SE460190B - Process foer framstaellning av kisel under anvaendning av gasplasma saasom energikaella - Google Patents

Description

'460 190 Johannson och Eriksson, J. Electrochem. Soc.: SOLID STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, 131:2 (1984), s. 365-370, utveck- lar vidare beskrivningen och definitionen av systemet Si-O-C. Johannson och Eriksson definierar inflytandet av tryck på reaktionen. Det är visat, teoretiskt, att 5 atmosfärer är ett optimalt tryck för att maximera råmate- rialets effektivitet till i huvudsak ett utbyte av 100% kisel.

Användningen av en nedsänkt ljusbågsugn för framställning av kisel har använts många år på en kommersiell basis.

Det är allmänt erkänt att det finns många inneboende nack- delar vid användning av ett dylikt system. I nuvarande användning av ljusbâgsugnen beskickas kiseldioxiden och den kolhaltiga reaktionsmassan till ugnens överdel. Allt- eftersom reaktionen fortskrider bildas en hålighet vid ugnens botten vid den nedsänkta elektronens lägre ände.

Smält kisel samlas vid botten av håligheten. Vid hålighe- tens överdel är en skorpa av reaktanter, mellanprodukter och kiselprodukt. Ovanför denna skorpa befinner sig olika fórmer av fasta reaktanter och mellanprodukter.

Dålig värme och massaöverföring i en nedsänkt ljusbâgsugn synes förorsaka dåligt utnyttjande av använd elektrisk energi och minskat utnyttjande av råmaterial. Föreliggan- de kommersiella enheter förbrukar approximativt tre gånger den teroretiska mängd energi som erfordras för dessa ovan- nämnda reaktioner. Denna höga nivå av energiförbrukning åsamkar förlusten av energi införd med de kolhaltiga reduk- tionsmedlen såsom koloxid förlorad i biproduktsavgaser.

Flera faktorer bidrar till den dåliga värme och massaöver- föringen. Massaöverföringssamverkan fast-fast och fast-gas mellan reaktanter och mellanprodukter i ugnen begränsar i hög grad värme och massaöverföring i en konventionell bàgugn. En ytterligare nackdel är förlusten av material i form av flyktig SiO med reaktionens gasformiga biproduk- ter. Det är beräknat att i nuvarande nedsänkta bågugnar går så mycket som 10 till 20 viktsprocent av det ursprung" 46Û 190 liga kiselutbytet förlorat såsom S10. Kiseloxid reoxide- rar för att bilda Si02. Som en följd härav ger S10 prob- lem inte enbart i materialförlust utan fortsätter att ge problem genom hela processen. Vidare ger SiO2 som ut- strömmar från systemet ett miljöproblem såsom ett luft- buret ämne som måste hopsamlas och avlägsnas med avsevärd svårighet som följa.

Nuvarande väg till kisel_är även besvärlig genom meka- niska problem. Strömmen av fasta ämnen som rör sig nedåt motströms strömmen av gaser som rör sig uppåt förhindrar strömmen av fasta ämnen till reaktionshåligheten. Ytter- ligare fasta ämnen är hållna genom bryggning som förorsa- kas av bildandet av skorpan över reaktionshâligheten och närheten av fasta ämnen till de vertikala elektroderna.

Bryggning förorsakas även av bildandet av klibbiga mel- lanprodukter i kylaröverdelen av ugnen. Detta uppehåll av fasta ämnen nödvändiggör innefattande av öppningar i ugnens överdel och ofta förekommande öppnande av reak- torn och stakning eller "slaggning" av de fasta ämnena. för att underlätta en rörelse nedåt.

Bågugnens kolelektroder förbrukas och bidrager såväl till föroreningar i den slutliga kiselprodukten som tilldensflnt- liga framställningskostnaden. Koleléktroderna utgör hu- vudkällan för föroreningar vid framställningen av kisel i en konventionell bågugn. Vidare beräknas det att så mycket som 10% av kostnaden för kiselframställningen beror på utbyte av och problem i samband med elektro- derna.

Användningen av en plasma i stället för en ljusbàgsugn har flera fördelar. Enligt reaktionsschemat, ovan be- zskrivet, reaktion (1) S102 + 3C = SiC + ZCO är endotermisk och förbrukar så mycket som 50% av ener- 460 190 gin för den totala reduktionsreaktionen. Matning av S102 och kol-innehållande material direkt in i högenergiplas- man maximerar värme och massaöverföring för att under- lätta denna reaktion att bilda SiC. Det effektiva bil- dandet av SiC skall vidare underlätta den följande reaktionskedjan för att bilda kisel, representerad av reaktionerna (4) och (5) ovan, 2SiO2 + SiC = 3SiO + CO och SiC + SiO = 2Si + CO.

Den samtidiga smältningen av S102 och bildandet av SiC torde förbättra massatransport. Formändringar i reaktorn skulle.även kunna eliminera bryggningen av fasta ämnen och behovet att periodiskt öppna ugnen för "slaggning".

Till följd härav skulle ugnen kunna vara tillsluten och arbeta under tryck. Tillslutning av ugnen skulle även kunna underlätta utvinning och återvinning av energi- innehållet av biproduktgaserna, för närvarande förlorade såsom angivet ovan. Undvikande av kolelektroder använda i en bägugn skulle kunna resultera i efterföljande ökad renhet hos den slutliga kiselprodukten.

T Användningen av en plasma för att behandla metalloxider är angiven av Foex i U.S. 3 257 196, utfärdat 21 juni 1966. Metoden angiven av Foex utgör en komprimering av det material som skall behandlas i ett kärl som är anordnat att kunna rotera omkring sin centrumaxel. En axiell hålighet åstadkommas i vilken plasman kan in- tränga. Plasman kan användas såsom en bärare för att bära reaktanterna till zonen för de fasta reaktanterna.

Anvisningarna av Foex är byggda.runt behovet av en roter- 'bar reaktor vilken uppenbarligen är en komplicerad sats- utformning jämfört med det kontinuerliga systemet enligt föreliggande uppfinning. Anvisningarna_enligt Foex är vidare avsedda-för att eliminera behovet att bibehålla en pulverformig metalloxidmatning i plasmastràlen genom att komprimera nämnda pulver i nämnda roterande reaktor och utnyttja centrifugalkraften för att kvarhålla pulv- 460 190 ret i reaktorn. Reaktionszonen enligt Foex lära ligger vid ytan av ett tätt, kompakt fast material snarare än genom en porös bädd av fast material såsom i enlighet med föreliggande uppfinning. Föreliggande uppfinning ger anvisning om kontinuerlig matning av pulveriserade reak- tanter in i plasmazonen. Dessa skillnader torde vara av betydande slag genom förbättrad effektivitet för massa och värmetransport för föreliggande uppfinning.

Coldwell och Roques, J. Electrochemical Soc.- 124(11) (1977), s 1686-1689, beskriver reaktionen av en stång av pressad kiseldioxid och kolpulver i en plasma. Coldwell och Roques beskriver även användningen av en med radio- frekvens inducerad plasma. Såsom kommer att beskrivas nedan ger de höga gasströmmarna associerade med en indu- cerad plasma en allvarlig begränsning på reduktionsreak- tionen för att bilda kisel. Vidare beskriver Coldwell och Roques svårigheterna förorsakade av de höga gas- strömmar som krävs för den inducerade plasman. Produk- ten kisel var en ånga som återvanns genom avkylning.

Kisel var aldrig mer än 33% av den avkylda produkten.

Denna låga kiselâtervinning ansågs av Coldwell och Roques vara den bäst uppnåbara beroende på den höga reaktivite- ten av ämnena som bildades i plasman vid de givna förhål- landena. Metoden enligt Coldwell oöh Roques är en sats- procedur jämfört med den kontinuerliga processen enligt föreliggande uppfinning. Coldwell och Roques arbetade dessutom uppenbarligen i ett mycket högre temperaturom- råde än vid föreliggande uppfinning med åtföljande fak- tum att kisel lämnade reaktionszonen såsom en ånga. Detta högre temperaturområde ändrar helt de kemiska och termis- ka jämvikterna för systemet och gör jämförelse med före- liggande uppfinning meningslös.

Stramke m fl i DE OS 2 924 584, publicerad 15 januari 1981, beskriver passerandet av silica eller kisel genom en plasmalåga i en reducerande atmosfär. Stramke m fl ger 460 190 icke anvisning om koltermisk reduktion av kiseldioxid såsom föreliggande uppfinning utan snarare reducering av föroreningar i silika eller kisel så att dessa reducerade föroreningar kan förångas och avlägsnas från kiselmateriaf let. Angivna reduceringsgaser är väte (H2), metan, etan, och etylen, och andra mättade och omättade lägre kolväten.

Dahlberg m fl beskriver i U.S. 4 377 564, utfärdat 22 mars 1983, beredning av' kisel i en plasma under an- vändning av kiseldioxid och ett reduceringsmedel. Kisel framställes i en plasma såsom en ånga och återvinnes från ångreaktionsblandningen genom avsättning på ett ämne eller kondensering. Ingen angivelse förefinnes om utbyten. Det torde emellertid vara uppenbart att denna lära har samma nackdelar som de enligt metoden enligt Coldwell och Roques ovan. Angivna reduceringsmedel är kol, väte, kolväten, kväve, koloxid (CO), halogener, och vattenånga.

I U.S. 4 439 410, utfärdat 27 mars 1984, ger Santén och Edström anvisning om en process för att bereda kisel, 9 varvid silika och ett valfritt recuceringsmedel insprutas i en gasplasma. Den uppvärmda matnings- och energirika plasmagasen introducerades i en reaktionskammare packad med ett fast reduceringsmedel. Silika bringas att smälta och reduceras till kisel. Reaktionsgaser består av en blandning av H2 och CO och kan recirkuleras och användas såsom en bärargas för plasman. Santén och Edström anger att plasman kan genereras genom elbåge eller induktivt organ. De angivna reduceringsmedlen är kolväte (naturell gas), kolstybb, träkolsstybb, kimrök, petroliumkoks och andra.

Vid studium av Santéns och Edströms patent kan flera mot~ sägelser observeras. För det första anger beskrivningen av uppfinningen att den använda plasmabrännaren är en induktiv plasmabrännare. För det andra är beskrivningen 460 190 av uppfinningen tyst om alstringen av en plasma medelst elbågsorgan, vilket emellertid görs anspråk pâ. Santén och Edström anger att plasman även alstras genom att medge en plasmagas att passera en elbåge. Santén och Edström säger ingenting om huruvida plasman alstras på ett sätt med överförd ljusbåge eller ett sätt med icke överförd ljusbàge, vilket indikerar att de inte insett de betydelsefulla skillnaderna som leder till fördelarna erhållna med föreliggande uppfinning. Denna distinktion är mycket betydelsefull. Sättet med överförd ljusbâge använder ett minimum av gas, medan sättet med icke över- förd ljusbâge utnyttjar en gasvolym som är approximativt S till 10 gånger större för att överföra en lika mängd energi. Såsom ett exempel på skillnaden i erfordrad gas- volym skulle för en plasma alstrad med 1000 kilowatt (kW) energi en utformning med Överförd ljusbåge erfordra 10 - 25 standardkubikfot per minut (scfm) av gas jämfört med 100 till 150 scfm eller mer erfordrad för en utformning med icke överförd ljusbâge. I den överförda ljusbâgsut- formningen är två elektroder åtskilda ett stycke, såsom t ex överdelen och bottendelen av reaktorn. Plasmagaserna kan strömma antingen från katoden till anoden eller vice versa. Den utnyttjade gasvolymen i den överförda ljusbâgs~ utformningen är den volym som är nödvändig för att bilda själva plasman. I utformningen med icke Överförd ljusbåge befinner sig två elektroder i själva generatorn. Ljusbågen tändes i generatorn, plasman bildas, och plasman blåses i själva verket in i reaktionszonen av en större volym gas.

I en utformning med icke överförd ljusbåge beräknas det att 10% av matningsgasen omvandlas till en plasma, medan 90% av matningsgasen användes för att förflytta plasman in i reaktionszonen. En av radiofrekvens inducerad plas- ma utnyttjar samma relativa volym gas per nivå införd energi som icke-överförd ljusbågsplasma. I fråga om an- vändning av en induktiv plasmabrännare noterar andra hän- visningar inom tekniken (såsom ett exempel National Institute for Metallurgy Report Nr. 1895, "A Revlew_of 460 190 Plasma Technology with Particular Reference to Ferro-Alloy Production", 14 april 1973, s 3) att förstoring av med radiofrekvens inducerade plasma är svår och dyrbar och förblir väsentligen ett laboratorieredskap. Utspädningen igenom en utifrån kommande gas kan allvarligt reducera del-- trycket för mellanprodukten kiseloxid och förhindra bil- dandet av kisel, såsom observerat i hänvisningen till Muller m fl ovan. Detta fenomen kommer att diskuteras och visas i exemplen nedan.

Såsom en ytterligare motsägelse anger šanten och Edström användning av återvunnen H2 och CO såsom plasmagasen. Det har visat sig vid utvecklingen av föreliggande uppfinning att tillsats av CO till reaktionszonen allvarligt förhind- rade bíldandet av kisel. Betydelsen av denna upptäckt kom- mer att diskuteras i exemplen nedan.

Flera betydelsefulla upptäckter uppenbarades under ut- vecklingen av föreliggande uppfinning. Det visade sig att användningen av en plasma i en utformning med icke överförd ljusbâge, i vilken plasmagaserna och en kontinuerlig mat- ning av kiseldioxid och fast kolhaltigt material passera- des genom reaktionsbädden av fasta ämnen, resulterade i att inget kisel bildades. Den höga strömmen av plasmagaser torde ha en betydelsefull sammanpressning vid utspädning av reaktionsgaserna. Denna upptäckt är i överenstämmelse med ovan angivna läror, vilka indikerar att kisel inte kommer att bildas förrän ett kritiskt deltryck av kisel- oxid överskrides. För att ytterligare illustrera detta fenomen, resulterade en modifiering av utformningen av plasmareaktorn, i vilken-plasmagaserna icke genomträngde reaktionsbädden och senare inte utspädde-reaktionsgaserna i bildandet av kisel. Denna modifikation, diskuterad i exemplet nedan, skulle approximera gasströmmen i reak- tionszonen för en Överförd bâgplasmautformning. 460 190 En annan upptäckt var uppvisandet att tillsats av kol- oxid till reaktionszonen för en reaktor som producerade kisel stoppade bildningen av kisel. Denna upptäckt är illustrerad i exemplet nedan.

Föreliggande uppfinning kommer att bättre inses av fack- män inom teknikens område genom efterföljande beskrivning och i betraktande av bifogade ritningar. Fig. 1 och 2 är schematiska vyer, delvis i tvärsektion, för att illustrera två föredragna utföringsformer av förelig- gande uppfinning.

Fig. 1 är en schematisk vy av en utformning av en kisel- ugn, i vilken strömmen av plasmagas och fasta reaktanter införes vid överdelen av reaktorn.

Pig. 2 är en schematisk vy av en konstruktiv variant av fig. 1, i vilken strömmen av plasmagas och fasta reaktan- ter införes i den nedre halvan av reaktorn.

Fig. 1 representerar ett reaktorsystem som använder en plasma för att framställa kisel. För att börja med reak- torkroppen 1 kan denna vara ett kärl av tanktyp med fordrat eldfast material eller liknande, känd inom tekni- ken för utformningen av smältningsutrustning. Plasmagene- ratorn 2 med överförd båge är belägen så att den första elektroden 3 är belägen vid reaktorkroppens 1 överdel och den andra elektroden 4 är àtskild från 3 inuti reaktor- kroppen 1, varvid det skall inses att den exakta förlägg- ningen och polariteten för elektroderna såsom visat är i illustrerande syfte och icke såsom en begränsning.

Plasmageneratorn med överförd båge kan vara utformad på liknande sätt som de som är kända inomptekniken. Plasma- generatorn är kopplad till ett organ 5 för att tillhanda- hålla en reducerande gas eller en inert gas eller en bland- ning därav till plasmageneratorn. Organet för att till- handahålla plasmagasen kan vara vilket som helst konven- 460 190 10 tionellt organ såsom t ex kommersiellt tillgängliga rör- ledningar för komprimerad gas och lämpliga anslutningar.

I plasmageneratorn med överförd båge av denna speciella utformning strömmar plasmagasen från reaktorns överdel nedåt. För att rikta strömmen av fasta reaktanter in i reaktorkroppen 1 och in i plasman är ett organ 6 för att mata en blandning av kiseldioxid och ett fast reducerings- medel anordnat vid reaktorkroppens 1 överdel. Även ett organ 7 för att mata kiseldioxid in i plasman är anord- nat vid reaktorkroppens 1 överdel, varvid blandningen av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel matat av organet 6 och kiseldioxiden matad av organet 7 matas in i reaktorkroppen 1 och in i plasman alternativt. Organet 6 och organet 7 för att mata antingen blandningen av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel eller enbart kiseldioxid kan vara vilket som helst konventionellt organ såsom t ex självtrycksmatning eller gastryck i kombination med en gaslâsventil, skruvmatare, pneumatis- ka transportörer, och liknande. För att reglera de alter- nativa matningarna från 6 och 7 är anordnat ett organ 8 för att reglera de alternativa matningarna av blandningen av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel och kisel- dioxidmatningen, varvid organet för att reglera de alter- nativa matningarna kan vara vilket som helst konventio- nellt organ såsom t ex manuellt reglerorgan, automatiskt matarreglerorgan och liknande. I utformningen enligt fig. 1 är reaktorkroppen 1 delvis fylld med en bädd av fasta reaktanter innan en framställningsprocess börjar, varvid bädden av reaktanter är betecknad med 9. Bädden av fasta reaktanter kan vara enbart ett fast reducerings- medel eller en blandning av kiseldioxid och ett fast re- duceringsmedel. Den smälta kiselprodukten samlas vid reaktorkroppens 1 botten och utvinnes medelst ett organ 10 för utvinning av smält kisel, varvid detta organ 10 för utvinning av smält kisel kan vara vilken som helst känd teknik såsom satsvis eller kontinuerlig tappning. 460 190 11 Biproduktgaserna avgår från reaktorkroppen 1 vid botten- delen, varvid ett organ 11 för att återvinna biproduktga- serna från reaktorn är anordnat. Detta organ 11 för att återvinna biproduktgaserna kan vara vilket som helst kon- ventionellt organ såsom t ex bränning för användning eller' energiutvinning.

Fig. 2 är en variation av reaktorsystemet visat i fig. 1.

De numeriska beteckningarna för reaktorsystemets element är desamma i såväl fig. 1 som fig. 2. Huvudskillnaden i utföringsformen enligt fig. 2 är att strömmen av plasma- gaser och de fasta reaktantmatningarna införes i reaktor- kroppens nedre hälft, varvid det skall inses att den exakta förläggningen av plasmageneratorn 2 med dess elektroder 3 och 4 såsom visat är i illustrerande syfte och inte en begränsning. I fig. 2 är de fasta reaktanterna matade in i reaktorn och in i plasman en blandning av kíseldioxid och ett fast reduceringsmedel. De fasta reak- tanterna införes i reaktorkroppens 1 nedre del av ett organ 6 för att mata fasta ämnen, varvid det skall inses att den exakta förläggningen av organet 6 för att mata en blandning av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel såsom visat är i illustrerande syften och inte en begräns- ning. I fig. 2 är reaktorkroppen 1 icke fylld med fasta reaktanter innan starten av ett processförlopp.

I enlighet med föreliggande uppfinning tillhandahålles en process för att framställa kisel under användning av en gasplasma såsom energikälla under förhållanden som kommer att beskrivas. Det som beskrivas är en process för att framställa kisel under användning av en gasplas- ma såsom energikälla, varvid processen består av (I) att alstra en gasplasma i en reaktor under användning av en utformning med Överförd båge i vilken ett mini- mum av gas användes för att bilda plasman; 460 190 12 (II) att mata kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel direkt in i reaktorn och till plasman; (III) att föra plasmagasen, kiseldioxiden och det fasta reduceringsmedlet in i reaktorns reaktionszon; (IV) att utvinna smält kisel och gasformiga biprodukter- från reaktionszonen.

En "utformning med Överförd båge" för en gasplasma inne- bär att de två elektroderna hos plasmageneratorn är åt- skilda ett stycke från varandra. Strömmen av gas övergår från katoden till anoden eller vice versa. Pig. 1 och 2 visar två framställningar av utformningen av plasmagene- ratorn med överförd båge. Beroende på beskaffenheten hos denna överförda bågplasmautformning är den erforderliga gasvolymen för att bilda plasman betydligt lägre (genom en faktor av så mycket som 10) jämfört med en "utformning utan överförd båge" i vilken tvâ elektroder är inneslutna i plasmageneratorn och i vilken enbart gasströmmen för- flyttar plasman in i reaktionszonen. Dessa skillnader är diskuterade i detalj ovan. "En minimal mängd gas" innebär att enbart den mängd gas amlär nödvändig för att effektivt bilda en plasma skall matas till systemet. Att hålla in- förseln av gas vid ett minimum reducerar svårigheterna alstrade genom utspädning av reaktionsmediet, såsom beskrivet ovan. Plasmageneratorn med överförd båge och organ för att tillhandahålla en plasmagas är kända inom tekniken för utformning av dylika organ och är beskrivna i beskrivningen av ritningarna.

"Fasta reaktanter" såsom använt i denna uppfinning inne- bär kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel, båda i deras många typer och former. Matningen av kiseldioxiden och det fasta'reduceringsmedlet in i plasman kan åstad- kommas medelst konventionella organ såsom t ex självtrycks- matning eller gastryck i kombination med en gaslåsventil, skruvmatare, pneumatiska transportörer och liknande. Ki- 460 190 13 seldioxiden och fast reduceringsmedel kan matas alterna- tivt, först såsom en blandning av kiseldioxid och det fasta reduceringsmedlet och sedan såsom enbart kiseldioxid.

Matningarna kan alternativt âterupprepas, varvid den al- ternativa matningen kan åstadkommas genom dylika kända organ såsom manuell omkoppling, automatiserad reglering, och liknande. Kiseldioxiden och det fasta reduceringsmed- let kan även matas såsom en kombinerad blandning.

Reaktionen kiseldioxid och kol direkt i högenergiplasman fordrar totalreaktionen Si02 + 2C = Si + 2C0.

Denna totalreaktion kan representeras av seriereaktions- schemat nedan, varvid de individuella reaktionerna är an- givna ovan sioz + 3c = sic + zco, (1) zsioz + sic = zsio + co, och (4) sic + sio = zsi + co. ' (s) Reaktionssekvensen befordras genom att tvinga bildandet av SiC via reaktion (1). Närvaron av SiC kommer att till- försäkra att SiO2 effektivt förbrukas för att bilda, en- ligt reaktion (4), SiO som sedan reagerar med SiC för att bilda kisel och inte går förlorad till biproduktgaser.

En nyckel för att tvinga bildandet av SiC, enligt reak- tion (1), är att bibehålla den stoikiometriska kvantiteten av kol till kiseldioxid i ett molaröverskott som favorise- rar kol - dvs i ett överskott av 3 mol kol per mol kisel- dioxid. De totala matningarna skall regleras så att ki- seldioxid och kol bibehàlles vid väsentligen den stoikio- metriska kvantiteten för totalreaktionen, att stoikiomet- risk kvantitet är 2 mol kol per mol kiseldioxid. "Väsent- ligen den stoikiometriska kvantiteten för totalreaktionen" innebär att förhållandet kol till kiseldioxid är vid eller upp till 1 till 2 procent över den stoikiometriska kvanti- 460 190 14 teten. Det skall inses, att i såväl den totala reaktionen som reaktion (1) mindre än stoikiometriska kvantiteten av kol relativt kiseldioxid kan utnyttjas, med nackdelen av att råmaterialeffektiviteten för kiseldioxid kommer att minskas genom förlust av oförbrukad SiÖ. I den alternati? va matningen av först en blandning av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel och sedan kiseldioxid regleras säle- des i blandningen av kiseldioxid och det fasta reducerings- medlet förhållandet kiseldioxid och fast reduceringsmedel så att kol finns i ett molaröverskott relativt kiseldioxid upp till 20 procent över den stoikiometriska kvantiteten, varvid den stoikiometriska kvantiteten är 3 mol kol per mol kiseldioxid. Sedan regleras kiseldioxidmatningen så att den kombinerade proportionen kol och kiseldioxid lig- ger vid väsentligen den stoikiometriska kvantiteten för totalreaktionen, varvid den stoikiometriska kvantiteten är 2 mol kol per mol kiseldioxid. Detta gäller även när blandningen av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel utgör matningen in i reaktorn och till plasman.

Reaktorn kan vara delvis fylld med fasta reaktanter, en- bart ett fast reduceringsmedel eller en blandning av kiseldioxid och ett fast reduceringsmedel. Den delvisa fyllningen av reaktorn anses medge adekvat utrymme för att rymma bildandet av fasta ämnen från reaktionen av kiseldioxid och det fasta reduceringsmedlet matade direkt in i plasman. Det fasta reduceringsmedlet, vilket använ~ des enbart eller i en blandning med kiseldioxid för att delvis fylla reaktorn, kan vara detsamma eller skilt från det fasta reduceringsmedlet som matas direkt in i reak- torn och till plasman. Kiseldioxiden använd för att del- vis fylla reaktorn kan likaledes vara densamma eller skild från den kiseldioxid som matas direkt in i reaktorn och till plasman.

Användningen av en plasma resulterar i undvarande av kol- fr* 460 190 15 elektroder som användes i en konventionell ljusbâgsugn.

Kolelektroderna är huvudkällan till föroreningar i smält- ningsprocessen. Därför kommer undvarandet av kolelektroden att resultera i ett slutligt kiselmaterial som kommer att ha en renhet av åtminstone 98 viktsprocent och möjligen 99 viktsprocent eller bättre.

Reaktorsystemet kan utformas så att strömmen av plasman, kiseldioxiden och det fasta reduceringsmedlet är motströms i en nedåtgående riktning med den smälta kiseln och de gasformiga biprodukterna avgivna från reaktorns nedre hälft. Ett exempel på denna utformning är visad i fig. 1.

Reaktorsystemet kan alternativt utformas så att strömmen av plasman, kiseldioxiden och det fasta reduceringsmedlet kan införas i reaktorns nedre hälft med den smälta kiseln avgående från reaktorns botten. Fig. 2 är ett exempel på denna utformning.

Reaktorsystemet är utformat så att tryck inom området för atmosfärtryck till 6 atmosfärer kan upprätthållas. De högre trycken kan användas för att maximera energiutnytt- jande och råmaterialeffektivitet. Drivningen av ett stängt reaktorsystem vid atmosfärstryck eller över bidrar bättre till återvinning och återanvändning av biprodukt- gaserna.

Plasmagasen kan vara en reducerande gas vald från en grupp som består av väte, mättade kolväten och omättade kolväten. Plasmagasen kan även vara en inert gas vald från en grupp som består av argon och kväve. Gasen som användes för att bilda en plasma kan även vara en bland- ning av en reducerande gas och en inert gas.

Kiseldioxiden som matas till plasman eller som kan såsom en blandning med det fasta reducerande medlet användas för att delvis fylla reaktorn är vald från en grupp som 46Û 190 16 består av kvarts i dess många naturellt förekommande former och smält silika och àngsilika i deras många for- mer. Formen pâ kiseldioxiden är vald från en grupp som består av pulver, granulat, klumpar, stenar, gryn och briketter. _ Det fasta reducerande medlet, vilket matas till plasman och det fasta reducerande medlet med vilket reaktorn fylles är valt från en grupp som består av kimrök, trä- kol, koks, kol, träflis. Formen på det fasta reducerande medlet är valt från en grupp som består av pulver, granu- lat, flis, klumpar, stenar och briketter.

Blandningen av kiseldioxid och ett fast reducerande medel som matas till plasman eller vilket kan användas för att delvis fylla reaktorn kan vara i en form som är vald från en grupp som består av pulver, granulat, klumpar, stenar och briketter.

"Utvinning av smält kisel" innebär vilket som helst kon- ventionellt organ för att avlägsna den smälta kiselproduk- ten från reaktionszonen genom sådan känd teknik såsom sats- vis eller kontinuerlig tappning. “Biproduktgaserna" från reaktionen för att bilda kisel är primärt sammansatta av biframställd koloxid. Även innefattade i denna gasström är plasmagaser och mindre kvantiteter av gaser såsom t ex vattenånga, koldioxid och liknande. "Återvinning av biproduktgaser" innebär hanteringen av gaserna genom kända organ för bortskaffande eller återvinning av ener- gi. Exempel på återvinning av energi är användningen av de varma gaserna för att förvärma plasmagasen eller reaktanterna, förbränning av brännbara gaser för att alstra värme för ånga, förbränning i en gasturbin kopplad till en elektrisk generator, eller liknande.

Det föredragna sättet att utföra processen enligt före- 460 190 17 liggande uppfinning är att utforma systemet så att en av elektroderna hos plasmageneratorn med Överförd båge, plasmagaskällan, och matningarna av kiseldioxid och det fasta reducerande'medlet befinner sig vid toppen av reak- torn som är fylld med en blandning av kiseldioxid och- ett fast reducerande medel. Denna utformning resulterar i en motströmning av plasmagasen, reaktanterna, slutligen smälta kiseln, och gasformiga biprodukter.

Den föredragna metoden att mata kiseldioxiden och ett fast reducerande medel in i reaktorn och till plasman är såsom alternerande matningar, först en blandning av kiseldioxid och ett fast reducerande medel och sedan kiseldioxid, varvid matningarna upprepas alternativt.

För blandningen av kiseldioxid och det fasta reducerande medlet är förhållandet mellan kiseldioxid och det fasta reducerande medlet reglerat så att kol är i ett molar- överskott relativt kiseldioxiden inom området 1 till 10 procent över den stoikiometriska kvantiteten. Alterna- tivt regleras kiseldioxidmatningen så att molarförhållan- det kol till kiseldioxid ligger vid väsentligen den stoikiometriska kvantiteten för totalreaktionen.

Den föredragna plasmagasen är metan eller en blandning o av argon och väte.

Renheten hos de använda råmaterialen är sådan att pro- dukten kisel har en renhet av åtminstone 99%. Kiseldioxid- matningen är kvarts eller silika i form av ett pulver el- ler granulat. Det reducerande medlet som skall matas med kiseldioxidmatningen är kimrök, kol, träkol eller koks i form av ett pulver eller granulat. De fasta reaktanterna med vilka reaktorn fylles är en blandning av kvarts eller silika och träkol, kol, koks, eller trä. Blandningen av den fasta reaktanten är i form av klumpar, flis eller briketter. 460 190 18 De fasta reaktanterna med vilka reaktorn fylles är en blandning av kvarts eller silika och träkol, kol, koks, eller trä. Blandningen av den fasta reaktanten är i form av klumpar, flis eller briketter.

Trycket i reaktorn bör upprätthållas inom omrâdet 5 till 6 atmosfärer för att maximera energi- och râmaterialsut- nyttjande.

Reaktorsystemet för att framställa kisel är det system som representeras av fig. 1.

Följande exempel presenteras för att illustrera förelig- gande uppfinning och skall inte betraktas sâsom begrän- sande föreliggande uppfinning angiven i patentkraven.

Exempel 1 (Icke inom skyddsomrâdet för föreliggande upp- finning) En pilotelektroreduktionsugn modifierades för att stude- ra effekten av att tillsätta gaser i en simulerad plasma- utformning till den koltermiska reduceringen av kisel- dioxid. Koloxid var den utvärderade gasen.

Exprimenten för kiselsmältningen fullbordades i en 200kVA bågreaktor. Elektroden var ihålig för att medge passage av en gas för att simulera en plasma. Den kolter- miska reaktionen av Si02 och ett kolhaltigt reducerande medel påbörjades. Efter det att baslinjeförhâllanden uppnåtts fick den ifrågavarande gasen strömma genom den ihåliga elektroden.

Den satsvisa tillsatsen av en mol SiO2 och tvâ mol kol (6 kg SiO2 reaktorn. Denna baslinjeblandning bestående av SiO2 såsom såsom en grund för en tillsats) matades till kvarts och en kolhaltig blandning av styckekol, petroleum 460 190 19 koks och träflis.

Bâgreaktorn fick stabilisera genom drivning under en period av 24 timmar. Stabila förhållanden och alstring av kisel noterades. CO insprutades genom den ihåliga elektroden med en hastighet av 5 scfm. Gasinjektionen resulterade i ojämn ugnsdrift med omåttligt rykande (antogs vara Si0-överskott) och fullständigt stoppande av kiselframställningen.

Dessa resultat torde demonstrera de menliga effekterna av icke-reaktant eller inaktiv gas på bildandet av kisel och teorin att det partiella trycket för SiO-mellanpro- dükten måste vara ett minimum för bildandet av kisel.

Exemgel 2 (Icke inom skyddsomrädet för föreliggande upp- finning).

En potentiell smältningsreaktor som använder en plasma såsom energikälla ihopmonterades och utvärderades. I den utvärderade utformningen placerades plasmakällan på reak- torns överdel.

Plasmabrännaren var en Westinghouse Marc 11D brännare beräknad till 1,5 megawatt maximal effekt. Uppvärmning av processgasen utfördes helt i brännaren (icke-överförd gasbàgplasma). Ett matarmagasin var monterat ovanför reaktorn för att mata material kontinuerligt.

Argon användes såsom en kontinuerlig renare under driften och för att rena syre och andra gaser från systemet innan starten för ett förlopp. Den använda gasen för drivning av brännaren var en 8/1-blandning (på volymbasis) av väte till argon. Reaktorn hade en avluftning vid sin bottendel.

Avluftningen passerade genom tryckkontroll till en vatten- tvättare. 460 190 20 Torrmassa i form av styckekol och briketter av.blandningar av kiseldioxidmaterial och fast kolhaltigt material till- sattes reaktorn innan start. Små briketter av kolhaltigt material och malen kvarts matades in i plasman under pro- cessen. Vid slutet av processen bestämdes den kombinerade vikten av torrmassan i reaktorn och inmatad torrmassa.

Denna inventering av torrmassa visade att totalt approxi- mativt 34 viktsprocent av torrmassan hade förlorats under reaktionens förlopp.

Plasman riktades mot överdelen av reaktorsatsen, gaser strömmande genom bädden och utsläpptes vid reaktorns bot- ten. Matningar av kolhaltigt material och kvarts passerade in i änden av plasman. Ingen kisel hittades i bädden. Bäd- dens överdel visade sig vara porös SiC. Betydande material- förlust indikerade att en kemisk reaktion hade inträffat.

Närvaron av SiC och ovan angivna viktsförlust av torrmassa indikerar att reaktionerna: SiO2 + C = SiO + CO Och SiO + 2C = SiC + CO hade skett. Frânvaron av kisel indikerar att reaktionenà SiO + SiC = 2Si + CO inte hade inträffat.- Resultaten av ovannämnda förlopp visar att kisel inte bildas i ett reaktorprojekt i vilket plasmageneratorn var i en utformning med icke överförd båge i vilken en stor volym av inert gas eller icke-reaktiv gas inmatades.

Exempel 3 Plasman/reaktor-systemet enligt exempel 2 modifierades för att minimera volymen utspädningsgaser i reaktions- zonen, ett försök att simulera gasströmmen av en Överförd bàgplasma.

Ett antal grafitrör placerades inuti reaktorn vid reaktor- 460 190 21 väggens periferi. I denna utformning genomträngde plasma- gaser reaktorsatsens övre del, men beroende på gasströms- motståndet i bädden tvingades tillbaka mot reaktorns över- del och sedan ned genom grafitrören. Gaserna överförde sitt värmeinnehåll till överdelen av reaktorsatsen genom direkt kontakt och sedan genom rörens väggar genom överfö- ring och konvektion. Pâ detta sätt utspädde inte plasma- gasen reaktionsgaserna inuti reaktionszonen. Plasmagaserna och reaktionsgaserna kombinerades sedan vid reaktorns botten för utströmning.

Såsom i exempel 2 var reaktorn från början tillsatt med fasta reaktanter. Återigenom matades torrmassa sedan in i plasman under processens förlopp. Torrmassan tillsatt reaktorn innan processen var styckekol, krossad kvarts och träkol. Torrmassan tillsatt plasman under förloppet var SiO2-pebbles och kol. Efter processen inventerades innehållet i reaktorn och matningarna av torrmassa. Denna inventering visade en nettoviktsförlust av torrmassa av approximativt 32%.

Trycket i kärlet ökadestill över 2 atmosfärer. Plasmaga- serna och reaktionsgaserna förenades vid reaktorns botten och utströmmade till tvättaren. Grafitrör och utströmnings- rör tätades med kol och träkolsstoftí-Avlagringar av kisel hittades nära eller i närheten av grafitrören. Ett prov av den avsatta kiseln analyserades genom elementar- analys och befanns vara större än 99.6 viktsprocent kisel.

Avlagringarna av kisel visar att kisel bildades i reaktions- zonen vid en förhöjd temperatur. Detta resultat ger stöd åt det faktum, att frånvaron av utifrân kommande gaser medgav bildandet av kisel genom att låta det partiella trycket för SiO att nå en minimal nivå för att bildandet av kisel skall ske. Dessutom medverkade trycket under reaktionen till bil- dandet av kisel. Minimeringen av närvaro av utspädningsga- '460190 22 ser i reaktionszonen genom de konstruktiva ändringarna approximerade gasströmmen av en plasmagenerator med över- förd båge.

Resultatet av ovannämnda förlopp visade att reaktionen: SiO + SiC = 2Si + CO inträffade och befordrades genom den simulerade gasström- men hos en utformning med Överförd båge och användningen av tryck under reaktionen.

Claims (6)

460 190 23 PATENTKRAV:

1. Process för framställning av kisel under användning av en gasplasma såsom energikälla, varvid processen k ä n n e t e c k n a s av (I) att alstra en gasplasma i en reaktor utnyttjande en utformning med överförd båge, i vilken ett mi- nimum av gas användes för att bilda plasman; (II) att mata kiseldioxid och ett fast reducerande medel direkt in i reaktorn och till plasman; (III) att föra plasmagasen, kiseldioxiden och det fasta reducerande medlet in i reaktorns reaktionszon; (IV) att utvinna smält kisel och de gasformiga biproduk- terna från reaktionszonen. «

2. Process enligt krav 1, k ä n n e t'e c k n a d av att kiseldioxiden och det fasta reducerande medlet matas alternativt, först såsom en blandning av kiseldioxid och det fasta reducerande medlet och sedan kiseldioxid, varvid matningarna upprepas alternativt.

3. Process enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att i blandningen av kiseldioxiden och det fasta reduce-, rande medlet regleras förhållandet mellan kiseldioxiden och det fasta reducerande medlet såÜatt kol förefinnes i ett molaröverskott relativt kiseldioxiden av upp till 20% över den stoikiometriska kvantiteten.

4. Process enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att i blandningen av kiseldioxiden och det fasta reducerande medlet regleras förhållandet mellan kiseldioxiden och det fasta reducerande medlet så att kol föreligger i ett molaröverskott relativt kiseldioxiden inom området 1 till 10 procent över den stoikiometriska kvantiteten.

5. Process enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av 460 190 24 att kiseldioxidmatningen regleras så att det kombinerade förhållandet kol och kiseldioxid ligger vid väsentligen den stoikiometriska kvantiteten för totalreaktionen.

6. Process enligt krav 1, k ä n n e t e t k n a d av att kiseldioxiden och det fasta reducerande medlet matas såsom en kombinerad blandning. f: (1