FI68389C - Saett att framstaella kisel ur pulverformigt kiseldioxidhaltigt material. - Google Patents

Description

68389

Menetelmä piin valmistamiseksi jauhemaisesta piidioksidi-pitoisesta aineksesta Käsiteltävänä oleva keksintö koskee menetelmää 5 piin valmistamiseksi jauhemaisesta piidioksidipitoisesta aineksesta.

Käsiteltävänä olevan patenttihakemuksen aikoihin piin vuotuinen maailmantuotanto on suuruusluokkaa 2 miljoonaa tonnia, josta n. 5% kuluu puhtaan piin valmistuk-10 seen ja loput käytetään rauta- ja alumiiniteollisuudessa. Puolijohdeteollisuudessa käytetään puhtaasta piistä 10%, so. noin 10 000 tonnia.

Piin kulutuksen uskotaan lähivuosikummeninä kasvavan erittäin voimakkaasti lähinnä siksi, että kiinnostus 15 sähköenergian kehittämiseen auringon energiasta on hyvin suuri. Aurinkokennoissa käytetään pääasiassa puhdasta piitä, jonka laatumerkintä on "solar grade" ja puhtaus vähintään 99,99 %. Epäpuhtauksien tyypilläkin on kuitenkin suuri merkitys, joten raaka-aineet on valittava kriittises- 20 ti.

Suurin osa puhtaasta piistä valmistetaan pelkistämällä suoraan valokaariuuneissa ja saadaan laatu, josta käytetään merkintää "metallurgical grade". Tämän puhtaus on n. 98 %. Jotta sitä voitaisiin käyttää aurinkokennoissa 25 se on puhdistettava poistamalla epäpuhtaudet liuottamalla ja seegraamalla. Tämä tekee erittäin puhtaan piiaineksen niin kalliiksi, että sähköenergian tuottaminen tästä piistä valmistetuilla aurinkokennoilla tulee kannattamattomaksi.

Käynnissä on intensiivinen tutkimustyö menetelmien 30 kehittämiseksi, jotka mahdollistavat erittäin puhtaan piin valmistamisen halvemmalla. Eräänä mahdollisuutena on käyttää puhtaampia raaka-aineita. Mutta pelkästään tämä ei riitä parantamaan prosessien kannattavuutta, koska valokaariuuneissa on pakko käyttää kappalemuotoista lähtöaineesta, mikä 35 rajoittaa raaka-ainevalikoimaa ja vaikeuttaa erittäin puh- 68389 taiden raaka-aineiden käyttömahdollisuuksina. Jotta piidioksidihiukkasia voitaisiin käyttää ne on lisäksi agglomeroitava jonkinmuotoisen sideaineen avulla ja tämäkin lisää prosessikustannuksia.

5 Lisäksi valokaaritekniikka on herkkä raaka- aineiden sähköisille ominaisuuksille, mikä vaikeuttaa pelkistimien käyttöä, jotka sisältävät vähän epäpuhtauksia, Koska lähtöraaka-aineiden on oltava kappale-muodossa, saattaa piidioksidin ja pelkistimen välinen 10 kosketus paikallisesti olla huono ja tämä aiheuttaa S iO:n hukkaa. Lisäksi tässä prosessissa paikallisesti esiintyvät korkeat lämpötilat lisäävät tätä hukkaa.

Edelleen on hankalaa ylläpitää valokaariuunin kaasu-tilassa ehdottoman pelkistäviä olosuhteita, joten muo-15 dostunut SiO saattaa hapettua takaisin SiC^ksi.

Yllä kuvatut olosuhteet ovat suurin syy tässä menetelmässä tapahtuviin häviöihin, mikä tässä tunnetussa menetelmässä on todettavissa mitautusta sähkökulutuk-sestakin, joka on 25-45 MWh/tn lasketun teoreettisen 20 sähkönkulutuksen ollessa 9 MWh/tn. Todettakoon lopuksi, että SiO:n hukka ja yllä mainittu SiO:n uudelleenha-pettuminen Sieniksi aiheuttavat vaikeita toimintahäiriöitä kaasukanavien tukkeutumisen vuoksi.

Käsiteltävänä olevan keksinnön tarkoituksena on 25 poistaa yllä mainitut haitat sekä tarjota menetelmä, joka mahdollistaa erittäin puhtaan piin valmistuksen yhdessä ainoassa vaiheessa ja mahdollistaa jauhemaisten raaka-aineiden käytön.

Tämä tehtävä on ratkaistavissa alussa kuvatulla 30 tavalla keksinnönmukaisen ehdotuksen avulla, jolloin oleellisesti uutta on, että jauhemainen piidioksidipitoinen aines ja valinnaisesti pelkistin ruiskutetaan kantokaasun avulla plasmageneraattorin synnyttämään kaasuplasmaan, jonka jälkeen näin kuumennettu piidioksidi, valinnainen 35 pelkistin ja energiarikas plasmakaasu syötetään reaktioti-laan, joka on lähes täysin kiinteän, kappalemuotoisen pel-

II

3 68389 kistimen ympäröimä.

Prosessin tällainen toteuttamismuoto mahdollistaa koko reaktiotapahtuman konsentroimisen hyvin rajoitettuun reaktiovyöhykkeeseen hormin välittömässä läheisyydessä, 5 jolloin korkealämpätilatilavuus saadaan prosessissa hyvin pieneksi. Tämä on suuri etu tähän saakka tunnettuihin prosesseihin verrattuna, joissa pelkistysreaktiot tapahtuvat peräkkäin jakaantuneina suureen uunitilavuuteen.

Koska prosessi on muotoiltu siten, että kaikki reak-10 tiot tapahtuvat reaktiovyöhykkeessä koksipylväässä välit tömästi ennen plasmageneraattoria, voidaan reaktiovyöhyk-keen lämpötila pitää hyvin korkealla ja kontrolloitavalla tasolla, jolloin edistetään reaktioita

15 Si02 + 2 C -} Si + 2 CO

Koska reaktantit (Si02, SiO, SiC, Si, C, CO) ovat samanaikaisesti reaktiovyöhykkeessä ja tästä syystä vähäisemmässä määrin muodostuvat tuotteet SiO ja SiC reagoi-2Q vat välittömästi seuraavalla tavalla

SiO + C -> Si + CO

SiO + SiC-> 2 Si + CO

2 SiC + Si02 ->3 Si + 2 CO

25

Siten reaktiovyöhykkeestä poistuvat kaikissa tapauksissa lopputuotteina nestemäinen Si ja kaasumainen CO.

Jauhemaisten raaka-aineiden keksinnönukaisesti ehdotetulla käytöllä erittäin puhtaiden piidioksidiraa-ka-aineiden valinta helpottuu ja halpenee. Lisäksi keksin-30 nönmukaisesti ehdotettu menetelmä ei ole herkkä raaka- aineksen sähköisille ominaisuuksille, mikä helpottaa pel-kistimien valintaa.

Ruiskutettavana pelkistimenä voi olla esim. hiilivedyt kuten maakaasu, kivihiilijauhe, puuhiilijauhe, hiili-35 musta, kiviöljykoksi, mahdollisesti puhdistettuna, ja 4 68389 koksirouhe.

prosessiin syötetyn sähköenergian määrällä plasmakaasuyksikköä kohti on helppo säätää prosessin vaatimaa lämpötilaa ja siten voidaan ylläpitää optimiolosuh-5 teet SiO:n hukan minimoimiseksi.

Koska kappalemuotoinen pelkistin lähes täysin ympäröi reaktiotilaa, myös SiO:n uudelleenhapettuminen Sieniksi estyy tehokkaasti.

Keksinnön eräässä sopivassa toteuttamismuodossa 10 kiinteätä kappalemuotoista pelkistintä lisätään jatkuvasti pelkistysvyöhykkeeseen sen kulumista vastaavassa tahdissa.

Kiinteänä kappalemuotoisena pelkistimenä käytetään sopivasti koksia, puuhiiltä, kiviöljykoksia ja/tai hiilimustaa ja plasmakaasuna voidaan prosessissa sopivas-15 ti käyttää reaktiovyöhykkeestä kierrätettyä prosessikaasua.

Kiinteänä kappalemuotoisena pelkistimenä voi olla jauhe, joka on saatettu kappalemuotoon hiilestä ja vedystä ja mahdollisesti hapesta muodostuvan sideaineen, esim. sakkaroosin avulla.

20 Keksinnön lisätoteuttamismuotona oleva plasmapol- tin on ns. induktioplasmapoltin, jonka ansiosta mahdolliset elektrodeista tulevat epäpuhtaudet vähenevät absoluuttiseen minimiin.

Keksinnönmukaisesti ehdotettua menetelmää voi-25 daan edullisesti käyttää erittäin puhtaan piin valmistamiseksi, joka on tarkoitettu aurinkokennojen ja/tai puolijohteiden raaka-aineeksi ja valmistuksessa voidaan raaka-aineina käyttää erittäin puhdasta piidi-oksidia ja hyvin vähän epäpuhtauksia sisältäviä pelkistimiä.

30 Keksinnön lisätunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista.

Seuraavassa keksintöä kuvataan tarkemmin muutaman toteuttamisesimerkin avulla. Reaktiot suoritetaan mieluiten kuilu-uunityyppisessä reaktorissa, jonka yläpäästä syöte-35 tään jatkuvasti kiinteätä pelkistintä esim. panostusaukon

II

5 68389 kautta, joka on tasaisesti varustettu suljetuilla syöt-tökouruilla tai kuilun kehällä olevalla rengasmaisella syöttöraolla.

Mahdollisesti esipelkistetty piipitoinen, jauhemai-5 nen aines puhalletaan alhaalta reaktoriin hormien kautta inertin tai pelkistävän kaasun avulla. Samanaikaisesti sisään voidaan puhaltaa hiilivetyjä ja mahdollisesti hap-pikaasua, mieluiten samojen hormien kautta.

Kappelemuotoisella pelkistimellä täytetyn kuilun 10 alaosassa on reaktiotila, jota mainittu kappalemuotoinen pelkistin ympäröi joka puolelta. Tässä pelkistysvyöhykkees-sä piidioksidin pelkistys ja sulatus tapahtuvat momentaa-nisti.

Poistuva reaktorikaasu, joka muodostuu seoksesta, 15 jossa on runsaasti hiilioksidia ja vetyä, voidaan kierrättää ja käyttää plasmakaasun kantokaasuna.

Alla kuvataan kahta suoritettua koetta, jotka valaisevat lisää keksintöä.

20 Esimerkki 1

Suoritettiin koe puolisuuressa mittakaavassa. Pii-raaka-aineena käytettiin vuorikidetyyppistä kvartsimursket-ta, jonka epäpuhtauksien määrä oli alle 100 ppm ja hiukkas-koko n. 0,1 mm. "Reaktiotila " muodostui briketoidusta hiili-25 massasta. Pelkistimenä käytettiin propaania (gasolia) ja kantokaasuna ja plasmakaasuna CO: s ta ja Joista muodostuvaa pestyä pelkistyskaasua.

Prosessiin syötettiin tehoa 1000 kWh, raaka-aine-syöttö oli 2,5 kg Si02/min ja pelkistimenä syötettiin 1,5 3q kg propaania/min.

Kokeen kokonaistuotto oli n. 300 kg erittäin puhdasta piitä. Keskimääräinen sähkönkulutus oli n. 15 kWh/kg tuotettua piitä.

Kokeen mittakaava oli pieni, joten lämpöhukka kasvoi 25 suureksi. Ottamalla kaasut talteen voidaan sähkönkulutusta entisestäänkin vähentää ja käytettäessä suurempaa laitosta 6 68389 lämpöhukkakin vähenee huomattavasti.

Esimerkki 2

Toimimalla muuten samoissa olosuhteissa kuin esimerkissä 1 valmistettiin erittäin puhdasta piitä 5 pelkistimenä toimivan jauhemaisen hiilimustan avulla. Lisättiin 1,2 kg hiilimustaa/min.

Tässä kokeessa valmistettiin 20Q kg erittäin puhdasta piitä. Keskimääräinen sähkönkulutus oli n. 13,5 kWh/kg tuotettua piitä.

li

Claims (9)

68389

1. Menetelmä piin valmistamiseksi jauhemaisesta piidioksidipitoisesta aineksesta, tunnettu siitä, 5 että jauhemainen piidioksidipitoinen aines ja valinnaisesti pelkistin ruiskutetaan kantokaasun avulla kaasuplasmaan, jonka jälkeen näin kuumennettu pelkistin ja energiarikas plasmakaasu syötetään reaktiotilaan, joka on kiinteän, kappalemuotoisen pelkistimen ympäröimä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että kaasuplasma synnytetään syöttämällä plasmakaasu sähkövalokaaren läpi ns. plasmageneraattorissa.

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasmageneraattorin valokaari 15 synnytetään induktiivisesti.

4. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteätä, kappalemuotoista pelkistintä syötetään reaktiovyöhykkeeseen jatkuvasti.

5. Patenttivaatimusten 1-4 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että kiinteänä, kappalemuotoisena pelkistimenä on puuhiili tai koksi.

6. Patenttivaatimusten 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasmakaasuna on reaktiovyöhyk-keestä kierrätetty prosessikaasu.

7. Patenttivaatimusten 1-4 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että erittäin puhtaan, aurinkokennojen ja/tai puolijohteiden raaka-aineeksi tarkoitetun piin valmistamiseksi valitaan piidioksidipitoiseksi ainekseksi aines, jossa epäpuhtauksien määrä on alle 0,1 paino-%.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että kiinteä, kappalemuotoinen pelkistin valitaan ryhmästä, jonka muodostavat briketoitu hiilimusta, briketoitu kiviöljykoksi, briketoitu puuhiilijauhe ja kappalemuotoinen puuhiili.

9. Patenttivaatimusten 7 ja 8 mukainen menetelmä, 68389 tunnettu siitä, että ruiskutettava pelkistin valitaan ryhmästä, jonka muodostavat jauhemainen hiili-musta, puuhiilijauhe, kiviöljykoksi, hiilivedyt kaasuja nestemuodossa, esim. maakaasu, propaani ja kevytben-siini. 68389