CN104891498A - 一种工业硅的冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物质热解领域，提供了一种工业硅的冶炼方法，包括以下步骤：a)生物质预处理步骤；b)对预处理的生物质进行热解，得到生物质炭、可燃气和生物质油的步骤；c)将所述生物质炭和所述硅石混合、配料的步骤；d)将配料后的所述生物质炭和所述硅石送入燃气加热炉，在所述燃气加热炉中以所述可燃气和所述生物质油作为燃料，还原并获得工业硅的步骤。利用本发明的工业硅的冶炼方法可以有效降低生产成本，提高生产效率。

Description

一种工业硅的冶炼方法

技术领域

本发明涉及生物质热解领域，提供了一种工业硅的冶炼方法。

背景技术

(1)现有技术多采用矿热炉工艺生产工业硅。

由于矿热炉的电耗高、设备损坏快、技术经济指标差，一方面造成了该技术的生产成本十分高昂，另一方面也不符合国家的节能减排政策。

(2)现有技术生产工业硅，早期采用木炭作为还原剂。由于木炭具有很高的比电阻和反应能力，灰分低、气孔率高，采用木炭作为还原剂生产金属硅一直是本领域中的首选方法，但烧制木炭必然会消耗大量的森林资源，造成生态环境的破坏。

后来，生产工业硅多采用石油焦配加木屑或木块作为还原剂。石油焦是一种公知的低杂质含量还原剂，使用它不需要炉外精炼就能得到优质金属硅，但石油焦具有强石墨化特性，在矿热炉的冶炼温度下会迅速石墨化，造成炉底上涨，不但浪费大量电能，还会导致生产不能正常进行,同时配加的木屑和木块也会或多或少的消耗森林资源，造成生态环境的破坏。

(3)生物质资源是唯一一种可再生碳源，具有分布广、产量大、可再生、碳中性等特点，与传统化石能源相比具有巨大的经济、环保优势和社会效益，是一种优质的燃料和还原剂。一些发达国家已将生物质能的开发和利用作为解决能源危机的重要手段，如目前瑞典的生物质能已占其国内能量消耗的近40％。

生物质热解后可得到生物质炭，它具有低硫、低氮、低灰分、高反应性和可磨性好等优点，是一种优质的燃料和还原剂。同时，生物质炭制备过程的能量可由生物质本身提供，能基本实现绿色循环生产。此外，生物质资源的成本很低，处理工艺简单，综合利用价值很高。

专利201010284206.3提出了一种生物质炭还原剂的制取与工业硅生产联合工艺，包括：生物质的筛选成型→余热利用→生物质热解→生物质炭→工业硅生产→硅产品。其中，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，热解过程产出的热解气用于生产高附加值化工产品，生物质热解后的固体产物——生物质炭用于工业硅生产的还原剂。此外，生物质热解还可获得木焦油和木醋酸等副产品。采用该技术生产工业硅的技术缺点有：(1)该技术采用了传统的电炉流程，没有解决电炉工艺电耗高、设备损坏快、技术经济指标差等缺点。由于全球各地相同发热量的电价约为煤价的三倍以上，所以采用电炉的熔炼成本也是采用燃气加热炉熔炼成本的三倍以上。而本发明采用了燃气加热炉技术，用生物质热解所得的可燃气代替昂贵的电能作为热冶炼的能源，其能耗不到电耗的1/3，且工艺设备简单，技术经济指标均优于传统电炉工艺。(2)该技术中，生物质热解产生的热解气用作生产高附加值的化工产品，这必然会导致该技术的工艺流程长、工艺设备复杂、投资成本高。而本发明将生物质热解得到的可燃气用作燃气加热炉的燃料，只需对可燃气进行简单处理即可。与该技术相比，本发明的工艺流程短、工艺设备简单、投资成本低廉，且能将生物质热解的产品全部加以综合利用。

专利201210080751.X提出一种以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法，包括：步骤一、生物质焦的生产；步骤二、生物质含碳球团的制备；步骤三、生物质含碳球团的还原。该发明利用可再生的碳中性生物质焦粉代替煤粉，将生物质焦和铁矿粉配比后加入粘结剂造球，进入转底炉进行加热、还原后得到金属化球团。采用该技术的目的是为了利用生物质代替煤炭应用于煤基转底炉工艺中，解决转底炉炼铁生产工艺煤炭等化石能源消耗量较大，CO2、SO2、NOX等排放量较大，产品硫含量较高，工艺热效率及生产率较低等问题。但是该专利完全没有提到如何生产工业硅，也没有解决目前工业硅生产中，电炉工艺电耗高、设备损坏快、技术经济指标差等问题。而本发明的目的之一就是克服现有工业硅冶炼技术中的不足，提供一种低能耗的工业硅冶炼新方法。本发明采用了燃气加热炉，用生物质热解得到的可燃气代替昂贵的电能作为热冶炼的能源，其能耗不到电耗的1/3，且工艺设备简单，技术经济指标优于传统电炉工艺，有效解决了目前工业硅生产中，电炉工艺电耗高、设备损坏快、技术经济指标差等问题。

专利201110025695.5提供了一种生物质还原剂及其制备方法。该技术将可再生资源加工制备成铁合金行业及电治熔融炼铁行业的生物质还原剂，包括下列质量比的组分：在500℃下干馏的生物质炭化料7～40％，在600℃下干馏的生物质炭化料20～25％，在700℃下干馏的生物质炭化料15～25％，在850℃下干馏的生物质炭化料10～23％，在900℃下干馏的生物质炭化料10～20％，粘接剂5～8％。但是该技术具有以下不足之处：(1)该技术没有提到如何生产工业硅，也没有解决目前工业硅生产中，电炉工艺电耗高、设备损坏快、技术经济指标差等问题。(2)该技术只提到可将生物质制备的生物质还原剂应用于铁合金行业及电治熔融炼铁行业，但没有提到将生物质综合利用。既没有提到将生物质热解得到的可燃气用作燃气加热炉的燃料，也没有提到如何利用生物质热解得到的生物质油。与该技术相比，本发明将生物质热解得到的产品全部加以有效综合利用。

专利200710018163.2提出了用石油焦作还原剂生产工业硅的方法：将粉碎后的硅石和还原剂石油焦按比例配比，配比料充分混合后加入矿热炉中，在2400～2600℃的炉温下进行还原，还原后的高温硅熔液在精炼炉中除渣，然后倒入凝固池中降温凝固即得工业硅。该专利技术解决了现有工业硅生产方法中炉底上涨以及杂质含量多的技术问题。但是该技术具有以下缺点：(1)该技术中，工业硅生产工艺仍采用了传统的矿热炉流程，没有解决矿热炉工艺电耗高、设备损坏快、技术经济指标差等缺点。(2)该技术采用石油焦为还原剂，本发明采用生物质炭为还原剂。由于生物质资源是唯一可再生碳源，具有分布广、产量大、可再生、碳中性等特点，本发明与该技术相比，有效的拓宽了工业硅生产的原料来源及燃料来源，具有巨大的经济、环保优势和社会效益。(3)该技术没有提到如何对生物质加以综合利用，而本发明可实现生物质的综合利用，生物质热解得到的生物质炭、可燃气、生物质油全部被加以有效利用。

专利98122551.9提供了一种全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺，其特点是硅质原料全部用石英砂直接与碳质还原剂配制炉料，并按要求送入炉内冶炼，包括准备原料、配料、入炉冶炼。现有技术五的节能效果显著，比常规冶炼节电达40％左右，降低了生产成本。但该技术具有以下缺点：(1)该技术比常规工业硅冶炼节电40％左右，但只要采用矿热炉工艺，就难以从根本上解决矿热炉电耗高、设备损坏快、技术经济指标差等缺点。本发明的工业硅生产流程采用了燃气加热炉，用生物质热解得到的可燃气代替昂贵的电能作为热冶炼的能源，其能耗不到电耗的1/3，虽然该专利技术比常规工业硅冶炼节电40％左右，但本发明要比常规矿热炉节电70％左右。本发明的节能效果优于改发明所阐述的技术。(2)该技术没有提到拓宽工业硅生产的还原剂来源和燃料来源，而本发明采用生物质炭为还原剂，采用生物质热解得到的可燃气作加热冶炼能源。由于生物质资源是唯一可再生碳源，具有分布广、产量大、可再生、碳中性等特点，本发明有效的拓宽了工业硅生产的还原剂来源和燃料来源。(3)该技术没有提到如何对生物质加以综合利用，而本发明可实现生物质的综合利用，生物质热解所得的生物质炭、可燃气、生物质油全部被加以有效利用。

发明内容

(一)解决的技术问题

现有技术中的工业硅的冶炼存在的问题在于：

(1)工业硅生产单元仍采用了传统的电炉流程，而目前电炉冶炼工业硅工艺最大的缺点就是电耗高，生产成本高昂，技术经济指标差，CO2、SO2、NOX等排放量较大，产品硫含量较高，工艺热效率及生产率较低等。本发明的目的之一就是克服现有工业硅冶炼技术中的不足，提供一种采用廉价生物质热解所得可燃气代替昂贵电能作为热冶炼能源的工业硅冶炼新方法，其能耗不到电耗的1/3，比常规矿热炉工艺节电70％左右，节能效果显著，且具有工艺设备简单、技术经济指标好等优点，能有效降低现有的工业硅生产的能耗及成本，同时还符合国家节能减排政策，可有效缓解国家能源紧张的局面。

(2)现有技术采用木炭、石油焦配加木屑或木块做还原剂，但采用木炭、木屑等做还原剂消耗森林资源，破坏生态环境；采用石油焦做还原剂，在矿热炉的冶炼温度下会迅速石墨化，造成炉底上涨，不但浪费大量电能，还会导致生产不能正常。本发明的其它目的就是克服现有工业硅冶炼技术中的不足，提供一种替代木炭及石油焦的廉价、可再生的生物质炭还原剂。

(二)技术方案

本发明提供了一种工业硅的冶炼方法，包括以下步骤：

a)生物质预处理步骤；

b)对预处理的生物质进行热解，得到生物质炭、可燃气和生物质油的步骤；

c)将所述生物质炭和所述硅石混合、配料的步骤；

d)将配料后的所述生物质炭和所述硅石送入燃气加热炉，在所述燃气加热炉中以所述可燃气和所述生物质油作为燃料，还原并获得工业硅的步骤。

进一步地，采用硅石作为硅源；采用的还原剂为生物质热解得到的生物质碳；生物质为农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、稻壳、玉米芯、废木料、锯末等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等。

进一步地，所述步骤a进一步包括：

将所述生物质进行干燥并粉碎。

进一步地，所述步骤c进一步包括：

对所述硅石进行洗净和破碎处理，以及对所述生物质进行破碎处理；

将破碎后的生物质炭和破碎后的硅石进行混合、配料。

进一步地，利用所述燃气加热炉的烟气余热对生物质进行干燥，以及利用所述烟气余热对所述预处理的生物质进行热解。

进一步地，所述步骤b中热解的温度为200-900℃，热解时间为20-120分钟。

进一步地，所述破碎后的硅石的粒径为小于100mm，所述破碎后的生物质炭的粒径为小于20mm。

进一步地，所述破碎后的硅石与所述破碎后的生物质炭的质量比为100：(20-80)。

进一步地，所述步骤d中的还原温度为1800-2500℃，还原时间为1-5小时。

进一步地，所述步骤d获得的工业硅中硅的质量百分比大于等于99％。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明提供了一种能替代木炭及石油焦的廉价生物质炭还原剂。生物质资源是唯一一种可再生碳源，具有分布广、产量大、可再生、碳中性等特点，与传统化石能源相比具有巨大的经济、环保优势和社会效益，是一种优质的燃料和还原剂。将生物质炭替代木炭和石油焦应用到工业硅生产中具有较多优势：a)可从根本上降低工业硅冶炼中木炭和石油焦的消耗，一方面减少对生态环境的破坏，另一方面降低对化石能源的依赖；b)生物质炭具有碳中性，可从根本上降低其它化石能源消耗所带来的CO2等污染排放；c)生物质炭的杂质含量少，可降低所得产品中的杂质含量，改善产品的综合质量；d)可改善工艺热效率及生产效率，提高产品质量；e)生物质炭制备过程的能量可由生物质本身提供，基本实现绿色循环生产；f)生物质资源的成本较低，处理简单，综合利用价值很高。

(2)本发明采用燃气加热炉代替传统工业硅生产中的矿热炉，用廉价生物质热解所得的可燃气代替昂贵的电能作为生产工业硅的热冶炼能源。有效解决了传统矿热炉工艺电耗高、设备损坏快、技术经济指标差、生产成本高昂等问题。

(3)本发明可实现生物质的高效、综合利用，生物质热解所得的生物质炭、可燃气、生物质油全部被加以有效利用。a)生物质热解所得的可燃气和生物质油，一方面作为燃气加热炉冶炼工业硅的燃料，另一方面作为系统中干燥环节和生物质热解环节的热源，有效拓宽了工业硅生产的能源来源；b)生物质热解得到的生物质炭替代木炭及石油焦作为还原硅石的还原剂，拓宽了生产工业硅的还原剂来源。

附图说明

图1是利用生物质生产工业硅的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的利用生物质的工业硅的冶炼方法作出进一步地详细说明：

一种综合利用生物质，以生物质热解得到的生物质炭、可燃气、生物质油等产品为还原硅石的还原剂和燃料的工业硅冶炼新工艺，与传统工业硅生产工艺相比，本发明采用了燃气加热炉代替传统工业硅生产中的矿热炉，采用生物质炭代替传统工艺中的木炭和石油焦等还原剂，比常规矿热炉工艺节能70％左右，节能效果显著，同时还能将既廉价又资源丰富的生物质加以有效的综合利用，拓宽了工业硅冶炼的能源来源和还原剂来源。

本发明分为两个步骤：

第一步，将干燥后的生物质粉碎，然后通过布料设备布入热解装置，热解温度为200～900℃，热解时间为20～120min。所述生物质经热解后生成生物质炭、可燃气、生物质油等产品。干燥环节和生物质热解环节的热源采用工业硅冶炼过程的燃气加热炉烟气余热。

第二步，采用硅石作为硅源，将洗净的硅石和生物质炭分别破碎和筛分到合适粒径后，按一定比例进行配比，再经混合均匀后布入燃气熔分炉中，在高温还原气氛下生产硅铁。生物质热解所产生的生物质炭、热解气和生物质油作为燃气加热炉的燃料。

(1)本工艺所采用的生物质为农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、稻壳、玉米芯、废木料、锯末等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。

(2)本工艺所采用的还原剂为生物质热解所得到的生物质炭。

(3)本工艺所采用的硅石还原设备为燃气加热炉。

(4)本工艺所采用燃气加热炉的燃料为生物质热解所得到的生物质炭、可燃气和生物质油。

实例1.生物质经预处理后布入热解炉中热解，热解温度450℃，热解时间60min，所得生物质炭的固定碳含量77.33％。选择硅石的SiO2含量≥99.4％，Fe2O3含量≤0.15％，Al2O3含量≤0.2％，CaO含量≤0.1％，将硅石破碎、筛分到粒径60～80mm作为硅源，将热解所得生物质炭破碎到10mm以下作为还原剂。然后将硅石和还原剂按100:41的质量比进行配比，混合均匀后布入燃气加热炉中还原，还原温度为1950℃，还原时间为3.5小时。所得工业硅的Si品位≥99％，工业硅的其它指标符合国标GB/T2881-2008。

实例2.生物质经预处理后布入热解炉中热解，热解温度600℃，热解时间45min，所得生物质炭的固定碳含量83.21％。选择硅石的SiO2含量≥99％，Fe2O3含量≤0.3％，Al2O3含量≤0.3％，CaO含量≤0.1％，将硅石破碎、筛分到粒径50～100mm作为硅源，将热解所得生物质炭破碎到10mm以下作为还原剂。然后将硅石和还原剂按100:32的质量比进行配比，混合均匀后布入燃气加热炉中还原，还原温度为2350℃，还原时间为2.5小时。所得工业硅的Si品位≥99％，工业硅的其它指标符合国标GB/T2881-2008。

实例3.生物质经预处理后布入热解炉中热解，热解温度700℃，热解时间30min，所得生物质炭的固定碳含量85.19％。选择硅石的SiO2含量≥99.2％，Fe2O3含量≤0.2％，Al2O3含量≤0.2％，CaO含量≤0.1％，将硅石破碎、筛分到粒径50～90mm作为硅源，将热解所得生物质炭破碎到10mm以下作为还原剂。然后将硅石和还原剂按100:47的质量比进行配比，混合均匀后布入燃气加热炉中还原，还原温度为2100℃，还原时间为3小时。所得工业硅的Si品位≥99％，工业硅的其它指标符合国标GB/T2881-2008。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工业硅的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)生物质预处理步骤；

b)对预处理的生物质进行热解，得到生物质炭、可燃气和生物质油的步骤；

c)将所述生物质炭和所述硅石混合、配料的步骤；

d)将配料后的所述生物质炭和所述硅石送入燃气加热炉，在所述燃气加热炉中以所述可燃气和所述生物质油作为燃料，还原并获得工业硅的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

采用硅石作为硅源；

采用的还原剂为生物质热解得到的生物质碳；

生物质为农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、稻壳、玉米芯、废木料、锯末等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a进一步包括：

将所述生物质进行干燥并粉碎。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括：

对所述硅石进行洗净和破碎处理，以及对所述生物质进行破碎处理；

将破碎后的生物质炭和破碎后的硅石进行混合、配料。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用所述燃气加热炉的烟气余热对生物质进行干燥，以及利用所述烟气余热对所述预处理的生物质进行热解。

6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述步骤b中热解的温度为200-900℃，热解时间为20-120分钟。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述破碎后的硅石的粒径为小于100mm，所述破碎后的生物质炭的粒径为小于20mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述破碎后的硅石与所述破碎后的生物质炭的质量比为100：(20-80)。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤d中的还原温度为1800-2500℃，还原时间为1-5小时。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤d获得的工业硅中硅的质量百分比大于等于99％。