Как поставщик металлического кремния, я провожу много времени, разговаривая с производителями, переработчиками и отраслевыми экспертами о том, как сократить круговорот материалов, которые имеют решающее значение для современных технологий и промышленных процессов. Металлический кремний, который в различных областях применения часто называют металлическим кремнием или металлическим кремниевым порошком, играет незаменимую роль во всем: от солнечных панелей и полупроводников до алюминиевых сплавов и тугоплавких материалов. В течение многих лет стремление к практике экономики замкнутого цикла заставляло многих в нашей сфере задаваться вопросом: почему переработка металлического кремния не так широко распространена и масштабируема, как мы надеялись? Хотя я разделяю эту цель, моя повседневная работа показывает, что переработка металлического кремния сталкивается со значительными, недостаточно обсуждаемыми ограничениями, которые выходят далеко за рамки простых «проблем со сбором». Давайте разберемся, что это за ограничения и почему даже самым преданным операциям сложно восстановить и повторно использовать этот ценный материал.
Во-первых, давайте обосновам это тем, чем на самом деле является металлический кремний, потому что его состав является одновременно его самой сильной стороной и самым большим препятствием для переработки. Когда вы закупаете такие продукты, как металлический кремний 441 — один из наиболее распространенных сортов для производства алюминиевых сплавов, или металлический кусковой кремний для промышленного применения в строительных целях, вы работаете с материалом, который на 98,5–99,5 % состоит из чистого кремния со следами примесей, таких как железо, алюминий, кальций и титан. Именно эта чистота делает его таким полезным: даже небольшое количество загрязнений может ухудшить его характеристики в таких областях, как рафинирование алюминия, где металлический кремний повышает прочность, коррозионную стойкость и литейные качества. Но вот в чем загвоздка: большая часть металлического кремния попадает в поток отходов как часть готового продукта, и отделить его от этих продуктов, не повредив его чистоте, чрезвычайно сложно.
Возьмем, к примеру, огнеупорные материалы. Металлический кремний для огнеупорных материалов используется для изготовления высокожаростойкой футеровки печей, обжиговых печей и сталелитейных заводов. Когда срок службы футеровки подходит к концу, ее смешивают с другими огнеупорными компонентами, такими как оксид алюминия, оксид магния и углерод. Металлический кремний рассеян по всей матрице, а не сконцентрирован в одной, легко извлекаемой форме. Командам по переработке придется измельчить использованный огнеупор, растворить некремниевые компоненты и очистить оставшийся кремний — процесс энергоемкий и часто создает больше отходов, чем восстанавливается. Я видел это своими глазами на примере мелких переработчиков на Среднем Западе, которые проверяют возможности переработки тугоплавкого металлического кремния только для того, чтобы натолкнуться на стену: стоимость очистки намного превышает стоимость восстановленного металла.
Еще одним серьезным ограничением является неоднородность металлического кремния в бытовых отходах. В отличие от алюминия и стали, которые часто производятся в однородных, легко идентифицируемых формах, которые легко сортировать, металлический кремний может использоваться в сотнях различных продуктов, каждый из которых модифицирован для своего конкретного случая использования. Несколько лет назад мы работали с производителем солнечных панелей, который привез на переработку 50 тонн обрезков кремниевых пластин и сломанных модулей. На первый взгляд это выглядело как чистый, концентрированный источник металлического кремния — ведь пластины представляют собой почти чистый кремний. Но когда наш партнер по переработке начал перерабатывать материал, они обнаружили небольшое количество серебра на передних контактах, меди на задних листах и даже пластика на каркасе модуля. Чтобы довести кремний до качества, пригодного для использования в новых пластинах, необходимо удалить все следы этих загрязнений, что требует прецизионной химической обработки, которую невозможно масштабировать для больших объемов.
Эта неоднородность также проявляется в других формах металлического кремния. Металлический кремниевый порошок, который используется при производстве силикона и анодов аккумуляторов, часто смешивается с другими порошками во время производства, что еще больше затрудняет сортировку. И хотя кусковый металлический кремний может показаться простой и громоздкой формой, которую легко собрать, многие промышленные пользователи используют его в небольших количествах за раз, образуя лом, загрязненный маслом, смазкой или металлической стружкой из технологического оборудования. К тому времени, когда этот лом попадает на переработку, его качество уже не позволяет его практически повторно использовать для полноценного применения, поэтому он пригоден только для менее дорогостоящих применений, таких как добавки к стали – крошечная часть общего рынка металлического кремния.
Затраты на электроэнергию — еще одно огромное, но часто упускаемое из виду ограничение. Производство первичного металлического кремния требует чрезвычайно энергоемкого процесса: нагревания кварцевого песка до температуры более 1900 градусов по Цельсию в электродуговой печи, что требует около 13 кВтч электроэнергии на килограмм кремния. Это правда, что переработка тоже требует энергии, но этап очистки переработанного металлического кремния может быть еще более энергозатратным, особенно когда вы имеете дело с низкосортным ломом или смешанными материалами. В отчете Международного энергетического агентства (МЭА) за 2022 год было обнаружено, что в среднем операция по переработке металлического кремния использует 15–20 кВтч на килограмм восстановленного кремния, и это число возрастает до 25 кВтч, если вы пытаетесь достичь той же чистоты, что и чистый металл для полупроводников или солнечной энергии. Для сравнения: глобальные цены на энергоносители для промышленных потребителей в течение последнего десятилетия были нестабильными, и многие переработчики не могут покрыть эти затраты без повышения цен, что делает переработанный металлический кремний менее конкурентоспособным по сравнению с первичным материалом. Есть причина, по которой большинство переработчиков перерабатывают только очень чистый лом, например заводские отходы, и оставляют на столе отходы более низкого качества.
Загрязнение продуктами с истекшим сроком годности добавляет еще один слой к этой энергетической проблеме. Много металлического кремния используется в продуктах, которые трудно разобрать в больших масштабах. Например, когда мы говорим о металлическом кремнии, используемом в аккумуляторах электромобилей (EV), он смешан с графитом, связующими веществами и медной фольгой. Когда срок службы аккумулятора электромобиля подходит к концу, стандартный процесс переработки литий-ионных аккумуляторов измельчает все вместе, образуя суспензию смешанных металлов. Отделение кремния от суспензии требует нескольких этапов: выщелачивание кислотами, фильтрация и плавка — каждый из которых требует дополнительных затрат и энергии и может привести к появлению большего количества примесей. Даже при использовании передовых технологий сортировки, таких как оптические сканеры на базе искусственного интеллекта, трудно выделить крошечные частицы кремния из смеси других материалов, из которых изготовлены батареи. Я разговаривал с несколькими производителями электромобилей, которые опробовали пилотные программы по восстановлению кремния, но пока ни одна из них не вышла на коммерческий уровень, поскольку этот процесс нерентабелен при текущих ценах на сырье.
Также отсутствует стандартизация в инфраструктуре переработки. Большая часть металлического кремниевого лома производится на заводском уровне: на алюминиевых заводах, которые используют металлический кремний для очистки своих слитков, на солнечных заводах, которые разрезают пластины, на химических заводах, производящих силикон. Но у нас очень мало сетевой инфраструктуры для сбора этого мусора, его сортировки по сортам и эффективной обработки. Во многих регионах есть лишь несколько переработчиков, которые могут перерабатывать металлический кремний, и они часто расположены далеко от предприятий, производящих лом. Это увеличивает транспортные расходы, которые съедают и без того небольшую прибыль от переработки. Когда мы работаем с нашими клиентами над управлением их ломом, нам часто приходится связывать их со специализированными переработчиками, но даже в этом случае мы видим задержки, смешанные партии и материал, который отбраковывается, потому что он не соответствует спецификациям переработчика.
Еще одним недостаточно обсуждаемым ограничением являются требования к чистоте для новых приложений. Металлический кремний не является универсальным материалом, и для разных целей требуются разные степени чистоты. Например, Silicon Metal 441 является рабочей лошадкой алюминиевой промышленности, для которой требуется 98,5% кремния с определенными ограничениями на содержание железа, алюминия и кальция. Но если вы хотите использовать металлический кремний в полупроводниках или солнечных пластинах, вам нужна чистота 99,9999% (шесть девяток), и даже небольшое количество примесей может испортить характеристики материала. Когда вы перерабатываете металлический кремний, вы почти всегда получаете материал более низкого качества, чем оригинал, если только вы не инвестируете в очень дорогую технологию очистки. Это означает, что переработанный кремний можно использовать только для небольшого подмножества применений, в основном для низкосортных целей, таких как производство стали или литье алюминиевых деталей. Спрос на переработанный металлический кремний высокой чистоты очень мал, что создает рыночный барьер: у переработчиков нет стимула инвестировать в дорогостоящее оборудование для очистки, потому что они не могут продавать высококачественный продукт по цене, покрывающей затраты.
Я хочу внести ясность: эти ограничения не означают, что переработку металлического кремния не стоит проводить. Как поставщик, мы глубоко инвестируем в устойчивое развитие и постоянно сотрудничаем с переработчиками, тестируя новые технологии — от передовых алгоритмов сортировки до гидрометаллургических процессов очистки, которые потребляют меньше энергии. Мы видели многообещающие пилотные программы, особенно для заводского лома, который уже является относительно чистым, например, отходов производства металлического кремния для огнеупорных материалов или металлического кремниевого порошка. Но чтобы масштабировать эти усилия, нам необходимо устранить коренные ограничения, которые сдерживают развитие отрасли.
Если вы являетесь производителем, который производит металлический лом кремния, будь то кусковые обрезки металлического кремния, отходы металлического кремниевого порошка или загрязненный металлический кремниевый лом в результате производства, партнерство с таким надежным поставщиком, как мы, может помочь вам справиться с этими проблемами. Мы сотрудничаем с сетью проверенных переработчиков лома всех сортов и можем помочь вам отсортировать, классифицировать и подготовить ваш материал, чтобы максимизировать его ценность. Если вы хотите включить больше переработанного металлического кремния в свои производственные процессы, мы также можем помочь вам выбрать подходящие марки, отвечающие вашим потребностям в производительности, одновременно поддерживая устойчивые методы, сокращающие количество отходов.
Для тех, кто хочет узнать больше о продукции из металлического кремния, которую мы поставляем, включая марки для различного промышленного использования, вы можете найти подробную информацию на нашей странице «Металлический кремний 441», перечне кускового металлического кремния или на нашей странице, посвященной металлическому кремнию для огнеупорных материалов, металлическому кремниевому порошку и металлическому кремнию.
Ссылки:
Международное энергетическое агентство. (2022). Будущее производства и переработки металлического кремния: глобальный анализ. Публикации МЭА, Париж.
Циклическая экономика для критического сырья. (2021). Металлический кремний: барьеры и возможности для переработки по окончании срока службы. Европейская комиссия, Брюссель.
Министерство энергетики США. (2023). Передовые технологии переработки материалов на основе кремния: дорожная карта исследований и разработок. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, Вашингтон, округ Колумбия
