JP2012510421A - 改善された資源利用度を有する、シリコンを製造するための設備 - Google Patents
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Abstract
本発明は、それぞれ特に効果的な資源利用度および低減された有害物質エミッションを有する、シリコン、有利には高純度のシリコン、特にソーラシリコンを製造するための設備、ならびにシリコン、有利には高純度のシリコン、特にソーラシリコンを製造するための方法に関する。
Description
本発明の対象は、それぞれ特に効果的な資源利用度および低減された有害物質エミッションを有する、シリコン、有利には高純度のシリコン、特にソーラシリコンを製造するための設備、ならびにシリコン、有利には高純度のシリコン、特にソーラシリコンを製造するための方法である。
本発明による設備により、ケイ素、つまりシリコン、特にソーラシリコンの製造時における著しいプロセス集中化を達成することができる。このような著しいプロセス集中化は、環境に有害な二酸化炭素および／または一酸化炭素の著しい低減ならびに電気的なエネルギの著しく減じられた需要をもたらす。さらに、アーク炉内での二酸化ケイ素からケイ素への還元の際に形成されるケイ素酸化物をカーボンブラック反応器内へ戻し、かつカーボンブラック製造時に生じた二酸化ケイ素を還元反応器内へ戻すことにより、ケイ素酸化物循環路が形成され、このケイ素酸化物循環路によってケイ素酸化物廃棄物は十分に、理想的には完全に回避される。さらに、この新規設備により、全体方法における使用されたシリコンの物質収支も著しく増大され、これにより全体的には出発材料もしくは原料として、従来よりも少量のケイ素酸化物がプロセスに導入されるだけで済む。
これまで、廃熱、つまりカーボンブラック（Carbon Black）の製造時に発生する熱的なエネルギは、工業的および経済的に別のプロセスのために利用されていなかった。カーボンブラック法の廃熱は目下、同じ方法の天然ガスやオイルのような原料（Edukte）のプレヒーティングもしくは予熱のために利用されるのが普通である。相応して、これまでは、特に高温のプロセスガスの形の、シリコンの製造の廃熱も、空気によってクエンチされ、かつ二酸化ケイ素の分離のために熱ガスフィルタに通されるに過ぎない。カーボンブラック製造またはシリコン製造からのかなりの量の熱的なエネルギを別のプロセスにおけるエネルギ節約のために利用することは、これまで不可能であった。特に高純度のカーボンブラックの製造の際に、またはソーラシリコンの製造あるいはまた、半導体シリコンの製造のために適しているシリコンの製造の際に、過剰の熱的なエネルギを移送することは、高純度の製品を製造するための特定のプロセスの空間的分離が必要となることに基づき、考えられなかった。製品のその都度の純度に課せられる極端に高い要求や、相互汚染の可能性により、このような可能性は断定的に排除されていた。
カーボンブラックを製造するための方法としては、たとえば専門家にとってよく知られた製造方法の代表的なものとして、ガスブラック法（ドイツ民主共和国特許第２９２６１号明細書、ドイツ連邦共和国特許第２９３１９０７号明細書、ドイツ連邦共和国特許第６７１７３９号明細書、「Carbon Black」、Prof. Donnet著、１９９３年、出版社MARCEL DECCER INC、 New York在 第５７頁以降）が挙げられる。このガスブラック法では、油蒸気で負荷された水素含有のキャリヤガスが、多数の流出開口において空気過剰量で燃焼される。火炎（フレーム）は水冷されたローラに衝突し、このことは燃焼反応を中断する。火炎内部に形成されたカーボンブラックの一部はローラ上に沈殿し、そしてこのローラから掻き取られる。廃ガス流中に残ったカーボンブラックはフィルタにおいて分離される。さらに、チャンネルブラック法（「Carbon Black」、Prof. Donnet著、１９９３年、出版社MARCEL DECCER INC、 New York在 第５７頁以降）が知られている。チャンネルブラック法では、天然ガス供給された多数の小さな火炎が、水冷された鉄樋（チャンネル）に向かって燃焼する。鉄樋に析出されたカーボンブラックが掻き取られて、ホッパ内に捕集される。
カーボンブラックを発生させる全ての方法にとって代表的に挙げられたこれらのプロセスにおいては、大量の廃熱が、特に高温の残留ガス（テールガス）ならびに高温の水蒸気の形で発生する。これまで、これらの廃熱は、たとえば凝縮器を介してガスから部分的に取り出され、次いでガスは清浄化されて、環境へ放出される。取り出された廃熱は、これまで有効に利用されていない。
カーボンブラックの微粒状の構造に基づき、別の設備部分がカーボンブラックによって汚染されてしまうことを回避することができない。この理由から、このような設備は１つの生産工場において、やはり高純度の化合物を製造するために使用される別の設備とは組み合わされなかった。
それに対して、ケイ素酸化物、特に二酸化ケイ素、たとえば沈降ケイ酸またはイオン交換器によって清浄化されたケイ酸を製造する際には、たとえば湿ったケイ素酸化物を乾燥させるために、特に多くのエネルギの供給が必要とされる。
したがって、本発明の課題は、二酸化ケイ素の還元によってシリコン、特にソーラシリコンを製造するための効率の良い設備を開発し、かつこのときに原料使用量を減少させることである。別の課題は、できるだけ少ない所要量の資源、特にできるだけ少ない所要量の原料ならびに熱的および電気的なエネルギを用いて運転され得る全体設備を開発することである。
明示的に挙げられていない別の課題は、以下の発明の詳細な説明、図面および特許請求の範囲の全体的な関連から判る。
上記課題は、独立請求項の特徴部に記載の特徴を有する、特に全体設備あるいはまた部分設備として形成された本発明による設備、および本発明による使用により解決される。従属請求項および発明の詳細な説明には、本発明の有利な実施態様が記載されている。
本発明によれば、本発明の対象は、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための少なくとも１つの第１の反応器４．１と、金属の化合物を還元するための少なくとも１つの第２の反応器６．１とを備えた、図１に示した全体設備１である。この場合、反応器４．１で製造された炭素、有利にはカーボンブラックまたは石炭または少なくとも１種の炭水化物の熱分解生成物の形の炭素は、物質流４．２を介して、そして反応器４．１で副生成物として生じた二酸化ケイ素は物質流４．３を介して、それぞれ反応器６．１に供給され、さらにこの反応器６．１で副生成物として生じた、一酸化炭素と一酸化ケイ素とから成る混合物は、物質流６．３を介して反応器４．１へ戻される。
この設備の有利な実施態様（１ａ）では、物質流７．２を介して、有利には連続的に二酸化ケイ素、特に高純度の二酸化ケイ素が、そして物質流４．４を介して、炭素を含有する化合物、有利には天然ガス、オイルまたは炭水化物、たとえば糖および別の単糖、二糖、三糖、オリゴ糖または多糖が当該設備に供給され、反応器６．１から高純度のシリコン（図示されていない物質流）が引き出される。
本発明による設備は、特別なケイ素循環路によりすぐれている。このケイ素循環路は、酸化物の形で導入されたケイ素がほぼ定量に、すなわち少なくとも８０％、有利には９０〜１００％、特に有利には９５〜９９．５％、極めて特に有利には９７〜９９％が、有利には高純度のシリコンに変換されることを確保する。かつケイ素がその酸化物の形で廃棄物質として失われることはほとんどない。
本発明による方法の第１の有利な変化形では、本発明の対象が、全体設備１のコンポーネントに対して付加的に二酸化ケイ素流４．３および炭素流４．２を引き続き後処理するための装置または機械または設備８．１を有する全体設備２である。これにより、物質流４．２，４．３は設備８．１に供給され、この後処理の生成物は物質流８．２を介して反応器４．１に供給される。したがって、反応器４．１と反応器６．１との間のＳｉＯ／ＳｉＯ２循環は維持されている。設備８．１によってのみ別の設備要素が加えられる。したがって、全体設備２は、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための少なくとも１つの反応器４．１と、金属の化合物を還元するための少なくとも１つの反応器６．１と、二酸化ケイ素流４．３および炭素流４．２の後処理のための少なくとも１つの装置または機械または設備８．１とを有している。この変化形では、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器において、炭素が、有利にはカーボンブラックもしくは石炭もしくは少なくとも１種の炭水化物の熱分解生成物の形で形成されて、炭素流４．２を介して後処理装置８．１に供給される。炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器４．１において副生成物として生じた二酸化ケイ素、有利には粉末の形の二酸化ケイ素流は、二酸化ケイ素流４．３を介して、同じく後処理装置８．１に供給される。後処理装置もしくは後処理機械もしくは後処理設備８．１は、有利には、炭素と二酸化ケイ素とができるだけ均質に混合される混合ユニットおよび／または炭素と二酸化ケイ素とから成形体を製造するためのユニットを有している。成形体の製造は、たとえば顆粒化、タブレット化、パール化、ブリケット化または当業者によく知られた別の適当な手段によって行なわれ得る。こうして得られた製品は次いで８．２を介して還元炉６．１に供給される。この還元炉６．１では、炭素と二酸化ケイ素とから成る混合物が反応されて、高純度の元素のケイ素もしくはシリコンを形成する。このシリコンは取り出される（図示しない）。この反応の際には、副生成物として、とりわけ一酸化ケイ素、一酸化炭素および二酸化炭素が生じる。一酸化ケイ素ならびに一酸化炭素は、本発明によるプロセスにおいて有用な原料となるので、６．３を介して反応器４．１へ戻される。
物質流４．２，４．３は、別個の独立した管路システムとして形成されていてよいが、しかし物質流４．２からの炭素も、物質流４．３からの二酸化ケイ素も、反応器４．１から１つの管路で後処理装置８．１に移送することも可能である。
物質流４．２からの炭素もしくは物質流４．３からの二酸化ケイ素の粒度に応じて、後処理装置８．１において粉砕ステップをも実施することが有利になり得る。本発明による設備はこの場合には、粉砕装置を有している。粉砕、混合および成形体の製造は、後処理装置８．１においてそれぞれ別個のステップとして別個の機械で実施され得るが、しかし部分的にまたは完全に１つの機械で同時に実施することもできる。
本発明の別の変化形では、物質循環路への原料の供給が物質流７．２，４．４を経由して有利には連続的に行われる。この場合、物質流７．２を介して二酸化ケイ素、有利には高純度の二酸化ケイ素が供給され、物質流４．４を介して炭素源が供給される。反応器６．１からは、高純度のシリコンが取り出される（物質流は図示されていない）。本発明による設備の特別なケイ素循環路により、酸化物の形で導入されたケイ素がほぼ定量的に高純度のシリコンとして得られ、かつケイ素がその酸化物の形で廃棄物質として失われることがほとんどないことが確保される。図１および図１ａに示した実施形態に比べて、図２および図２ａに示した実施形態には、次のような利点がある。すなわち、原料である二酸化ケイ素および炭素が物質流４．２，４．３から後処理ユニット８．１を通って還元反応器６．１に、均質な混合物として最適な化学量論的量で供給され得る。これによって、かつ成形体の形状によっても、還元反応器６の効率を著しく改善し、そのエネルギ消費量を著しく減少させることができる。
炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器４．１としては、カーボンブラック、グラファイト、石炭または一般に炭素マトリックスを含有する化合物、たとえば炭化ケイ素を含有する炭素ならびに当業者にとって良く知られた相応する別の化合物を製造するための全ての反応器が挙げられる。本発明によれば、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器４．１はカーボンブラック（Carbon Black）を製造するか、または炭水化物を燃焼させかつ／または熱分解し、たとえば場合によっては二酸化ケイ素の存在で糖を熱分解するか、炭素を含有するマトリックスを、たとえば高純度の二酸化ケイ素の存在で製造するための反応器もしくは炉である。カーボンブラックを製造するための汎用の反応器は、燃焼器内の１２００℃から２２００℃を超えるまでのプロセス温度において運転される。カーボンブラックを製造するための最も良く知られた方法は、ランプブラック法、ファーネスブラック法、ガスブラック法、フレームブラック−アセチレンブラック法またはサーマルブラック法である。これに相応して、反応器４．１は有利には上に挙げた方法を実施するために設計されている。本発明による設備のためには、有利には、公知先行技術から知られている、カーボンブラックの製造または炭素を含有する化合物の熱的な反応のために使用される。このような反応器は当業者には十分に知られている。本発明によれば、反応器４．１として有利であるのはファーネスブラック反応器である。ファーネスブラック反応器には、きれいな、すなわちたとえば蒸留によって前精製されたオイル画分が供給される。この場合に重要となるのは、原料選択を決定する不純物含量である。
汎用の反応器タイプは一般に、カーボンブラック製造のために適している全ての炉を包含している。これらの炉は種々のバーナ技術を装備していてよい。その１例はヒュルス（Huels）のアーク炉（アーク）である。バーナの選択のためには、火炎内に高い温度を発生させたいのか、またはリッチな火炎を発生させたいのかが重要となる。ユニットとして反応器は以下のバーナを包含することができる：組み込まれた一体型の燃焼空気ブロワを備えたガスバーナ、スワール付与された空気流のためのガスバーナ、周面のランスによるガス供給部を備えたコンビネーションガスバーナ、高速バーナ、Ｓｃｈｏｐｐｅ型パルスバーナ、パラレル拡散バーナ（Paralleldiffusionsbrenner）、組み合わされたオイル・ガスバーナ、プッシャー炉バーナ（Stossofenbrenner）、蒸発オイルバーナ、空気噴霧装置または蒸気噴霧装置を備えたバーナ、フラットフレームバーナ、ガス加熱されたジャケットジェット管（Mantelstrahlrohre）、ならびにカーボンブラックを製造するために、または炭水化物、たとえば糖を、場合によっては二酸化ケイ素の存在で熱分解するために適した全てのバーナおよび反応器。「反応器４．１」とは、反応器全体あるいはまた反応器の一部であると解される。たとえば、反応器は反応チャンバ、燃焼ゾーン、混合ゾーン、反応ゾーンおよび／またはクエンチゾーンを包含する。本発明によれば、クエンチゾーンにおいてレキュペレータ、たとえば鋼管のクラウンを備えた放射型レキュペレータが使用される。
金属の化合物を還元するための反応器６．１、すなわち還元反応器は、特に有利にはアーク炉、電気的な溶融炉、熱的な反応器、誘導炉、溶融反応器または高炉である。極めて特に有利な実施形態では、反応器６．１および／または反応器４．１、有利には両反応器は、酸素の侵入が回避される程度に密に形成されている。
本発明による設備における管路６．３は、特に有利には熱ガス管路として設計され、この場合、この管路は、還元反応器６．１におけるシリコンの製造時に発生する高温のプロセスガスのガス状のケイ素酸化物の凝縮を十分に阻止する。高温のプロセスガスは通常、一酸化炭素、ケイ素酸化物および／または二酸化炭素を有している。ケイ素酸化物の凝縮は、突発的な崩壊の大きなリスクをはらんでいる。したがって、熱ガス管路の内側の表面は有利には、いわゆる「ブランケッティング（Beschleierung）」を備えている。このブランケッティングは熱ガス管路の内側の表面における前記凝縮を減少させ、有利には阻止する。ブランケッティングは、たとえば渦流の発生または当業者に既知の別の手段により行なわれ得る。ブランケッティングに対して択一的に、熱ガス管路６．３は随伴ヒータ部を備えていてよく、かつ／または前記面にわたって温度制御、特に反応性の温度増大のための空気ガス供給部を、有利には壁範囲に有していてよい。もちろん、熱ガス管路６．３はできるだけ短く形成されることが望ましい。すなわち、還元反応器からの廃ガス流６．３の出口と、炭素化合物を熱的に反応させるための反応器４．１内への入口とは、空間的にできるだけ互いに接近して配置されることが望ましい。相応する設備デザインは当業者によってその一般的な専門知識に基づいて実施され得る。
高温のプロセスガスの別の成分としては、とりわけ一酸化炭素およびケイ素酸化物が反応器４．１内へ移送される。基本となる方法では、反応生成物がシリコンの製造のために利用される場合、カーボンブラックの製造または炭水化物の熱分解のための反応器内へのケイ素酸化物の導入は妨害因子とならない。さらに、反応器４．１内への熱ガス管路６．３を経由した高温のプロセスガスからの一酸化炭素の導入は、必要とされる量の天然ガスまたはオイルまたは炭素源（４．４）としての糖の還元の他に、カーボンブラック原料または炭水化物を含有する化合物の燃焼時または熱分解時における熱ガスの平衡の好都合なシフトをも生ぜしめる。本発明による設備において可能にされた方法実施に基づき、シリコンを製造するための全体方法における一酸化炭素および／または二酸化炭素の著しい還元が併発する。
還元反応器６．１における還元ステップからの高温のプロセスガスの、反応器４．１への戻しならびに反応器４．１における炭素取得の副生成物として生じる二酸化ケイ素の、反応器４．１から還元反応器６．１への戻しにより、一方では、手間のかかる高価な別個の除塵設備を不要にすることができ、他方では、シリコンの収率を、公知先行技術の方法に比べて最大２０モル％だけ増大させることができる。なぜならば、形成されたケイ素酸化物が常にプロセス内に留まり、反応器６．１から所望の最終製品であるシリコンしか取り出されないからである。したがって、特別な物質流および特別な設備デザインを有する本発明による設備により、全体プロセスは使用されたケイ素酸化物に関するシリコンの収率向上をもたらすことができる。熱ガスの、導入された熱量変化（Waermetoenung）に基づき、たとえばカーボンブラック製造時の天然ガス量も同時に減少する。
特別な物質流の他に特別なエネルギ流も利用されると、高純度のシリコンを製造するための本発明による設備を一層効率良く運転することができる。以下の説明において、このエネルギ流について詳しく説明する。このエネルギ流は、本発明の有利な変化形において、以下に説明するエネルギ流と共に利用される、既に前で説明した物質流を補填する。図３〜図３ｉおよび図４〜図４ｈには、物質流が実線により、エネルギ流が破線によりそれぞれ描かれている。
本発明による設備の有利な変化形では、本発明の対象が、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器４．１を有する全体設備３；４である。この場合、この反応器４．１は熱電併給もしくはコジェネレーション（Kraft-Waerme-Kopplung）５．１に接続されており、このコジェネレーション５．１を介して、廃熱５．３の一部分は熱的な反応から分離され、廃熱の別の部分は電気的なエネルギ５．２に変換される。この設備はさらに、還元反応器６．１と、設備４内には物質流４．２，４．３を後処理するための装置／機械／設備８．１とを有している。さらに、設備３，４は、上で説明したように形成されている物質流４．２，４．３，４．４，６．３，７．２，８．２を有している。
この設備３ａ；４ａの有利な変化形では、分離された廃熱５．３が、装置７．１で二酸化ケイ素を製造するための方法において、特に二酸化ケイ素製造時の方法ステップにおいて利用される。特に有利には、この廃熱は間接的または直接的に、沈降ケイ酸またはケイ酸ゲルを形成するための沈降容器の加熱または温度制御のために、かつ／またはケイ素酸化物、特に沈降ケイ酸またはイオン交換器を介して精製されたケイ酸ゲルのような二酸化ケイ素の乾燥のために装置７．１で利用される。特に有利には、廃熱５．３は装置７．１に、図３ｂおよび図４ｂに図示されているように、熱交換器８を介して、有利には二次循環路内で案内される。択一的な有利な実施態様では、装置７．１におけるＳｉＯ２の直接的な乾燥が、過剰加熱された蒸気、つまり過熱された蒸気５．３によって行なわれ得る。低温蒸気５．３を用いて、接触乾燥器を運転することができる。
コジェネレーションからの取得された電気的なエネルギ５．２は、金属の化合物を還元するための反応器６．１へのエネルギ供給のために（設備３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ参照）、二酸化ケイ素の製造のために（設備３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ参照）、特に有利には沈降ケイ酸、熱分解法ケイ酸またはケイ酸ゲルの製造時に利用され得るか、かつ／または有利には沈降時の乾燥および／または温度制御のために、装置７．１において利用され得る。同じく、電気的なエネルギを、装置７．１において熱分解法ケイ酸を製造する際の炉の運転のために利用することも可能である。全体設備は、二酸化ケイ素生産およびカーボンブラック生産を１つの現場に設け、かつ場合によっては金属の化合物を還元するための反応器６．１を、電流回路網を介して別の場所に設けることを可能にする。さらに、コジェネレーション５．１において取得された電気的なエネルギの少なくとも一部を、エネルギ流５．４（図面には明示されていない）を介して後処理装置８．１に供給することも有利になり得る。
コジェネレーションのためには、当業者に良く知られている装置５．１または設備５．１を使用することができる。コジェネレーションは、熱機関利用発電所（thermisch. Waermekraftwerke）、すなわち火力発電所の純然たる電流取得よりも著しく良好な効率を有している。コジェネレーションの効率は、特に有利な事例では最大９０パーセントになり得る。この場合、コジェネレーションは本発明によれば、電流・熱案内されて運転されるだけでなく、単独で電流案内されてのみ、または熱案内されてのみでも運転され得る。コジェネレーションは一般に高温の水蒸気を用いて作動する。この水蒸気は蒸気タービンを駆動し、次いで、この蒸気タービンを介して電流発生が行われる。有利には二酸化ケイ素を製造するための方法において、たとえばケイ素酸化物の温度制御または乾燥のために、水蒸気を分離しかつ熱交換器内へ供給することは、一般に最後のタービン段の手前、つまり最後のタービン段の上流側で行われる。本発明による設備では、この分離が有利には最後のタービン段の背後、つまり最後のタービン段の下流側でも行われ得る。通常、たとえば沈降容器の温度制御またはケイ素酸化物、たとえば沈降ケイ酸またはケイ酸ゲルの乾燥は、熱交換器を介して、つまり二次循環路を介して行われる。また、前で説明したように、乾燥のための廃熱の直接的な利用も可能である。コジェネレーションは、カーボンブラック製造からの廃熱、たとえば有利にはクエンチゾーンまたは別の高熱の反応器部分からの廃熱を、たとえば熱交換器またはプロセス蒸気の直接的な利用を介して回収し、かつ／または水蒸気を形成するために働くことのできるテールガスの燃焼からの廃熱を回収することができる。有利には、コジェネレーションは蒸気を用いて運転される。テールガスはとりわけ水蒸気、水素、窒素、Ｃｘ、一酸化炭素、アルゴン、Ｈ２Ｓならびに二酸化炭素を含有している。有利には、コジェネレーションは背圧運転で作動する。これにより、蒸気回路プロセスにおいて熱損失は生じなくなる。これにより、一般に新しい冷却水の需要は生じなくなる。
本発明によれば、クエンチゾーンからの蒸気および／または５．１におけるテールガスの燃焼からの廃熱が廃熱５．３として利用され得る。特に有利には、過熱された蒸気５．３が、４．１からまたは５．１を介して直接に、二酸化ケイ素を製造するための方法において、特にケイ酸ゲルまたは沈降されたケイ酸のような二酸化ケイ素を直接に乾燥させるために利用され得る。付加的にまたは択一的に、低温蒸気を用いて、接触乾燥器（装置７．１）、たとえばプレート型乾燥器または有利には回転管型乾燥器を運転することができる。５．１からの取得された流れを用いて、有利には二酸化ケイ素を乾燥させるための一次乾燥器、特にノズルタワー型乾燥器（Duesenturmtrockner）またはスピンフラッシュ型乾燥器（Spinflashtrockner）を運転することができる。
同じく有利には、個々の設備部分からの廃熱の利用またはカーボンブラック製造のテールガスの燃焼からの廃熱の利用も、熱交換器８によって二次循環路を介して行なわれ、これにより高純度のカーボンブラック、炭素を含有する化合物または高純度のケイ素酸化物、特に二酸化ケイ素の、別の不純物、たとえば別の金属による汚染が阻止される。
本発明によれば、カーボンブラック生産およびケイ素酸化物、特に沈降ケイ酸もしくはケイ酸ゲルの製造を、１つの生産工場で、あるいはまた１つの共通の設備で実施することが可能になる。なぜならば、カーボンブラックと、シリコン、特にソーラシリコンを反応器６．１で製造するためのケイ素酸化物との、起こり得る相互汚染が、この全体プロセスにとっては問題にはならないからである。このような組合せはこれまでは考えられなかった。なぜならば、二酸化ケイ素によるカーボンブラックの汚染もしくはカーボンブラックによる二酸化ケイ素の汚染は回避されなければならなかったからである。この場合に基本となる、ケイ素酸化物、特に二酸化ケイ素とカーボンブラックおよび／または熱分解された炭水化物からシリコンを製造するための方法では、ケイ素酸化物が反応器６．１内で還元されてシリコンを形成するので、この特殊な用途のために、高純度のカーボンブラック、高純度の熱分解された炭水化物または高純度の二酸化ケイ素の相互汚染は妨害因子にならない。
本発明による設備を、ソーラシリコンの製造のために使用したい場合、物質流４．４，７．２により供給された原料は高純度の形で提供されなければならず、そしてこれらの原料は、不純物のための以下の限界値を超えてはならない：
・ アルミニウム最大１０ｐｐｍ、有利には０．００１〜１ｐｐｍ、特に有利には０．０１〜０．８ｐｐｍ、極めて特に有利には０．０２〜０．６ｐｐｍ、特別に有利には０．０５〜０．５ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．１〜０．５ｐｐｍ、
・ ホウ素最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には最大０．１ｐｐｍ、極めて特に有利には０．００１〜０．０９９ｐｐｍ、特別に有利には０．００１〜０．０９ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．０８ｐｐｍ、
・ カルシウム最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．３ｐｐｍに等しいかまたはそれよりも小さい、つまり０．３ｐｐｍ以下、特別に有利には０．００１〜０．３ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．３ｐｐｍ、殊に有利には０．０５〜０．２ｐｐｍ、
・ 鉄最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．６ｐｐｍ以下、特別に有利には０．００１〜０．６ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０５〜０．５ｐｐｍ、殊に有利には０．０１〜０．４ｐｐｍ、
・ ニッケル最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．５ｐｐｍ以下、特別に有利には０．００１〜０．５ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．５ｐｐｍ、殊に有利には０．０５〜０．４ｐｐｍ、
・ リン最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．１ｐｐｍよりも小さい、極めて特に有利には０．００１〜０．０９９ｐｐｍ、特別に有利には０．００１〜０．０９ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．０８ｐｐｍ、
・ チタン最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には１ｐｐｍ以下、極めて特に有利には０．００１〜０．８ｐｐｍ、特別に有利には０．０１〜０．６ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．１〜０．５ｐｐｍ、
・ 亜鉛最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．３ｐｐｍ以下、極めて特に有利には０．００１〜０．３ｐｐｍ、特別に有利には０．０１〜０．２ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０５〜０．２ｐｐｍ。
・ アルミニウム最大１０ｐｐｍ、有利には０．００１〜１ｐｐｍ、特に有利には０．０１〜０．８ｐｐｍ、極めて特に有利には０．０２〜０．６ｐｐｍ、特別に有利には０．０５〜０．５ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．１〜０．５ｐｐｍ、
・ ホウ素最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には最大０．１ｐｐｍ、極めて特に有利には０．００１〜０．０９９ｐｐｍ、特別に有利には０．００１〜０．０９ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．０８ｐｐｍ、
・ カルシウム最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．３ｐｐｍに等しいかまたはそれよりも小さい、つまり０．３ｐｐｍ以下、特別に有利には０．００１〜０．３ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．３ｐｐｍ、殊に有利には０．０５〜０．２ｐｐｍ、
・ 鉄最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．６ｐｐｍ以下、特別に有利には０．００１〜０．６ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０５〜０．５ｐｐｍ、殊に有利には０．０１〜０．４ｐｐｍ、
・ ニッケル最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．５ｐｐｍ以下、特別に有利には０．００１〜０．５ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．５ｐｐｍ、殊に有利には０．０５〜０．４ｐｐｍ、
・ リン最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．１ｐｐｍよりも小さい、極めて特に有利には０．００１〜０．０９９ｐｐｍ、特別に有利には０．００１〜０．０９ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０１〜０．０８ｐｐｍ、
・ チタン最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には１ｐｐｍ以下、極めて特に有利には０．００１〜０．８ｐｐｍ、特別に有利には０．０１〜０．６ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．１〜０．５ｐｐｍ、
・ 亜鉛最大１０ｐｐｍ、有利には最大１ｐｐｍ、特に有利には０．３ｐｐｍ以下、極めて特に有利には０．００１〜０．３ｐｐｍ、特別に有利には０．０１〜０．２ｐｐｍ、極めて特別に有利には０．０５〜０．２ｐｐｍ。
物質流７．２により供給されたＳｉＯ２は、無定形または結晶性のＳｉＯ２であってよく、有利には無定形のＳｉＯ２であり、特に有利には沈降ケイ酸、ケイ酸ゲル、たとえばエアロゲルまたはキセロゲル、熱分解法ケイ酸、沈降ケイ酸、ケイ酸ゲルおよび熱分解法ケイ酸の混合形態または混合物である。特に有利には、以下のステップを包含する方法により製造された二酸化ケイ素であってよい：
ａ．２よりも小さい、有利には１．５よりも小さい、特に有利には１よりも小さい、極めて特に有利には０．５よりも小さいｐＨ価を有する酸性化剤から成る装入物を製造し、
ｂ．１〜１００００ポアズの粘度を有するケイ酸塩溶液を準備し、
ｃ．ステップｂからのケイ酸塩溶液を、ステップａからの装入物に添加し、この場合、得られた沈降懸濁液のｐＨ価がいつでも２よりも小さい値、有利には１．５よりも小さい値、特に有利には１よりも小さい値、極めて特別に有利には０．５よりも小さい値に留まるようにし、
ｄ．得られた二酸化ケイ素を分離しかつ洗浄し、この場合、洗浄媒体は、２よりも小さいｐＨ価、有利には１．５よりも小さいｐＨ価、特に有利には１よりも小さいｐＨ価、極めて特別に有利には０．５よりも小さいｐＨ価を有し、
ｅ．得られた二酸化ケイ素を乾燥させる。
ａ．２よりも小さい、有利には１．５よりも小さい、特に有利には１よりも小さい、極めて特に有利には０．５よりも小さいｐＨ価を有する酸性化剤から成る装入物を製造し、
ｂ．１〜１００００ポアズの粘度を有するケイ酸塩溶液を準備し、
ｃ．ステップｂからのケイ酸塩溶液を、ステップａからの装入物に添加し、この場合、得られた沈降懸濁液のｐＨ価がいつでも２よりも小さい値、有利には１．５よりも小さい値、特に有利には１よりも小さい値、極めて特別に有利には０．５よりも小さい値に留まるようにし、
ｄ．得られた二酸化ケイ素を分離しかつ洗浄し、この場合、洗浄媒体は、２よりも小さいｐＨ価、有利には１．５よりも小さいｐＨ価、特に有利には１よりも小さいｐＨ価、極めて特別に有利には０．５よりも小さいｐＨ価を有し、
ｅ．得られた二酸化ケイ素を乾燥させる。
この場合、有利にはステップａ）において沈降容器内で、酸性化剤から成る装入物または酸性化剤と水とから成る装入物が製造される。水は、有利には蒸留された水またはＶＥ水（脱イオン水）である。酸性化剤は、ステップｄにおいても濾過ケークの洗浄のために使用される酸性化剤であってよい。酸性化剤は、濃縮された形または希釈された形の塩酸、リン酸、硝酸、硫酸、クロロスルホン酸、塩化スルフリルまたは過塩素酸または前で挙げた酸の混合物であってよい。特に、塩酸、有利には２〜１４Ｎ、特に有利には２〜１２Ｎ、極めて特に有利には２〜１０Ｎ、特別に有利には２〜７Ｎ、極めて特別に有利には３〜６Ｎ、リン酸、有利には２〜５９Ｎ、特に有利には２〜５０Ｎ、極めて特に有利には３〜４０Ｎ、特別に有利には３〜３０Ｎ、極めて特別に有利には４〜２０Ｎ、硝酸、有利には１〜２４Ｎ、特に有利には１〜２０Ｎ、極めて特に有利には１〜１５Ｎ、特別に有利には２〜１０Ｎ、硫酸、有利には１〜３７Ｎ、特に有利には１〜３０Ｎ、極めて特に有利には２〜２０Ｎ、特別に有利には２〜１０Ｎが使用され得る。極めて特に有利には、濃縮された硫酸が使用される。
この方法の有利な変化形では、ステップａ）において装入物内に、酸性化剤の他に過酸化物が添加される。この過酸化物はチタン（ＩＶ）イオンと共に酸性の条件下に、黄／茶色の着色を生ぜしめる。過酸化物は特に有利には過酸化水素またはペルオキソ二硫酸カリウムである。反応溶液の黄／茶色の着色により、洗浄ステップｄ）における精製の度合いを決めて良好に感知することができる。つまり、他ならぬチタンこそが、既に２を越えるｐＨ価において容易に二酸化ケイ素に付着する極めて頑固な不純物であることが判った。ステップｄ）における黄色の着色の消滅は一般に、二酸化ケイ素の所望の純度が達成されていて、この時点から、二酸化ケイ素の有利には中性のｐＨ価が達成されるまで、二酸化ケイ素が、蒸留された水またはＷＥ水を用いて洗浄され得ることを意味する。過酸化物のこのような指示機能を達成するためには、過酸化物をステップａ）ではなく、ステップｂ）において水ガラスに添加するか、またはステップｃ）において第３の物質流として添加することも可能である。原則的には、ステップｃ）の後でかつステップｄ）の前にはじめて、またはステップｄ）中に、過酸化物を添加することも可能である。前で挙げた全ての変化形ならびにこれらの混合形態が、本発明の対象である。しかし、有利には、過酸化物がステップａ）またはｂ）において添加されるような変化形が有利である。なぜならば、この場合には、過酸化物が指示機能の他に別の機能を発揮し得るからである。
この方法の第１の有利な変化形では、ステップｂ）において０．１〜２ポアズ、有利には０．２〜１．９ポアズ、特に０．３〜１．８ポアズ、特別に有利には０．４〜１．６ポアズ、極めて特別に有利には０．５〜１．５ポアズの粘度を有するケイ酸塩溶液が準備される。ケイ酸塩溶液としては、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属のケイ酸塩溶液が使用され得る。有利には、アルカリ金属のケイ酸塩溶液、特に有利にはケイ酸ナトリウム（水ガラス）および／またはケイ酸カリウム溶液が使用される。複数種のケイ酸塩溶液の混合物を使用することもできる。アルカリ金属のケイ酸塩溶液には、アルカリイオンが洗出によって容易に分離され得るという利点がある。ステップｂ）において使用されるケイ酸塩溶液は、１．５〜４．５、有利には１．７〜４．２、特に有利には２〜４．０の二酸化ケイ素に対する金属酸化物のモジュール、つまり重量比を有している。粘度は、たとえば市販のケイ酸塩溶液を濃縮するか、またはケイ酸塩を水に溶かすことによって調節され得る。
この方法の第２の有利な変化形では、ステップｂ）において、２〜１００００ポアズ、有利には３〜５０００ポアズ、特に４〜１０００ポアズ、特別に有利には４〜８００ポアズ、極めて特別に有利には４〜１００ポアズ、殊に有利には５〜５０ポアズの粘度を有するケイ酸塩溶液が準備される。高い粘度を有する高濃縮された水ガラスのための１例は、「Ｕｌｌｍａｎｎｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」、改訂されかつ拡張された第４版、第２１巻（出版社Verlag Chemie GmbH社、D-6940 Weinheim、１９８２年）第４１１頁）に記載されているような、１．６９０〜１．７１０の密度、３６〜３７重量％のＳｉＯ２含量、１７．８〜１８．４重量％のＮａ２Ｏ含量、約６００ポアズの２０℃での粘度を有する水ガラス５８／６０である。上記文献には、同じく高粘性の水ガラスを製造するための一般的なガイダンスも認められる。別の例は、５００ポアズの粘度、５８〜６０のボーメ度（Graedigkeit）、１．６７〜１．７１の密度、１８％のＮａ２Ｏ含量、３７．０％のＳｉＯ２含量および約４５．０％の含水量、約２．０５のＳｉＯ２／ＮａＯの重量比および約２．１のＳｉＯ２／ＮａＯのモル比を有する、ＶＡＮ ＢＡＥＲＬＥ ＣＨＥＭＩＳＣＨＥ ＦＡＢＲＩＫ社（Gernsheim、ドイツ連邦共和国在）の水ガラスである。
ＰＱ−Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社により、たとえば１５および２１ポアズの粘度を有する水ガラスが提供されている。当業者には、粘度の低いケイ酸塩溶液を濃縮するか、または固形のケイ酸塩を水中に溶かすことによって、高濃縮されたケイ酸塩溶液を製造することができることが知られている。ケイ酸塩溶液としては、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属のケイ酸塩溶液が使用され得る。有利には、アルカリ金属のケイ酸塩溶液、特に有利にはケイ酸ナトリウム（水ガラス）および／またはケイ酸カリウム溶液が使用される。複数種のケイ酸塩溶液の混合物を使用することもできる。アルカリ金属のケイ酸塩溶液には、アルカリイオンが洗出によって容易に分離され得るという利点がある。ステップｂ）において使用されたケイ酸塩溶液は、１．５〜４．５、有利には１．７〜４．２、特に有利には２〜４．０の二酸化ケイ素に対する金属酸化物のモジュール、つまり重量比を有している。粘度は、たとえば市販のケイ酸塩溶液を濃縮するか、またはケイ酸塩を水に溶かすことによって調節され得る。
この方法のステップｃ）において、ケイ酸塩溶液は前記装入物中に添加され、したがって二酸化ケイ素が沈降される。この場合、酸性化剤が常に過剰量で供給されるように配慮されなければならない。したがって、ケイ酸塩溶液の添加は、反応溶液のｐｈ価が常に２よりも小さい、有利には１．５よりも小さい、特に有利には１よりも小さい、極めて特に有利には０．５よりも小さい、特別に有利には０．０１〜０．５であるように行われる。必要に応じて、別の酸性化剤を添加することができる。反応溶液の温度は、ケイ酸塩溶液の添加の間、沈降容器の加熱または冷却によって２０〜９５℃、有利には３０〜９０℃、特に有利には４０〜８０℃に保持される。
ケイ酸塩溶液が液滴の形で装入物および／または沈降懸濁液に流入すると、特に良好に濾過可能な沈殿物が得られる。したがって、本発明の有利な実施態様では、ケイ酸塩溶液が液滴の形で装入物および／または沈降懸濁液に流入するように配慮される。このことは、たとえば、ケイ酸塩溶液が滴下によって装入物に導入されることにより達成され得る。この手段は、装入物／沈降懸濁液の外部に設けられた調量ユニットおよび／または装入物／沈降懸濁液中に浸漬した調量ユニットであってよい。
別の特に有利な実施態様では、反応表面の下１０ｃｍまで達する反応溶液の表面の範囲において測定された流速が、０．００１〜１０ｍ／ｓ、有利には０．００５〜８ｍ／ｓ、特に有利には０．０１〜５ｍ／ｓ、極めて特に０．０１〜４ｍ／ｓ、特別に有利には０．０１〜２ｍ／ｓ、極めて特別に有利には０．０１〜１ｍ／ｓとなるように装入物／沈降懸濁液が案内される。
ＳｉＯ２のための前記製造方法の１実施態様では、ケイ酸塩溶液が、液滴の形で装入物／沈降懸濁液中に、反応表面の下１０ｃｍまでに達する反応溶液の表面の範囲において測定された、０．００１〜１０ｍ／ｓ、有利には０．００５〜８ｍ／ｓ、特に有利には０．０１〜５ｍ／ｓ、極めて特に０．０１〜４ｍ／ｓ、特別に有利には０．０１〜２ｍ／ｓ、極めて特別に有利には０．０１〜１ｍ／ｓの流速で導入される。こうして、さらに、極めて良好に濾過することのできる二酸化ケイ素粒子を形成することが可能になる。これとは異なり、装入物／沈降懸濁液中の高い流速が生ぜしめられる方法では、極めて微細な粒子が形成され、このような粒子は極めて不良にしか濾過され得ない。
ステップｃ）後に得られた二酸化ケイ素は、この方法ではステップｄ）において沈降懸濁液の残りの成分から分離される。このことは、沈殿物の濾過可能性に応じて、当業者に知られた慣用の濾過技術、たとえばフィルタプレスまたは回転フィルタによって行なわれ得る。難濾過性の沈殿物の場合、分離は遠心分離および／または沈降懸濁液の液状成分のデカンテーション（Abdekantieren）により行われ得る。
上澄み液の分離後に、沈殿物はこの方法において洗浄される。この場合、適当な洗浄媒体により、洗浄中の洗浄媒体のｐＨ価、ひいては二酸化ケイ素のｐＨ価も、２よりも小さい、有利には１．５よりも小さい、特に有利には１よりも小さい、極めて特に有利には０．５、特別に有利には０．００１〜０．５となることが確保され得る。洗浄媒体としては、有利にはステップａ）およびｃ）において使用された酸性化剤またはその混合物が、希釈された形または希釈されていない形で使用される。
選択的に（必要でない場合でも）、洗浄媒体にキレート試薬（Chelatisierungsreagenz）を添加するか、またはキレート試薬を含有する、２よりも小さいｐＨ価、有利には１．５よりも小さいｐＨ価、特に有利には１よりも小さいｐＨ価、極めて特に有利には０．５よりも小さいｐＨ価、特別に有利には０．００１〜０．５の相応するｐＨ価を有する洗浄媒体中で、沈降した二酸化ケイ素を攪拌することが可能である。有利には、洗浄は酸性の洗浄媒体を用いて、ただし、別のステップを実施することなしに、二酸化ケイ素沈殿物の分離の直後に行われる。
洗浄は、ステップｃ）後の二酸化ケイ素と、洗浄媒体とから成る洗浄懸濁液が視覚的に黄色着色をもはや示さなくなるまで続けられる。本発明による方法が、ステップａ）〜ｄ）において、Ｔｉ（ＩＶ）イオンと共に黄色／オレンジ色に着色された化合物を形成する過酸化物の添加なしに実施されると、各洗浄ステップにおいて、洗浄懸濁液の小さな試料が取り出されなければならず、そしてこの試料に、相応する過酸化物が添加されなければならない。この過程は、取り出された試料が過酸化物の添加後に視覚的に黄色／オレンジ色着色をもはや示さなくなるまで続けられる。この場合、洗浄媒体のｐＨ価、ひいては二酸化ケイ素のｐＨ価が、この時点にまで２よりも小さくなる、有利には１．５よりも小さくなる、特に有利には１よりも小さくなる、極めて特に有利には０．５になる、特別に有利には０．００１〜０．５になることが確保され得る。
こうして洗浄された二酸化ケイ素は、有利には中間ステップｄ１）において、つまりステップｄ）とステップｅ）との間において、蒸留水またはＶＥ水（脱イオン水）を用いてさらに洗浄され、この場合、この洗浄は、得られた二酸化ケイ素のｐＨ価が４〜７．５となり、かつ／または洗浄懸濁液の導電率が９μＳ／ｃｍ以下、有利には５μＳ／ｃｍ以下となるまで行われる。これにより、場合によっては二酸化ケイ素に付着していた酸残分が十分に除去されたことが確保される。
難濾過性もしくは難洗浄性の沈殿物の場合には、細目の篩ケージ内で下方から洗浄媒体を沈殿物に流過させることによって洗浄を実施することが有利になり得る。
全洗浄ステップは、有利には１５〜１００℃の温度で実施され得る。
過酸化物の指示効果（黄色／オレンジ色着色）を確保するためには、黄色／オレンジ色着色がもはや検知され得なくなるまで洗浄媒体と共に別の過酸化物を添加し、その後にはじめて過酸化物なしで洗浄媒体によってさらに洗浄することが好都合になり得る。
こうして得られた高純度の二酸化ケイ素は、乾燥させられ、かつ引き続き後処理され得る。乾燥は当業者に知られている全ての方法、たとえばバンド乾燥器、シェルフ乾燥器もしくは箱形乾燥器、ドラム乾燥器等を用い行なわれ得る。
乾燥された二酸化ケイ素を粉砕し、これにより、ソーラシリコンを得るための後処理のために最適となる粒子スペクトルを得ることが推奨される。本発明における二酸化ケイ素の選択的な粉砕のための技術は、当業者に知られていて、たとえば「Ｕｌｌｍａｎｎ」、第５版、Ｂ２、５〜２０に詳しく説明されている。有利には、粉砕は流動カウンタジェットミルにおいて行なわれ、これにより高純度の二酸化ケイ素がミル壁からの金属摩耗物によって汚染されることが最小限に抑えられるか、もしくは回避される。ミルパラメータは、得られた粒子が、１〜１００μｍ、有利には３〜３０μｍ、特に有利には５〜１５μｍの平均粒度ｄ５０を有するように選択される。
前で説明した、二酸化ケイ素を製造するための方法は、装置７．１において実施され得る。すなわち、この場合には、装置７．１が、前で説明した方法を実施するために必要となる全ての設備部分を有している。しかし、装置７．１自体が、設備の一部、たとえば沈降またはゲル形成のための沈降容器および／または乾燥器であるに過ぎないことも可能である。この場合、この装置において、前で説明したＳｉＯ２製造方法が実施される。ただし、念のため付言しておくと、本発明は上で説明した方法に限定されるものではなく、特にＳｉＯ２が熱分解法ケイ酸またはケイ酸ゲルである場合には、ＳｉＯ２を別の方法によっても製造することができる。
本発明のさらに別の対象は、図３ｅ、図３ｆ、図４ｅ、図４ｆに示したような全体設備である。この全体設備では、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための第１の反応器４．１が、コジェネレーション５．１に接続されており、このコジェネレーション５．１を介して、廃熱５．３の一部分が反応器４．１における熱的な反応から分離され、廃熱の別の部分は電気的なエネルギ５．２へ変換され得る。この場合、分離された廃熱５．３は特に二酸化ケイ素を製造するための方法において、装置７．１で利用される。この場合、装置７．１は二酸化ケイ素を製造するための設備の一部を成すことができる。有利には、廃熱５．３または廃熱流５．３が沈降容器の温度制御のために、かつ／またはケイ素酸化物、特に二酸化ケイ素、たとえば沈降ケイ酸、ケイ酸ゲルまたはイオン交換器を介して精製されたケイ酸を乾燥させるために、装置７．１において利用され得る。この場合、分離された廃熱は、特に直接に（図３ｅまたは図４ｅ参照）または図３ｆおよび図４ｆに図示されているように熱交換器８によって装置７．１に供給される。電気的なエネルギ５．２は、金属の化合物を還元するための第２の反応器６．１へのエネルギ供給のために、または二酸化ケイ素を製造するための方法において、特に装置７．１のために利用される。図３ｅおよび図３ｆに示した実施形態では、エネルギ流５．２が装置７．１に案内されている。しかし、設備３ｅ，３ｆは、エネルギ流５．２が反応器６．１へ、または一部は装置７．１へかつ一部は反応器６．１へ案内されるように変えることもできる（図示しない）。同様に、図４ｅ，図４ｆには、反応器６．１へのエネルギ流５．２しか図示されていない。設備４ｅ，４ｆも、エネルギ流５．２が反応器７．１へ、または一部は反応器６．１へかつ一部は反応器７．１へ案内されるように変えることができる（図示しない）。
付加的に、設備３ｅ，３ｆ，４ｅ，４ｆまたは前で説明した変化形においては、金属の化合物を還元するための反応器６．１から廃熱６．２が、二酸化ケイ素を製造するための方法において、たとえば温度制御または二酸化ケイ素の乾燥のために装置７．１において利用される。したがって、設備３ｅ，３ｆ，４ｅ，４ｆもしくは前で説明した変化形では、反応器４．１，６．１からの廃熱流が、一緒なって装置７．１の運転のために使用される。
エネルギ収支を一層最適化するためには、金属の化合物を還元するための反応器６．１の廃熱６．２が装置７．１で利用されると有利であり、特にこの廃熱６．２は熱交換器８（図３ｅ，図３ｆ，図４ｅ，図４ｆには図示されていない）を介して、または前で説明したこれらの変化形を介して、反応器６．１から装置７．１内へ移送される。このことは、反応器６．１の廃熱、特に廃熱流６．２が装置７．１に接続されていることにより行われ得る。
これまで説明した方法変化形に対して付加的にまたは択一的に、反応器６．１からの高温のプロセスガスの一部、有利には反応器４．１においてこれ以上利用され得ない部分、すなわちＣＯおよびＳｉＯを有しない部分を、熱ガス管路６．３を介してコジェネレーション５．１内へ、または熱的な火力発電所５．１内へ導入することが可能である。有利には、熱ガス管路６．３が、金属の化合物を還元するための反応器６．１をコジェネレーション５．１もしくは火力発電所５．１に、特に反応器６．１からの高温のプロセスガスを蒸気発生のために５．１内へ移送するために接続している。
択一的な実施態様によれば、本発明の対象は、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための第１の反応器４．１を備えた本発明による設備である。この場合、この反応器４．１はコジェネレーション５．１に接続されており、このコジェネレーション５．１を介して廃熱５．３の一部分が熱的な反応から分離され、かつ／または廃熱の別の部分が機械的または電気的なエネルギ５．２へ変換されるか、または第１の反応器４．１が火力発電所５．１に接続されていて、この火力発電所５．１を介して廃熱が機械的または電気的なエネルギ５．２へ変換される。取得された電気的なエネルギは、公共の電流回路網へ供給され得るか、または内部で電流供給のために、または本発明によればシリコン製造時の還元反応器６．１の運転のために、またはケイ素酸化物、有利には沈降ケイ酸または熱分解法ケイ酸またはケイ酸ゲルの製造のために、沈降ケイ酸およびケイ酸ゲルにおいては特に有利には沈降容器の乾燥または加熱のために使用され得る。分離された廃熱は、遠隔暖房熱網に供給され得る。この場合、廃熱を、熱交換器を介して、二酸化ケイ素を製造するための方法において、たとえばケイ素酸化物、特に二酸化ケイ素の温度制御または乾燥のための方法において、シリコンの製造の際に引き続き使用するために利用することが有利である。
さらに別の択一的な実施態様では、組合せが規定されている。この組合せでは、本発明による設備、たとえば設備３ａ，３ｂ，３ｇ，４ａまたは４ｂが、部分設備として、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための第１の反応器４．１を有しており、この場合、この反応器はコジェネレーション５．１に接続されていてよく、このコジェネレーション５．１を介して廃熱の一部分５．３が熱的な反応から分離され、かつ／または廃熱の別の部分が、機械的または電気的なエネルギ５．２へ変換され得るか、または前記第１の反応器４．１が火力発電プラントもしくは火力発電所５．１に接続されており、この火力発電所を介して廃熱が機械的または電気的なエネルギ５．２へ変換され、そしてこの電気的なエネルギ５．２は、金属の化合物を還元するための第２の反応器６．１、特にアーク炉６．１、電気的な溶融炉、熱的な反応器、誘導炉、溶融反応器または高炉へのエネルギ供給のために、有利にはシリコンの製造のために、あるいはまた二酸化ケイ素の製造時における装置７．１へのエネルギ供給のためにも、たとえば沈降容器の温度調節のために、ＳｉＯ２のようなケイ素酸化物の乾燥のために、あるいはまた熱分解法ケイ酸を製造するための炉の運転のためにも利用される。
当業者であれば、５．１を、廃熱５．３または電気的なエネルギ５．２だけが利用されるか、またはあらゆる混合形態が利用されるようにも運転することができることが分かる。この場合、分離された廃熱５．３は装置７．１にまで案内され、特に廃熱５．３は熱交換器８を介して伝達されるか、または直接に過熱された蒸気として利用され、有利には装置７．１が、ケイ素酸化物を製造するための設備の一部である。
本発明による設備が、金属の化合物を還元するための反応器６．１からの高温のプロセスガスを熱ガス管路６．３を介して、炭素を熱的に反応させるための反応器４．１へ供給するための供給管路６．３と、金属の化合物を還元するための反応器６．１の廃熱６．２を、二酸化ケイ素の製造のための方法において（たとえば図３ｅ、図３ｆ、図４ｅ、図４ｆ参照）、たとえば装置７．１における沈降容器の温度制御のために、または二酸化ケイ素の乾燥の際に利用するための部分とを備えて構成されていると、特に廃熱６．２は特に有利には熱交換器８（図３ｅ、図３ｆ、図４ｅ、図４ｆには図示しない）を介して反応器６．１から装置７．１へ移送される。
装置７．１は全ての設備において、ＳｉＯ２の沈降またはゲル形成のための沈降容器であり、かつ／または乾燥器、トンネル炉、回転管炉、回転火格子炉（Drehrostofen）、流動床、回転テーブル炉、循環式の流動層装置、連続炉および／または熱分解のための炉であってよい。すなわち、間接的または直接的に反応器４．１において、たとえば水、有利にはＶＥ水（脱イオン水）または蒸留水を用いたクエンチングによって反応器４．１の廃熱から、または反応器４．１からのテールガスの燃焼を介して取得される、有利には直接に過熱された蒸気５．３を、二酸化ケイ素を乾燥させるために使用することができる。
低温蒸気５．３を用いると、接触乾燥器７．１、たとえばプレート型乾燥器または特に有利には回転管型乾燥器の運転が可能となる。５．１を介して取得された流れ５．２は、直接に一次乾燥器の運転のために使用され得る。このことは、有利にはノズルタワー型乾燥器またはスピンフラッシュ型乾燥器である。当業者にとっては、前で挙げた乾燥器タイプは例示的に挙げられたものであるに過ぎず、別の汎用の乾燥器も使用され得ることは明らかである。
反応器４．１または６．１に関して云えることは、これらの反応器において発生した廃熱の全部あるいはまた一部、たとえば反応器４．１における反応ゾーン、高温の反応器部分、水、有利にはＶＥ水または蒸留水を用いたクエンチングによる蒸気からの廃熱の全部あるいはまた一部、または反応生成物の廃熱、たとえばガスまたは別の物質流の廃熱も、本発明によれば、利用された廃熱として理解されるべきである。本発明によれば、特に残留ガス（テールガス）が燃焼され、形成された廃熱が、本発明による設備において利用される。
有利には、当該設備が連続的に２４時間、週７日間で働くので、廃熱の利用も、直接にまたは熱交換器８を介して、連続的な循環プロセスにおいて、特に一次循環路および／または二次循環路を介して行われる。これによって得られるエネルギ節約は、７．１からの乾燥された二酸化ケイ素１キログラム当たり１〜１０ｋＷｈ、有利には２〜６ｋＷｈであり、特に有利には約２ｋＷｈであってよい。当業者にとっては、それぞれ得られたエネルギ収支が直接的に残留湿分および利用された乾燥装置ならびに別のプロセスパラメータに関連しているので、上で挙げた値は基準値でしかないと理解され得る。６．１においてそれぞれ１キログラムの二酸化ケイ素を還元して溶融液状のシリコンを形成するために、カーボンブラック１キログラム当たり約１〜１０ｋＷｈ、有利には５ｋＷｈの取得された電気的なエネルギが利用されると、二酸化ケイ素を製造するための方法と関係付けて、１〜１０ｋＷｈ、特に４〜９ｋＷｈの節約ポテンシャルが生じる。約１キログラムの溶融液状のシリコンを製造するためには、エネルギ節約量が５ｋＷｈ〜２０ｋＷｈへ増大し得る。特にこのエネルギ節約量は、二酸化ケイ素およびカーボンブラックの製造ならびにそのシリコンへの変換を包含する全体プロセスを見ると、約１７ｋＷｈの範囲に位置し得る。
別の有利な実施形態では、図３ｅ、図３ｆ、図４ｅ、図４ｆに図示されているように、廃熱６．２が、廃熱５．３と一緒に、装置７．１のための二酸化ケイ素の製造のための方法において、有利には二酸化ケイ素、特に沈降ケイ酸またはケイ酸ゲルもしくはイオン交換器によって精製された沈降ケイ酸またはケイ酸ゲルの温度調節または乾燥のために利用され得る。有利には、廃熱６．２および／または廃熱５．３の利用が、１つまたは複数の熱交換器８を介してケイ酸を乾燥させるために行われる（図３ｅ、図３ｆ、図４ｅ、図４ｆには図示されていない）。装置７．１は全ての設備において、二酸化ケイ素を製造するための設備の一部であってよい。
熱交換器８は有利には、二酸化ケイ素、特に高純度の二酸化ケイ素の汚染を阻止するために使用される。この熱交換器では、二次循環路によって反応器６．１からの廃熱が、二酸化ケイ素の製造のための方法、たとえば二酸化ケイ素の乾燥または沈降容器の温度調節のために利用される。通常、熱交換器および／または廃熱の供給管路および導出管路においては、媒体として水、汎用の冷却液または当業者に十分に知られた別の媒体が使用される。
有利な設備３ｈ，３ｉ，４ｇまたは４ｈは、金属の化合物を還元するための反応器６．１からの廃熱６．２を、装置７．１における二酸化ケイ素の製造のための方法において、特に沈降容器７．１またはケイ素酸化物を乾燥させるための乾燥器７．１の温度調節のために単独利用することをも規定している。特に設備３ｉまたは４ｈは、反応器６．１からの廃熱６．２が熱交換器８を介して装置７．１内へ熱交換器８によって案内されるように構成可能である。
もちろん、特に反応器、沈降容器および／または乾燥器であってよい装置７．１はケイ素酸化物を製造するための部分設備または全体設備の一部でしかなく、上流側および／または下流側において別の設備もしくは別の装置に接続されているか、または接続可能であり、これによりたとえば、不純化されたケイ酸塩から高純度の二酸化ケイ素を製造することができる。
特に供給管路７．２も、全ての設備において、反応器内への直接的または間接的な供給管路であるか、もしくは反応器６．１内への物質流として解釈され得る。すなわち、７．１において乾燥された二酸化ケイ素は、反応器６．１に供給される前に、有利にはなお別の処理ステップに施与され得る。このことは、特に粉砕、成形、ブリケット化である。これらのステップにおいても、５．２による電気的なエネルギ流を使用することができる。
本発明によれば、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器４．１の廃熱は、特にコジェネレーションまたは火力発電所によって電気的なエネルギを形成するために使用される。廃熱としては、テールガスの廃熱ならびにテールガスの燃焼により生じる廃熱も該当する。この場合、廃熱の全てまたはその一部が、特に直接的または間接的に、二酸化ケイ素を製造するための方法において、たとえば温度調節または乾燥のために利用されると特に有利である。有利には、４．１および／または５．１からの過熱された蒸気を乾燥または温度調節のために利用することができる。
このような、本発明により組み合わされた廃熱使用は、これまで当業者にとっては考えられなかった。なぜならば、起こり得る相互汚染が、プロセス実施における大きな問題を招くと考えられていたからである。水性系内または水性系から精製された二酸化ケイ素およびカーボンブラックまたは高純度のシリコンを製造するための熱分解された炭水化物の一緒の使用によりはじめて、廃熱もしくは熱的なエネルギのこのような組み合わされた共同利用が可能となる。
取得された電気的なエネルギは、有利には、金属の化合物を還元するための反応器６．１を運転するために、または装置７．１を運転するために、二酸化ケイ素を製造するための方法において、有利には乾燥器、たとえば一次乾燥器、シリコンの製造のための熱分解ケイ酸の製造または沈降容器の温度調節のための炉を運転するために、または電流を用いて作動する別の方法ステップを運転するために使用され得る。冒頭で説明したように、カーボンブラック製造、ケイ素酸化物の製造および／または二酸化ケイ素の還元を包含する全体方法のエネルギ収支は、公知先行技術からの公知の設備および公知の使用に比べて著しく改善される。
こうして、二酸化ケイ素プロセスのエネルギ収支は有利には、特にエネルギ集中的なステップ、たとえば沈降容器の加熱または二酸化ケイ素の乾燥ステップならびにエネルギが供給されなければならない別の方法ステップにおいて、著しく改善され得る。組み合わされた方法実施、廃熱、燃焼可能な残留ガスおよび／または６．１からの熱ガスの戻しの首尾一貫した利用により、設備内の全ての物質循環路は、公知先行技術からの公知の方法に比べて改善されたエネルギ収支を持って運転され得る。すなわち、一酸化炭素およびケイ素酸化物、特にガス状のＳｉＯを有する熱ガスを反応器４．１へ戻すことにより、プロセス集中化がもたらされ、特に全体収支において、カーボンブラックを製造するための方法の間に一酸化炭素の形成を減少させることができる。本発明による全体設備あるいはまた部分設備における全体プロセスは、特に二酸化ケイ素および炭素を含有する化合物、たとえばカーボンブラックまたは熱分解された高純度の炭水化物からシリコンを製造する際の全体プロセスにわたり、形成された二酸化炭素および／または一酸化炭素の著しい低減をもたらす。
当業者には、前記設備が各プロセス段における各１つの反応器の代わりに、多数の反応器を有し得ることが明らかである。このことは、特に全体プロセスの連続的でかつ中断なしの実施を可能にすることができる。反応器は連続的に、あるいはまた不連続的に運転され得る。
特にソーラシリコンを製造するためには、本発明による設備が、６．１から得られた元素のシリコンを引き続き精製するために、付加的な精製ユニット、たとえばゾーン溶融または方向付けられた凝固、つまり一方向性凝固による精製のための設備または設備要素を有していてよい。還元炉から元素のシリコンを精製するための択一的な別の精製技術は当業者に知られており、この場合に使用され得る。
以下に、本発明による設備の実施形態を図面につき詳しく説明するが、本発明は図示の実施形態に限定されるものではない。
たとえば物質流４．４，７．２により導入された原料が、特に炭素流の場合に注意しなければならない特定の硫黄含有化合物によって不純化されている場合には、本発明による設備を、一方向凝固のための設備の分だけ拡張させることが考えられる。
原料流中に含まれている硫黄不純物に関連して、以下に挙げる事例が発生し得る：
不純物が元素の硫黄である場合、この硫黄は４４４．６℃よりも上で蒸発し、そして反応器６．１から炉ガスＣＯ／ＳｉＯによって駆出される。炉ガスの燃焼時に反応器４．１内には、ＳＯ２が発生する。反応器４．１内での水素過剰量により、これからＨ２Ｓが発生する。このＨ２Ｓは廃棄されなければならない。
不純物が元素の硫黄である場合、この硫黄は４４４．６℃よりも上で蒸発し、そして反応器６．１から炉ガスＣＯ／ＳｉＯによって駆出される。炉ガスの燃焼時に反応器４．１内には、ＳＯ２が発生する。反応器４．１内での水素過剰量により、これからＨ２Ｓが発生する。このＨ２Ｓは廃棄されなければならない。
不純物が、有機結合された硫黄である場合、この有機結合された硫黄は８００℃よりも下の温度で分解して、ＣＳ２またはＨ２Ｓもしくは別のガス状の化合物を形成する。有機結合された硫黄も、炉ガス燃焼後に反応器６．１からＳＯ２として流出する。反応器４．１内の水素過剰量に基づき、これからＨ２Ｓが発生する。このＨ２Ｓは廃棄されなければならない。
別の可能な不純物は、硫酸塩、たとえばＳｉＯ２製造からの硫酸塩である。
硫酸カルシウムは炭素の存在で：
ＣａＳＯ４＋Ｃ＝ＣａＯ＋ＳＯ２＋ＣＯ
により反応する。
ＣａＳＯ４＋Ｃ＝ＣａＯ＋ＳＯ２＋ＣＯ
により反応する。
８０１℃よりも上では、平衡は右側へ向かってシフトされている。硫酸態硫黄（Sulfatschwefel）は反応器６．１からの炉ガスによって駆出され、上で説明したように循環プロセスからＨ２Ｓとして分離される。ＣａＯは反応器６．１内に留まって、二酸化ケイ素と共にケイ酸カルシウム（Kalksilikat）を形成し、このケイ酸カルシウムは次いで還元されて、ケイ素を不純化する。元素シリコンからのこの不純物の除去は、一方向性凝固によって行なわれ得る。
硫酸カリウムは：
Ｋ２ＳＯ４＋２Ｃ＝２Ｋ＋ＳＯ２＋２ＣＯ
により炭素と反応する。
Ｋ２ＳＯ４＋２Ｃ＝２Ｋ＋ＳＯ２＋２ＣＯ
により炭素と反応する。
１４０６℃よりも上では、平衡が右側へ向かってシフトされている。全ての成分はガス状であり、反応器６．１から流出する。
硫酸ナトリウムは：
Ｎａ２ＳＯ４＋２Ｃ＝２Ｎａ＋ＳＯ２＋２ＣＯ
により反応器６．１内で反応する。
Ｎａ２ＳＯ４＋２Ｃ＝２Ｎａ＋ＳＯ２＋２ＣＯ
により反応器６．１内で反応する。
１１９０℃における反応の平衡；全ての成分はガス状であり、反応器６．１から流出する。
しかし、ＫおよびＮａは：
９５０℃よりも下で２Ｋ＋ＳｉＯ＝Ｓｉ＋Ｋ２Ｏ
１１５０℃よりも下で２Ｎａ＋ＳｉＯ＝Ｓｉ＋Ｎａ２Ｏ
によりＳｉＯとも反応する。
９５０℃よりも下で２Ｋ＋ＳｉＯ＝Ｓｉ＋Ｋ２Ｏ
１１５０℃よりも下で２Ｎａ＋ＳｉＯ＝Ｓｉ＋Ｎａ２Ｏ
によりＳｉＯとも反応する。
この逆反応は部分的に反応器６．１において行われるので、ＳｉＯ２はアルカリ金属と共にケイ酸塩を形成する。このケイ酸塩は還元ゾーンにおいて還元され、次いでＮａとＫとが部分的に再び蒸発する。こうして、反応器６．１および分離されたマイクロシリカ中において、ＮａおよびＫが濃度増大する。
別の可能な不純物は硫化物、たとえばＦｅＳ２、ＭｎＳ、ＭｇＳおよびＣａＳである。Ｓｉアーク炉内で焙焼反応（Roestreaktion）は進行し得ない。なぜならば、自由な酸素が存在しないからである。
したがって、黄鉄鋼は７００℃よりも下で分解してＦｅＳとＳとを形成する。ＦｅＳは：
ＦｅＳ＋Ｓｉ＝ＳｉＳ＋Ｆｅ １２５０℃で平衡
によりＳｉと反応する。
ＦｅＳ＋Ｓｉ＝ＳｉＳ＋Ｆｅ １２５０℃で平衡
によりＳｉと反応する。
ＳｉＳは反応器６．１から蒸発し去り、ＦｅはＳｉ中に溶解される。付加的な精製は一方向性凝固により行われ得る。
硫酸マンガンＭｎＳは：
ＭｎＳ＋Ｓｉ＝ＳｉＳ＋Ｍｎ ２０００℃で平衡
により反応する。
ＭｎＳ＋Ｓｉ＝ＳｉＳ＋Ｍｎ ２０００℃で平衡
により反応する。
ＳｉＳは蒸発し去り、ＭｎはＳｉ中に溶ける。付加的な精製は一方向性凝固によってしか行なわれ得ない。
硫酸マグネシウムは：
２ＭｇＳ＋３Ｓｉ＝２ＳｉＳ＋Ｍｇ２Ｓｉ １９４０℃で平衡
により反応する。
２ＭｇＳ＋３Ｓｉ＝２ＳｉＳ＋Ｍｇ２Ｓｉ １９４０℃で平衡
により反応する。
ＳｉＳは蒸発し去り、ＭｇはＳｉ中に溶ける。付加的な精製は、一方向性凝固によってしか行なわれ得ない。
硫酸カルシウムＣａＳでは、Ｓｉとの反応が２６００℃よりも上でしか可能でない。それゆえに、ＣａＳはＳｉによって切り離されて（abstechen）されて、一方向性凝固の際に分離される。
符号：
１，１ａ，２，２ａ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｉ，４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ：択一的な設備もしくは設備組合せ、全体設備；
反応器／装置：
４．１：炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器、たとえばカーボンブラック（Carbon Black）の製造または炭水化物の熱分解、たとえば場合によっては二酸化ケイ素の存在で行われる糖の熱分解のための反応器；
５．１：コジェネレーション、火力発電プラントもしくは火力発電所；
６．１：二酸化ケイ素と炭素とからシリコンを製造するための反応器、たとえば電気的な溶融炉、誘導炉、アーク炉（別の択一的な構成が明細書中に挙げられている）；
７．１：たとえば乾燥段において、二酸化ケイ素の製造のために使用するための装置、有利には乾燥器、たとえば流動層反応器または基材を乾燥させるための別の反応器、反応器（熱分解法ケイ酸を製造するための炉）、あるいはまた沈降容器；
８．１：たとえば炭素と二酸化ケイ素とができるだけ均質に混合される混合ユニットおよび／または顆粒化、タブレット化、パール化、ブリケット化または当業者によく知られた別の適当な手段によりＳｉＯ２とＣとから成形体を製造するためのユニットおよび／または適当な粉砕装置を有する、物質流４．２，４．３を引き続き処理するための装置／機械／設備；
８：熱交換器、有利には該熱交換器が二次循環路を有していて、４．１および／または６．１内へのプロセスの廃熱（熱的なエネルギ）の導出および吸熱プロセスにおける、特に乾燥のための７．１内への熱的なエネルギの供給を可能にする；
物質流；
４．２：反応器４．１において製造された炭素、有利にはカーボンブラックまたは石炭または炭水化物の熱分解生成物の形の炭素の物質流；
４．３：反応器４．１において副生成物として生じた二酸化ケイ素の物質流；
４．４：炭素源、たとえばガス、有利には天然ガス、オイルまたは糖の、反応器４．１内への供給部；
６．３：反応器６．１から反応器４．１内へＳｉＯおよびＣＯを搬送するための熱ガス管路；
７．２：物質流、たとえば供給管路および場合によっては生産段、この供給管路および場合によっては生産段を介して７．１からの製品が反応器６．１または後処理部８．１内へ移送可能である；
８．２：後処理部８．１から還元反応器６．１への製品の物質流；
エネルギ流；
５．２：電気的なエネルギ流、たとえば電気的なエネルギを導くための線路；
５．３：熱的なエネルギ流もしくはエネルギ流、たとえば過熱された蒸気または低温蒸気、この蒸気はたとえば、５．１を介して分離される４．１からの廃熱を利用するために、場合によっては接続された熱交換器８を備えた管によって７．１における乾燥または温度調節のために利用される；
６．２：特に接続された熱交換器８を備えた、６．１から７．１へ廃熱を利用するための、有利には二次循環路としての熱的なエネルギ流、たとえば管路；
１，１ａ，２，２ａ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｉ，４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ：択一的な設備もしくは設備組合せ、全体設備；
反応器／装置：
４．１：炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器、たとえばカーボンブラック（Carbon Black）の製造または炭水化物の熱分解、たとえば場合によっては二酸化ケイ素の存在で行われる糖の熱分解のための反応器；
５．１：コジェネレーション、火力発電プラントもしくは火力発電所；
６．１：二酸化ケイ素と炭素とからシリコンを製造するための反応器、たとえば電気的な溶融炉、誘導炉、アーク炉（別の択一的な構成が明細書中に挙げられている）；
７．１：たとえば乾燥段において、二酸化ケイ素の製造のために使用するための装置、有利には乾燥器、たとえば流動層反応器または基材を乾燥させるための別の反応器、反応器（熱分解法ケイ酸を製造するための炉）、あるいはまた沈降容器；
８．１：たとえば炭素と二酸化ケイ素とができるだけ均質に混合される混合ユニットおよび／または顆粒化、タブレット化、パール化、ブリケット化または当業者によく知られた別の適当な手段によりＳｉＯ２とＣとから成形体を製造するためのユニットおよび／または適当な粉砕装置を有する、物質流４．２，４．３を引き続き処理するための装置／機械／設備；
８：熱交換器、有利には該熱交換器が二次循環路を有していて、４．１および／または６．１内へのプロセスの廃熱（熱的なエネルギ）の導出および吸熱プロセスにおける、特に乾燥のための７．１内への熱的なエネルギの供給を可能にする；
物質流；
４．２：反応器４．１において製造された炭素、有利にはカーボンブラックまたは石炭または炭水化物の熱分解生成物の形の炭素の物質流；
４．３：反応器４．１において副生成物として生じた二酸化ケイ素の物質流；
４．４：炭素源、たとえばガス、有利には天然ガス、オイルまたは糖の、反応器４．１内への供給部；
６．３：反応器６．１から反応器４．１内へＳｉＯおよびＣＯを搬送するための熱ガス管路；
７．２：物質流、たとえば供給管路および場合によっては生産段、この供給管路および場合によっては生産段を介して７．１からの製品が反応器６．１または後処理部８．１内へ移送可能である；
８．２：後処理部８．１から還元反応器６．１への製品の物質流；
エネルギ流；
５．２：電気的なエネルギ流、たとえば電気的なエネルギを導くための線路；
５．３：熱的なエネルギ流もしくはエネルギ流、たとえば過熱された蒸気または低温蒸気、この蒸気はたとえば、５．１を介して分離される４．１からの廃熱を利用するために、場合によっては接続された熱交換器８を備えた管によって７．１における乾燥または温度調節のために利用される；
６．２：特に接続された熱交換器８を備えた、６．１から７．１へ廃熱を利用するための、有利には二次循環路としての熱的なエネルギ流、たとえば管路；
図３ａ〜図３ｉには、たとえば二酸化ケイ素の製造の際の温度調節ステップまたは乾燥ステップにおいて、反応器４．１および反応器６．１の廃熱流もしくは廃ガス流が、部分的にコジェネレーション（５．１，５．３もしくは５．２）または熱交換器を介して使用されるような、設備の本発明における種々の組合せが示されている。図３ａおよび図３ｂに示した択一的な実施形態では、コジェネレーションによって反応器４．１の廃熱および廃ガスから取得されたエネルギ流が還元反応器６．１の運転のために使用される。
図４ａ〜図４ｈには、たとえば二酸化ケイ素の製造の際の温度調節ステップまたは乾燥ステップにおいて、反応器４．１および反応器６．１の廃熱流もしくは廃ガス流が、部分的にコジェネレーション（５．１，５．３もしくは５．２）または熱交換器８を介して使用されるような、設備の本発明における種々の組合せが示されている。図４ａおよび図４ｂに示した択一的な実施形態では、コジェネレーションによって反応器４．１の廃熱および廃ガスから取得されたエネルギ流が還元反応器６．１の運転のために使用される。図３〜図３ｉに示した実施形態とは異なり、図４ａ〜図４ｈに示した設備は付加的に後処理装置８．１を有している。この後処理装置８．１は、原料であるＳｉＯ２およびＣが、最適化された形でかつ最適な重量比で還元反応器６．１に供給されることを配慮する。
図３および図４には、炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器４．１を備えた設備３が示されている。この場合、この反応器はコジェネレーション５．１に接続されており、このコジェネレーション５．１を介して廃熱５．３の一部分は熱的な反応から分離され、別の部分は機械的または電気的なエネルギ５．２へ変換される。分離された熱は管路５．３を介して導出される。方法実施に応じて、廃熱全体または廃熱の一部が、装置７．１を温度調節するために（図３ａ〜図３ｉおよび図４ａ〜図４ｈ参照）、またはエネルギ取得のために利用され得る。廃熱を用いて、沈降容器を温度調節するか、または乾燥器７．１をも作動させることができる。５．２を介して、形成された電気的なエネルギを引き続き導くことができる。電気的なエネルギは、公共の電流回路網内に供給され得るが、二酸化ケイ素を製造するための方法において、または直接に電気的な炉、たとえばアーク炉６．１（図３ａ、図３ｂ、図３ｇ、図４ａ〜図４ｇ参照）内でシリコンを製造するための全体方法において、利用され得る。設備３ｃ〜３ｆおよび図４ｃ〜図４ｄに示したように、５．１は電流発生のために利用され得る。この場合、この電流は７．１または別の設備部分を運転するためにも利用され得る。
以下に、図４ｅに概略的に示されているような、エネルギ流および物質流を備えた本発明による特別な設備について詳しく説明する。
この設備は、沈降容器、沈降懸濁液を後処理するための装置、たとえばフィルタプレスを備えた二酸化ケイ素を製造するための設備と、得られた高純度の二酸化ケイ素のための乾燥装置とを有している。７．１におけるインプットとして、完成したＳｉＯ２（７．１から取り出された）１ｋｇ当たり水ガラス９．３ｋｇが導入される。この水ガラスは、完成したＳｉＯ２１ｋｇ当たり２．１５ｋｇのＳｉＯ２と、完成したＳｉＯ２１ｋｇ当たり７．２ｋｇの水とを含有している。この水は乾燥時に蒸発されなければならない。このためには、７．１から得られたＳｉＯ２１ｋｇ当たり１４．３３ｋｗｈのエネルギが必要とされる。このエネルギは部分的に廃熱から、もしくは設備内に含まれているカーボンブラック反応器４．１のテールガスの燃焼から、エネルギ流５．３を介して取り出され、そして設備の最初の始動の際には部分的に、外部のエネルギ源から取り出されなければならない。７．１における別のエネルギインプットは、６０〜９６℃の温度で沈降を実施し得るようにするために必要とされる。しかし、このエネルギ量は、乾燥時に消費されなければならないエネルギに比べて極めて少ない。還元反応器６．１が始動した後に、還元反応器６．１の廃熱は熱流６．２を介して付加的に二酸化ケイ素の乾燥のために使用され得る。この状態では、７．１から得られたＳｉＯ２１ｋｇ当たり１４．３３ｋｗｈのエネルギの完全なエネルギ需要を、エネルギ流５．２およびエネルギ流６．２によってカバーすることができる。
７．１からのアウトプットとしては、ＳｉＯ２２．１５ｋｇならびにＳｉＯ２１ｋｇ当たり６．４５ｋｇの水蒸気とが得られる。ＳｉＯ２は物質流７．２を介してパール化設備８．１に供給される。さらに、このパール化設備には、カーボンブラック１ｋｇが４．２を介して、ＳｉＯ２０．６５ｋｇが４．３を介して、カーボンブラック反応器４．１から供給される。これら３種の成分は混合され、かつプレス成形されてパールを形成するので、８．１からのアウトプットとして合計３．７８９ｋｇのＳｉＯ２／Ｃ−パールが得られる。これらのパールから、完成したシリコン（６．１から単離された）１ｋｇ当たり３．７８９ｋｇのＳｉＯ２／Ｃの流れ８．２がアーク炉６．１に供給される。完成したシリコン１ｋｇを発生させるためには、アーク炉６．１において１３〜１７ｋｗｈのエネルギが必要とされる。
アーク炉からのアウトプットとしては、最終生成物１ｋｇ、すなわち元素のシリコン１ｋｇ、完成したシリコン１ｋｇ当たり２．３３２ｋｇのＣＯの物質流および完成したシリコン１ｋｇ当たり０．４８１ｋｇのＳｉＯの物質流が得られる。さらに、完成したシリコン１ｋｇ当たり９ｋｗｈのエネルギが、冷却および潜熱によって導出され、この潜熱はエネルギ流６．２として二酸化ケイ素７．１の乾燥部に供給される。
ＣＯおよびＳｉＯの物質流は合流されるので、完成したシリコン１ｋｇ当たり２．８１３ｋｇのＳｉＯ／ＣＯの１つの全体物質流６．３がカーボンブラック反応器４．１に供給される。この物質流の他に、カーボンブラック反応器４．１には、４．４を介して、形成された炭素１ｋｇ当たり１．２８１ｋｇのオイルおよび形成された炭素１ｋｇ当たり３．８４３ｋｇの水がクエンチングのために供給される。こうして供給されて、カーボンブラックの形の１．２８１ｋｇの炭素のアウトプットが得られる。このカーボンブラックは物質流４．２を介してパール化部８．１に供給される。さらに、粉末状のＳｉＯ２０．６５６ｋｇが得られ、このＳｉＯ２は物質流４．３を介してパール化部８．１に供給される。最後に、５ｋｗｈ／ｋｇ Ｃの発熱量および３．８４７ｋｇの水蒸気を有するテールガスが得られ、このテールガスはコジェネレーション５．１とエネルギ流５．３とを介して沈降部７．１に供給される。図４ｅに書き込まれたエネルギ流５．２はこの実施形態では使用されない。その代わりに、コジェネレーションから得られたエネルギが５．３を介してＳｉＯ２の乾燥のために使用される。
アーク炉６．１の最初の運転開始の前に、７．１における二酸化ケイ素製造および４．１における炭素製造がまず最初に実施されなければならない。アーク炉６．１の運転開始後では、アーク炉６．１とカーボンブラック反応器４．１との間に、上で説明したＳｉＯ／ＳｉＯ２循環路が形成される。この循環路からは、完成したシリコンが取り出され、新しいＳｉＯ２が沈降部７．１から７．２を介して循環路に導入される。アーク炉内での還元反応の際に形成されたＳｉＯおよびＣＯは、カーボンブラック反応器において利用される。したがって、循環プロセスからの主廃棄物質としては、主としてＣＯ２が生じる。このＣＯ２は廃棄されなければならない。硫黄不純物が含まれている場合には、原料の不純化によって少量〜極めて少量の別の廃棄物質、たとえばＨ２Ｓが発生し得る。
上で例示的に説明した方法は、出発物質、すなわち約２０％の水ガラスおよびエネルギ等価として約１０ｋｗｈの天然ガスの量の著しい低減をもたらす。
Claims (17)
- 炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための少なくとも１つの反応器（４．１）と、金属の化合物を還元するための少なくとも１つの反応器（６．１）とを有する設備（１）において、前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）において製造された炭素、有利にはカーボンブラックまたは石炭または少なくとも１種の炭水化物の熱分解生成物の形の炭素が、物質流（４．２）を介して、かつ、前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）において副生成物として発生した二酸化ケイ素が、物質流（４．３）を介して、それぞれ前記金属の化合物を還元するための反応器（６．１）に供給されるようになっており、該反応器（６．１）において副生成物として発生した、一酸化炭素と一酸化ケイ素とから成る混合物が、物質流（６．３）を介して前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）へ戻されるようになっていることを特徴とする設備（１）。
- 当該設備が、全体設備（１）のコンポーネントに対して付加的に、二酸化ケイ素流（４．３）および炭素流（４．２）を引き続き後処理するための装置または機械または設備（８．１）を有していて、前記物質流、すなわち二酸化ケイ素流（４．３）および炭素流（４．２）が、前記後処理のための設備（８．１）に供給されるようになっており、後処理の物質が、物質流（８．２）を介して、前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）へ引き続き案内されるようになっている、請求項１記載の設備（２）。
- 前記後処理のための装置または機械または設備（８．１）は、炭素と二酸化ケイ素とができるだけ均質に混合される混合ユニットおよび／または炭素および二酸化ケイ素から成る成形体を製造するためのユニットおよび／または粉砕装置を有している、請求項２記載の設備。
- 一酸化炭素と一酸化ケイ素とから成る混合物の前記物質流（６．３）が、熱ガス管路を介して案内される、請求項１から３までのいずれか１項記載の設備。
- 前記金属の化合物を還元するための反応器（６．１）が、アーク炉または電気的な溶融炉または熱的な反応器または誘導炉または溶融反応器または高炉である、請求項１から４までのいずれか１項記載の設備。
- 前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）が、コジェネレーション（５．１）に接続されており、該コジェネレーション（５．１）を介して、廃熱（５．３）の少なくとも一部分が、熱的な反応から分離され、かつ／または廃熱の少なくとも一部の別の部分が、機械的または電気的なエネルギ（５．２）へ変換されるようになっているか、または前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）が、火力発電所（５．１）に接続されており、該火力発電所（５．１）を介して廃熱が、機械的または電気的なエネルギ（５．２）へ変換されるようになっている、請求項１から５までのいずれか１項記載の設備（３）または（４）。
- 分離された廃熱（５．３）が、装置（７．１）へ案内され、特に前記廃熱（５．３）が、熱交換器（８）を介して、有利には二次循環路によって装置（７．１）へ移送され、有利には該装置（７．１）が、二酸化ケイ素を製造するための設備の一部であり、特に有利には前記装置が、沈降容器、反応器および／または乾燥器である、請求項６記載の設備。
- 電気的なエネルギ（５．２）が反応器（６．１）に供給される、請求項６または７記載の設備。
- 前記熱ガス管路（６．３）は、前記反応器（６．１）からの熱ガスの少なくとも一部がコジェネレーションまたは火力発電所（５．１）に供給されるよう構成されている、請求項６から８までのいずれか１項記載の設備。
- 当該設備は、前記金属の化合物を還元するための反応器（６．１）の廃熱流（６．２）が装置（７．１）へ案内され、かつ該廃熱流（６．２）のエネルギの少なくとも一部が前記装置（７．１）において利用されるように構成されており、有利には前記廃熱（６．２）が熱交換器（８）を介して前記反応器（６．１）から前記装置（７．１）へ移送されるように構成されている、請求項６から９までのいずれか１項記載の設備。
- 前記金属の化合物を還元するための反応器（６．１）の廃熱、特に廃熱流（６．２）が、前記装置（７．１）に接続されている、請求項１０記載の設備。
- 前記金属の化合物を還元するための反応器（６．１）および／または前記炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）、有利には両反応器は、酸素の侵入が回避されるように密に構成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の設備。
- 請求項１から１２までのいずれか１項記載の設備を運転するための方法において、還元炉（６．１）内で二酸化ケイ素と炭素とからシリコンを製造することを特徴とする、設備を運転するための方法。
- 当該設備を、物質流（４．２）、（４．３）および（６．３）もしくは（４．２）、（４．３）、（６．３）および（８．２）の制御によって、物質流（７．２）により二酸化ケイ素の形で持ち込まれたシリコンの少なくとも９５％が純粋なシリコンとして前記反応器（６．１）から導出されるように運転する、請求項１３記載の方法。
- 還元炉（６．１）内に直接に、または後処理部（８．１）を介して間接的に供給された二酸化ケイ素および炭素は、不純物のための以下の限界値を超えない：
アルミニウム、ホウ素、カルシウム、鉄、ニッケル、リン、チタン、亜鉛、それぞれ最大１０ｐｐｍ、
請求項１３または１４記載の方法。 - 物質流（７．２）により、沈降ケイ酸またはケイ酸ゲルまたは熱分解ケイ酸またはこれらの混合形態またはこれらの混合物を当該設備に導入する、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の方法。
- 炭素を含有する化合物を熱的に反応させるための反応器（４．１）において取得された二酸化ケイ素の、シリコンの製造のための使用、有利には還元炉（６．１）を用いたシリコンの製造のための使用。
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