CN102442671A

CN102442671A - 一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法

Info

Publication number: CN102442671A
Application number: CN2011103069109A
Authority: CN
Inventors: 马文会; 宁哲; 魏奎先; 周阳; 谢克强; 龙萍; 伍继君; 曲涛; 刘大春; 杨斌; 王�华; 戴永年
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-05-09

Abstract

一种由脱灰冶金焦和生物质炭组成的复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法。脱灰冶金焦是一种由废弃冶金焦经脱灰处理后灰分小于5wt.%，固定碳含量大于85wt.%，挥发分小于3wt.%的脱灰冶金焦。生物质炭是利用高温热解生物质得到的碳质材料，生物质炭的灰分小于4wt.%，固定碳含量大于75wt.%，挥发分小于7wt.%。本发明使用脱灰冶金焦和生物质炭按一定比例制成复合碳质还原剂，以替代木炭用于工业硅生产，该复合还原剂可稳定炉况，降低电耗，不仅降低工业硅生产成本，而且实现废弃资源的综合利用和工业硅行业的清洁生产，减少CO₂的排放。

Description

一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法

技术领域

本发明涉及一种使用非木炭的复合碳质还原剂生产工业硅的方法，具体地说是涉及一种由脱灰冶金焦和生物质炭作为复合还原剂生产工业硅的方法。

技术背景

工业硅是由硅石和碳还原剂在矿热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在97 %以上，其余杂质为铁、铝、钙等。经碳热还原法生产的含硅99%以上的产品。高纯度的工业硅是生产有机硅、太阳能级硅和电子级硅的原料。随着高新技术的进步，硅的使用范围将越来越广泛，需求量也将越来越大。

工业硅生产的主要原料有硅石、碳素电极或石墨电极、碳质还原剂。我国的硅石分布范围很广，很多地区都发现了适合生产工业硅的硅矿石。水洗后的硅矿石SiO₂含量≥99.0%，Fe₂O₃≤0.15%，Al₂O₃≤0.2%，CaO≤0.1%，杂质总和不大于0.5%。由此可以看出，工业硅产品中的杂质主要由生产过程中使用的碳质还原剂带入。为生产出高纯度的工业硅产品，必须对碳质还原剂提出严格的要求。

选择碳质还原剂的原则是：除了固定碳和灰分含量外，还要求具有反应活性好、比电阻高、高温下不易发生石墨化、粒度适宜、一定的机械强度等物理性能。目前，我国生产工业硅通常使用的还原剂主要有木炭、石油焦、蓝炭、低灰分烟煤、沥青焦等。碳质还原剂中真正起还原作用的是固定碳。固定碳含量越高，还原同样数量的硅石所消耗的还原剂就越少，由还原剂带入炉内的杂质也越少。但如果固定碳含量太高，则还原剂的活性会降低，不利于反应进行，例如：固定碳含量很高的无烟煤并不是理想的工业硅生产还原剂。而作为生产工业硅最理想的还原剂木炭因为环境保护和成本等因素的限制，已不能在工业硅生产中大量使用。

冶金焦是一种常见的碳质还原剂，因其具有热强度高、反应性强、高温下不易发生石墨化的优点，广泛用于高炉炼铁和铜、铅、锌、钛、锑、汞等有色金属的鼓风炉冶炼。但由于冶金焦灰分含量相对于木炭高，不符合生产工业硅对碳质还原剂灰分的要求，在工业硅生产中并未得到应用。

随着焦炭脱灰技术的发展，脱灰后的冶金焦各项指标已完全能满足工业硅对还原剂的要求。专利CN101774565A“一种焦炭深度脱灰的方法”，采用高压碱浸和常压酸浸的联合工艺，能将焦炭的灰分降低到5 wt.%以下，固定碳含量提高到85wt.%以上，可以满足工业硅生产对还原剂的要求。在冶金焦的生产和使用过程中会产生大量粒度（小于25mm）不合格的焦丁和焦粉，这部分焦炭通常堆存或作为燃料廉价出售，可以使用粒度不合格的焦丁和焦粉脱灰后作为工业硅生产的还原剂，即实现了焦炭资源的综合利用，也降低了工业硅的生产成本。

生物质炭是利用高温热解生物质得到的碳质材料。生物质的来源包括核桃壳、松子壳、稻壳、玉米芯等，可根据工业硅厂附近的资源就地取材。生物质炭的制备技术已较为成熟，已有多项技术可以生产达到本工艺要求的生物质炭。专利CN101962557A“一种生物质炭还原剂的制取与工业硅生产联合工艺”利用工业硅生产过程中产生的高温烟气余热为生物质热解提供热源生产生物质炭，该技术的优点在于热解热源来自于工业硅生产过程中产生的高温烟气，不需要其他额外的热源，降低了生物质炭的生产成本，同时也回收了烟气中的余热。

发明内容

本发明的目的是提供一种非木炭、低灰分、高固定碳、高反应活性及低成本的工业硅复合还原剂。本发明提出的复合碳质还原剂以脱灰冶金焦为主体，混和一定量生物质炭。以脱灰冶金焦为主体是因为脱灰冶金焦固定碳含量高、灰分低、反应活性强、机械强度好。添加生物质炭可增加还原剂的比电阻，有利于电极插入，提高反应区温度。

本发明的技术方案是将硅石在入炉前经过破碎、清洗和筛分，将脱灰冶金焦和生物质炭按一定比例配置成复合碳质还原剂，然后在矿热炉中加入硅石和复合碳质还原剂进行熔炼、精炼、最后浇注、破碎，得到工业硅。(如图1所示)

所述硅石的成分重量百分比：SiO₂≥98%、Al₂O₃≤0.05%、Fe₂O₃≤0.02%、CaO≤0.05、P₂O₃≤0.03%。

所述硅石入炉前的处理是采用颚式破碎机将硅石破碎至150mm以下，再由振动筛筛分，控制入炉硅石的粒度范围为25~150mm，以保证炉料的透气性和大的反应面积。清洗采用滚筒洗石机水洗，可以洗去硅石开采、运输和破碎过程中带入的泥沙等硅石表面附着的杂质，减少硅石带入的杂质元素。

所述的脱灰冶金焦是由废弃冶金焦粉经深度脱灰得到的，脱灰冶金焦的灰分含量小于5 wt.%，固定碳含量大于85 wt.%，挥发分小于3 wt.%。

所述的生物质炭是由生物质材料在高温下热解得到的。生物质可根据工业硅厂附近的资源就地取材，如核桃壳、松子壳、稻壳、玉米芯等。生物质炭可使用一种生物质生产，也可使用不同种类的生物质混合在一起加工生产。最终得到的生物质炭的灰分含量小于5wt.%，固定碳含量大于60wt.%，挥发分小于30wt.%。

所述的复合碳质还原剂由脱灰冶金焦和生物质炭两部分组成，分别储存与不同的料仓中。按照生产料批量要求与硅石分别称料、布料，经混合的批料由皮带加入到炉顶缓冲料仓。脱灰冶金焦和生物质炭的比例可根据硅石的成分、对产品的要求和炉况等实际生产情况的范围内调整，使加料制度更灵活，利于炉况的稳定，降低电耗。

与使用木炭作为工业硅还原剂相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明使用的复合碳质还原剂挥发分含量较木炭低，产生的烟气量小，减少了热量的损失和微硅粉的产生，减轻了烟气处理系统的负担；

（2）本发明使用的复合碳质还原剂成分稳定，热强度好，有利于炉况的稳定和生产的顺利进行，降低生产电耗；

（3）利用粒度不合格的冶金焦作为工业硅生产还原剂，实现了焦炭资源的合理利用；

（4）本发明使用的复合碳质还原剂中两种成分比例可根据炉料成分和炉况随时调整，配料制度灵活，利于炉况的稳定和电耗的降低；

（5）脱灰冶金焦和生物质炭替代木炭生产工业硅，实现了清洁生产，减少了森林资源的消耗，符合节能减排的要求；

（6）使用本发明的复合碳质还原剂进行工业硅生产，可以得到Si>99wt.%，Fe<0.3 wt.%，Al<0.2wt.%，Ca<0.1wt.%的工业硅。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，硅石（SiO₂98%、Al₂O₃0.05%、Fe₂O₃0.02%、CaO 0.05、P₂O₃0.03%）经破碎（粒度25～80mm）、水洗、筛分后，与复合碳质还原剂(如表1，生物质炭是由核桃壳在高温下热解得到)按比例混匀。配料以重量计，每1000kg硅石配入复合碳质还原剂600kg（脱灰冶金焦55%，生物质炭45%）。混匀后的物料加入矿热炉内进行熔炼，经精炼后获得的工业硅产品主要成分为Si>99.5wt.%，Fe≤0.27 wt.%，Al≤0.14wt.%，Ca≤0.08wt.%。

表1 复合还原剂成分表

组分	灰分/%	固定碳/%	挥发分/%	质量比/%
					脱灰冶金焦	4.57	92.90	2.43	55
生物质炭	2.83	79.94	5.45	45

实施例2：

如图1所示，硅石（SiO₂99%、Al₂O₃0.045%、Fe₂O₃ 0.01%、CaO 0.04、P₂O₃ 0.02%）经破碎（粒度25～100mm）、水洗、筛分后，与复合碳质还原剂混匀(如表2，生物质炭是由核桃壳和松子壳在高温下热解得到)。配料以重量计，每1000kg硅石配入复合碳质还原剂600kg（脱灰冶金焦60%,生物质炭40%）。混匀后的物料加入矿热炉内进行熔炼，经精炼后获得的工业硅产品主要成分为Si>99.5wt.%，Fe≤0.24 wt.%，Al≤0.11wt.%，Ca≤0.06wt.%。

表2 复合还原剂成分表

组分	灰分/%	固定碳/%	挥发分/%	质量比/%
					脱灰冶金焦	4.50	93	2.45	60
生物质炭	2.69	79.88	14.01	40

实施例3：

如图1所示，硅石(SiO₂ 98.8%、Al₂O₃ 0.03%、Fe₂O₃ 0.019%、CaO 0.04、P₂O₃ 0.025%)经破碎、水洗、筛分后，与复合碳质还原剂混匀(如表3，生物质炭是由核桃壳、松子壳和稻壳在高温下热解得到)。配料以重量计，每1000kg硅石配入复合碳质还原剂600kg（脱灰冶金焦95%,生物质炭5%）。混匀后的物料加入矿热炉内进行熔炼，经精炼后获得的工业硅产品主要成分为Si>99.6wt.%，Fe≤0.20 wt.%，Al≤0.09wt.%，Ca≤0.09wt.%。

表3 复合还原剂成分表

组分	灰分/%	固定碳/%	挥发分/%	质量比/%
					脱灰冶金焦	4.88	90.89	3.90	95
生物质炭	4.36	68	25.64	5

实施例4：

如图1所示，硅石(SiO₂ 98%、Al₂O₃ 0.03%、Fe₂O₃ 0.02%、CaO 0.04、P₂O₃ 0.025%)经破碎、水洗、筛分后，与复合碳质还原剂混匀(如表4，生物质炭是由核桃壳、松子壳、稻壳和玉米芯在高温下热解得到)。配料以重量计，每1000kg硅石配入复合碳质还原剂600kg（脱灰冶金焦80%,生物质炭20%）。混匀后的物料加入矿热炉内进行熔炼，经精炼后获得的工业硅产品主要成分为Si>99.3wt.%，Fe≤0.25 wt.%，Al≤0.19wt.%，Ca≤0.09wt.%。

表4 复合还原剂成分表

组分	灰分/%	固定碳/%	挥发分/%	质量比/%
					脱灰冶金焦	2	95.33	1.89	80
生物质炭	4.23	82.1	10.67	20

Claims

1.一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：将脱灰冶金焦和生物质炭配制成碳质还原剂，还原冶炼硅石生产工业硅。

2.根据权利要求书1所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述硅石的成分重量百分比：：SiO₂≥98%、Al₂O₃≤0.05%、Fe₂O₃≤0.02%、CaO≤0.05、P₂O₃≤0.03%。

3.根据权利要求书1所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述硅石的粒度为25~150mm。

4.根据权利要求书1所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述脱灰冶金焦由废弃冶金焦粉经深度脱灰得到，灰分含量小于5 wt.%，固定碳含量大于85 wt.%，挥发分小于3 wt.%。

5.根据权利要求书1所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述生物质炭是由生物质材料在高温下热解得到的。

6.根据权利要求书5所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述生物质材料是由核桃壳、松子壳、稻壳、玉米芯的一种或任意几种混合物组成。

7.根据权利要求书1或5所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述生物质炭的灰分小于5 wt.%，固定碳含量大于60wt.%，挥发分小于30wt.%。

8.根据权利要求书1所述的一种复合碳质还原剂替代木炭生产工业硅的方法，其特征在于：所述碳质还原剂中脱灰冶金焦95 wt.%～55 wt.%，生物质炭5 wt.% ～45 wt.%。