для перевода кремния из кристаллической фазы в аморфную. Путем
дробления до фракции 0,03 - 0,05 мм. Для последующей подачи во вращающийся реактор, заполненный газообразным
фтором (F2). Продуктом преобразования кремния является газ газ тетрафторид кремния (SiF4), который поступает в
накопительный ресивер и далее в плазменный реактор кассетного типа.
Плазменный реактор – устройство для ионизации тетрафторида кремния (SiF4) и создания равномерной плазменной струи с
рабочей температурой 1100 - 1200 0
С. Т.е. получение поликристаллического кремния методом восстановления в плазме
микроволнового разряда.
В технологии предусмотрено вместо одной большой реакционной камеры использование группы из
небольших реакторов (400 – 600 кг/мес для одного реактора), объединенных общими системами
газоснабжения, эвакуации и утилизации газов, а также системами общего управления и электропитания. При
этом, в одном реакторе с магнетроном мощностью около 3 - 5 кВт будет выращиваться один поликристалл
кремния. Это позволит более рационально расходовать энергию. Следует иметь в виду, что в связи с
наличием в реакторе фтора и тетрафлорида, такой подход дает преимущества также и с точки зрения техники
безопасности.

3/10
1. Магнетрон
2. Волновой резонатор
3. Центральный электрод
4. Внешний коаксиальный электрод
5. Острие центрального электрода
6. Факел микроволнового разряда
7. Кварцевый реактор защищенный металлической сеткой
8. Наращиваемый поликристалл
9. Подложка (затравка)
10. Нить
11. Механизм подъема
12. Отводная труба
13. Вентиль
Рабочее давление в реакторе – близкое к атмосферному
Рабочая частота микроволнового генератора – 2450 МГц
Разряд реализуется в протоке тетрафторида кремния, при размере факела до 3 дм3
Прогнозируемая скорость осаждения атомарного кремния на подложке (затравке) до 0,8 кг/час
Размер подложки (затравки) один из стандартных – 100 х 100 мм или 300 х 300 мм
Прогнозируемое (ожидаемое) качество продукта по кремнию – 99,9 %

4/10
ЭКОНОМИКА
В рассматриваемой технологии электроэнергии требуется в десятки раз меньше, порядка 20 – 40 кВт/кг, соответственно и
себестоимость полученного поликремния будет, как минимум, на порядок ниже по сравнению с используемыми сегодня
технологиями водородного восстановления.
Расчетная себестоимость 1 кг поликремния, при объемах производства от 10 000 кг в месяц, составит примерно 20 € за кг.
Цена реализации, при сегодняшней конъюнктуре – минимум 100 € за 1 кг. Таким образом, при переработке промышленных
отходов кремния появляется возможность проводить работы с высоким экономическим эффектом.
Учитывая, что внедрение такой технологии не требует большого объема строительных работ, ввиду компактности и
отсутствия фундаментов для большей части оборудования. Предполагаемые инвестиционные затраты не превысят 700 –
800 000 €.
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ
- снижение энергоемкости процесса восстановления (более, чем на порядок);
- повышение чистоты получаемого кремния – из-за возможности проведения реакции в объеме камеры, без контакта с ее
стенками, при низкой газовой температуре;
- высокая скорость протекания реакции, т.е. высокая производительность;
- низкая газовая температура проведения процесса и осуществление реакции в объеме, без контакта со стенками камеры,
позволят существенно расширить круг используемых при изготовлении реактора конструкционных материалов и применять
неохлаждаемые водой ректоры из, например, кварца или даже частично из фторопласта;
-разработанное оборудование можно будет в дальнейшем использовать в производстве других материалов, получаемых из
газовой фазы, получения мелкодисперсного порошка и пленок SiC.
НЕОБХОДИМЫЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Для определения точного материального и энергетического балансов данной технологии, а также точного состава
оборудования и конструкционных материалов для изготовления этой технологии. Для разработки производственного
регламента и технического задания производителям оборудования – необходимо провести детальную научно –
конструкторскую проработку с изготовлением опытного оборудования. Также это относится и к пред – патентной проработке и
патентному поиску.

5/10
ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ КАЛЬКУЛЯЦИЯ ДЛЯ ОПЫТНОЙ СТАДИИ ПРОЕКТА
No ПОЗИЦИЯ ЦЕНА, €
ЗАТРАТЫ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ
1 ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕАКТОРА – МИКСЕРА С ШЛЮЗОВЫМИ КАМЕРАМИ И ОТВОДОМ ШЛАКА 18 000
2 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО РЕАКТОРА, ВОЛНОВОДОВ, СВЧ ГЕНЕРАТОРА 42 000
3 ИЗГОТОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ, КОНДЕНСАЦИИ, ФИЛЬТРА ГРАНУЛЯТОРА 28 000
4 ИЗГОТОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ УСТАНОВКИ И ЭВАКУАЦИИ ПОДЛОЖКИ 6 000
5 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ФИЛЬТРА, ВОЛНОВОДОВ, СВЧ ГЕНЕРАТОРА 32 000
6 ИЗГОТОВЛЕНИЕ СИСТЕМЫ МЕСТНОЙ АСПИРАЦИИ, ГАЗОСБОРНИКА, ГАЗОАНАЛИЗАТОРА 14 000
7 СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, КИП и А, СИГНАЛИЗАЦИЯ, БЛОКИРОВКИ, 5 000
8 ТРУБОПРОВОДЫ, КАБЕЛИ, ВЕНТИЛИ, МОНТАЖНЫЕ И СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ 7 000
СУММА ЗАТРАТ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ 152 000
ЗАТРАТЫ НА РАЗРАБОТКУ ТЕХДОКУМЕНТАЦИИ И ТЕХЗАДАНИЙ
1 ПОДГОТОВКА ГРАФИЧЕСКОГО И РАСЧЕТНОГО МАТЕРИАЛА, ТЕХЗАДАНИЙ 7 000
СУММА ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ ТЕХДОУМЕНТАЦИИ И ТЕХЗАДАНИЙ 7 000
ЗАТРАТЫ НА ВЫПОЛНЕНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ТЕСТОВ И ОБРАБОТКУ РЕЗУЛЬТАТОВ
1 ВЫПОЛНЕНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ТЕСТОВ, АНАЛИЗЫ В ЛАБОРАТОРИИ 4 000
2 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И РАСЧЕТЫ 3 000
СУММА ЗАТРАТ НА ПРОВЕДЕНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ТЕСТОВ И ОБРАБОТКУ РЕЗУЛЬТАТОВ 7 000
ЗАТРАТЫ НА ПРЕДПАТЕНТНУЮ ПРОРАБОТКУ
1 ПРОЕКТЫ И ВАРИАНТЫ ТЕКСТА ПАТЕНТА, АНАЛИЗ ГИПОТЕЗ, КОНСУЛЬТАЦИИ 10 000
2 ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК 2 круга. 4 000
СУММА ЗАТРАТ НА ПРЕДПАТЕНТНУЮ ПРОРАБОТКУ 14 000
КАЛЬКУЛЯЦИЯ ОБЩАЯ ДЛЯ I ЭТАПА 180 000

6/10
ДОПОЛНИТЕЛЬНО. ПОЛУЧЕНИЕ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ИЗ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ ПУТЕМ ГАЗИФИКАЦИИ МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМОЙ ВОЗДУХА
Диоксид кремния (SiO2), называемый еще «белой сажей», является весьма ценным сырьем для производства стекла, смазочных мастик,
полупроводников и пр. Одним из источников получения диоксида кремния может являться рисовая шелуха (отходы рисового
производства), которая содержит кроме органической углеродсодержащей составляющей еще и искомый SiO2, в количестве до 22 %
массы. Наличие диоксида кремния резко снижает возможности использования отходов рисового производства – высокий уровень износа
инструмента при изготовлении топливных брикетов, низкая теплотворная способность, сложность при использовании в качестве пищевых
добавок в кормах и пр. С другой стороны, рисовая шелуха содержит диоксид кремния в аморфной форме, в отличие от промышленно
добываемого диоксида кремния, который находится в кристаллической форме. Что позволяет получать из рисовой шелухи диоксид
кремния высокой степени чистоты, пригодный к прямому использованию для производства кремния, так называемого «солнечного
качества».
Опыты проводились на собственной установке, разработанной и собранной для микроволновой плазменной газификации угольной пыли,
где вместо углей, использовалась рисовая шелуха.
.

7/10
Газификация органической (углеродсодержащей) части рисовой шелухи проводилось потоковым способом, путем вдувания аэрозоли
смеси рисовой шелухи и воздуха непосредственно в плазменный факел длиной около 90-110 см, при средних рабочих температурах 1100
– 1300 0
С, не допуская повышения температуры до точки начала плавления кремния (1410 0
С).
* в течении часа просыпалось около 100 кг рисовой шелухи, после этого происходил отбор твердого остатка из шлакоприемника и
из циклона, в соотношении 80/20
Анализ первого отбора твердого остатка показал наличие «белой сажи» в количестве до
20% массы, остальную часть составлял не прореагировавший зольный остаток рисовой
шелухи.
На втором этапе эксперимента вместо рисовой шелухи просыпался твердо - зольный
остаток и анализ второго отбора твердого остатка показал наличие «белой сажи» в
количестве около 80% массы, остальную часть составлял не прореагировавший
зольный остаток рисовой шелухи.
На третьем этапе эксперимента вместо рисовой шелухи просыпался твердо - зольный
остаток и анализ второго отбора твердого остатка показал наличие «белой сажи» в
количестве около 99 % массы. Выглядело это приблизительно вот так – чистый SiO2.
ПАРАМЕТР РАЗМЕРНОСТЬ ЗНАЧЕНИЕ
РАСХОД ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕГО ПЕРВИЧНОГО ВОЗДУХА Г/СЕК 20 - 25
СОСТАВ АЭРОЗОЛЬНОЙ СМЕСИ РИСОВАЯ ШЕЛУХА/ВОЗДУХ Г/СЕК / Г/СЕК 30 / 20
СРЕДНЯЯ РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА В ЗОНЕ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА
0
С 1200
РАБОЧАЯ МОЩНОСТЬ СВЧ - ГЕНЕРАТОРА КВТ 15
ВЫХОД СИНТЕЗ – ГАЗА (СО + Н2), РАСЧЕТНЫЙ ЗА МИНУСОМ ВОЗДУХА М3
60
ВЫХОД ДИОКСИДА КРЕМНИЯ – БЕЛАЯ САЖА * КГ 20

8/10
Резюме. Проведенный эксперимент доказал возможность промышленного применения
способа газификации рисовой шелухи в плазме воздуха с получением топливного газа (СО
+ Н2) теплотворной способностью 10-11 МДж/м3
, в количестве до 60 м3
и около 20 кг чистой
«белой сажи» при газификации 100 кг рисовой шелухи за час. Вместе с тем стало ясно, что
потоковый способ переработки не является оптимальным, ввиду высокой скорости потока
аэрозольной смеси – не успевает пройти конверсия органической части рисовых отходов.
Представляется, что для промышленного получения диоксида кремния из рисовой шелухи,
наиболее подходящим будет применение реактора барабанного типа с пониженным
расходом плазмообразующего воздуха. Для конечного определения оптимальных
технических решений, необходимо провести ОКР.
Во второй стадии эксперимента была увеличена мощность СВЧ – генератора до максимальных 30 кВт и соответственно средняя рабочая
температура до 1800 - 2200 0
С. Также, вся установка была наклонена на 10-15 0
для облегчения продвижения исследуемого материала
вдоль канала газификатора.
В качестве исследуемого материала использовалась смесь диоксида кремния и угольной пыли (как сорбент для кислорода). В качестве
плазмообразующего газа использовался высокопотенциальный пар. В качестве подложки использовался образец поликристаллического
кремния 10х10х140 мм.
Задача эксперимента состояла в определении возможности выделения свободного кремния и осаждения его на затравке (подложке)
поликристаллического кремния, установленной в дымоходе установки в специальной кассете.
ПАРАМЕТР РАЗМЕРНОСТЬ ЗНАЧЕНИЕ
РАСХОД ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕГО ПЕРВИЧНОГО ПАРА Г/СЕК 60
СОСТАВ ИСССЛЕДУЕМОЙ СМЕСИ ДИКСИД КРЕМНИЯ/УГОЛЬНАЯ ПЫЛЬ КГ / КГ 20 / 2
СРЕДНЯЯ РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА В ЗОНЕ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА
0
С 2000
РАБОЧАЯ МОЩНОСТЬ СВЧ - ГЕНЕРАТОРА КВТ 30
ВЫХОД СИНТЕЗ – ГАЗА (СО + Н2), РАСЧЕТНЫЙ ЗА МИНУСОМ КИСЛОРОДА М3
2
ВЫХОД ДИОКСИДА КРЕМНИЯ – БЕЛАЯ САЖА * КГ 19-20

9/10
* исходя из того, что около 50 % диоксида кремния было отобрано из циклона на выходе дымохода, предполагаем, что под воздействием
высоких температур произошло выделение атомарного кремния в потоке плазмы, который при понижении температуры (в дымоходе,
циклоне) снова рекомбинировал с кислородом до стадии диоксида кремния.
Исследуемая смесь просыпалась медленно, небольшими порциями в течении 30 минут. Анализ результатов эксперимента показал
наличие наростов на поверхности затравки (подложки) в виде отдельных «шипов» и «холмов», высотой около 1,5 – 2 мм, неравномерно
распределенных по поверхности затравки (ближе к краям). Причем на гранях «шипов» явно наблюдался металлический блеск,
характерный для кристаллизировавшегося кремния.
Резюме. Проведенный эксперимент доказал возможность промышленного применения способа осаждения (кристаллизации) кремния на
поверхности затравки (подложки) с помощью плазмы пара, воздействующей на диоксид кремния. Вместе с тем, учитывая большое
количество не прореагировавшего исследуемого материала и как следствие, небольшую массу полученного кремния, считаем, что
месторасположение затравки (подложки), с точки зрения температурных режимов выбрано неверно. Предполагаем, что для
промышленного получения чистого кремния, кассета с затравкой (подложкой) должна располагаться непосредственно в факеле плазмы, а
не в дымоходе – что исключит преждевременное охлаждение газового потока. Также предполагаем, что применение плазмы пара для
этих целей является целесообразным, так как присутствующий водород производит частичное восстановление атомарного кремния * в
газ силан (SiH4), способствующий интенсификации процесса кристаллизации на поверхности затравки (подложки). Представляется, что
для промышленного получения чистого кремния, наиболее подходящим будет применение мини - реакторов вертикального типа (разовая
загрузка до 10 кг), что позволит использовать рабочие температуры до 1200 0
С и повысить динамику производственного процесса.
* не исключаем, что применение плазмы водорода может дать больший эффект
Дополнительно. В качестве отдельного эксперимента, было проведено исследование воздействия на диоксид кремния плазмы
нейтрального газа аргона. Для этой цели смесь диоксида кремния и угольной пыли – небольшими порциями просыпалась через
плазменный факел в течении 30 мин. С точки зрения получения чистого кремния, позитивных результатов получено не было.
Но, тем не менее был получен совершенно не предполагаемый, побочный результат. По окончании эксперимента, в шлакоприемнике
были обнаружены несколько конденсированных комков вещества 1,5 х 2 см, по внешнему виду напоминающие карбид кремния.
Дальнейшие исследования подтвердили, что полученное вещество действительно является карбидом кремния (SiC) и обладает всеми
присущими этому веществу качествами. В том числе, осколки полученные путем дробления вещества (раздробить оказалось весьма не
просто) – легко резали стекло.

10/10
Предполагаем, что условия эксперимента оказались подходящими для протекания
классической реакции SiO2 + 3C = SiC + 2CO и часть исходного исследуемого материала
прореагировала с образованием карбида кремния.
Считаем, что полученный результат, является весьма позитивным с точки зрения расширения
возможностей для применения микроволновой плазмы в промышленном производстве – для
получения абразивных, режущих, сверхтвердых материалов и синтетических драгоценных
камней. Кроме того, карбид кремния является аномальным полупроводником и применятся в
электронной промышленности.
Все проведенные эксперименты подтвердили возможность применения микроволновой плазмы для переработки рисовой шелухи с
получением полезных продуктов – диоксид кремния, чистый осажденный кремний, карбид кремния. Для уточнения температурных,
технических, массовых показателей, а также для выбора оптимального технологического оборудования – необходимо проведение
серьезных, широкомасштабных научно – исследовательских и экспериментальных работ, как с конденсированными, так и газообразными
кремний содержащими материалами.

окр. кремний

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to окр. кремний

Similar to окр. кремний (20)

More from Petr Fisenko

More from Petr Fisenko (8)

окр. кремний