TW201033297A - Energy-efficient plant for production of carbon black, preferably as an energetic integrated system with plants for production of silicon dioxide and/or silicon - Google Patents

Description

201033297 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明提供一種能源更有效的工廠，其係利用來 業製造碳化合物（如碳黑、石墨）、或來自糖熱解作 廢熱及殘氣，藉助於熱與電力組合系統或熱電为 製造電能，特別是用於熔爐之運轉，及/或將該廢熱 吸熱製程中，同時本發明提供該廢熱之相應用途。 Φ 本發明之工廠在矽產製中可達成相當可觀的製程 ，其將使氣候上有害之二氧化碳及/或一氧化碳顯著 少，並顯著地減低電能之需求。再者，在電弧烤箱內 氧化矽還原爲矽所產生之氧化矽的再循環可顯著地提 部製程中所用之矽的質量平衡。 【先前技術】 迄今，碳黑產製中所得之廢熱（即熱能）還未能 ® 術及經濟上可行之方式利用於其他製程。目前碳黑製 廢熱典型地係用於預熱相同製程中的反應物，如用於 之空氣及油。因此，矽產製的廢熱，特別是熱處理氣 形式，到目前爲止也只是以空氣驟滅，再通過熱氣過 以除去二氧化矽。這些製程中所獲得之尾氣係轉換成 。所以，利用來自碳黑或矽產製的大量熱能以便在其 程中節省能源在當前是不可行的。特別是在高純度碳 製或適用於製造太陽能矽或其他半導體矽之矽產製的 中，由於產製高純度產品之特殊操作的空間分隔需求 自工 用之 ，以 用在 增强 地減 使二 高全 以技 程之 燃燒 體的 濾器 動力 他製 黑產 例子 ，過 -5- 201033297 剩熱能的轉換是難以達到的。對特殊純度產品的例外性高 要求及可能的交叉污染明確地排除此種可能性。 製造碳黑之已知製程係氣黑法（DRP 29261，DEC 293 1 907, DEC 67 1 739, Carbon Black, Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DEKKER, INC, New York, page 57ff.)，其 中裝滿油蒸氣之含氫的載體氣體係在眾多出口孔口處於過 量空氣中燃燒。火燄衝擊著經水冷卻之滾輪，此舉係停止 燃燒反應。某些在該火燄中形成之煙灰會沉澱在滾輪上， _ 並且需要刮掉。殘留在廢氣流中的煙灰則在過濾器中除去 。其他已知的製程係槽黑法（Carbon Black, Prof. Donnet, 1 993 by MARCEL DEKKER, INC, New York, page 57ff.) ，其中多數個流入天然氣之小火燄在經水冷卻之鐵通道上 灼燒。沉積在鐵通道上的煙灰需刮掉並收集在漏斗內。 上述之方法會引起大量廢熱，特別是溫度低於200°C 之熱殘氣形式，並包括熱蒸汽。在爐黑法中，尾氣係爲殘 氣方式形式。 參 截至目前，可舉例的是，廢熱係藉由冷凝器從氣體中 部份除去，然後清洗該等氣體並吹向環境中。而到目前爲 止廢熱則沒有廣泛利用。 由於碳黑之特殊結構，碳黑污染其他工廠零件是無法 消除的。基於此一理由，此形式的工廠還無法在一個製造 場所內與同樣產製高純度產品的其他工廠整合。 另一方面，可舉例的是，氧化矽產製時的乾燥步驟特 別是二氧化矽，如沉澱矽石或已藉由離子交換劑純化之矽 -6 - 201033297 石的乾燥步驟，爲了乾燥潮濕之氧化矽類需要供應特別大 量的能量。 【發明內容】 本發明之目標係開發能源更有效的工廠，並在碳黑產 製，及特別地二氧化矽產製中提供有效地使用熱能。本發 明之另一目標係開發整體工廠，其能將熱能高效率地利用 φ 在整個製程及全面地使用於矽產製中。 該等目標可藉由本發明之工廠（特別是整體工廠，不 然便是工廠構件），及相應於獨立申請專利範圍之特徵的 本發明用途；附屬項及較佳具體實施例之說明而達成。 【實施方式】 本發明提供用於含碳化合物之熱轉化作用之反應器 4.1的整體工廠2，該反應器係與熱與電力組合系統5.1 © 連接，來自熱轉化作用之一部份廢熱5.3係藉助於該系統 5.1而收回，而且另一部份廢熱係轉換爲電能5.2，在裝 置7.1中收回之廢熱5.3係利用於氧化矽產製的過程中， 特別是二氧化矽產製的製程中。在裝置7.1中，特別佳的 是間接或直接將廢熱用於沉澱容器之加熱或溫度調節以形 成沉激砂石或砂膠，及/或用於乾燥氧化砂，特別是二氧 化矽，如沉澱矽石或已藉助於離子交換劑純化之矽膠；廢 熱5.3特別地藉由熱交換器8來傳導，較佳地在次循環中 。在較佳之替代方案中，如圖2b或2c所示，可以過熱蒸 201033297 汽5.3直接乾燥Si02。如下文所述，也可行的是使用低溫 蒸汽5.3來運轉接觸式乾燥器。 從熱與電力組合系統5.2中獲得之電能可利用在反應 器6.1之能源供應，以供金屬化合物還原及產製二氧化矽 ，更佳地係用於產製沉澱矽石、發煙矽石或矽膠，及/或 較佳地在裝置7.1中於沉澱期間用來乾燥及/或溫度調解 。同樣可行的是將該電能用於致熱氧化物（例如，發煙矽 石）產製之裝置的運轉。在可行的變異之一中，該電能可 _ 使用在脫附作用中，以於這些製程中回收HC1。整體工廠 係在一個場所中提供氧化矽及碳黑之產製，以及若適當時 ，在另一場所經由能源網絡提供用於金屬化合物還原用之 反應器6.1。 至於熱與電力組合系統，可使用此藝中已熟知之裝置 5.1或工廠5.1。熱與電力組合系統具有比熱電力工廠之 純發電量顯著更佳的效率。在特別佳的情況中熱與電力組 合系統的整體效率可高至90%。根據本發明，熱與電力 @ 組合系統之運轉並非只靠電力與熱，也可單獨地靠電力或 熱。熱與電力組合系統通常以驅動蒸汽渦輪的熱蒸汽操作 ，然後藉助於該蒸汽渦輪發電。收回蒸氣並供應至熱交換 器，較佳地供應至二氧化矽產製之製程（例如，用於裝置 7.1中之氧化矽的溫度調節或乾燥），通常係在最後渦輪 階段的上游處進行。在本發明工廠中，該收回也可適當地 在最後渦輪階段之下游進行。典型地，舉例說明之，沉澱 容器之溫度可藉由熱交換器而調節，或氧化矽（如沉澱矽 -8 - 201033297 石或矽膠）可藉由熱交換器乾燥，亦即藉由次循環。同樣 可行的是，如上文所述般直接利用廢熱來乾燥。熱與電力 組合系統可從碳黑產製（較佳地在驟滅區域其他熱反應器 部件的下游）例如經由熱交換器或直接利用製程之蒸氣及 /或從尾氣燃燒中汲取廢熱，該尾氣可輪流地產生蒸汽。 較佳地係以蒸汽來運轉熱與電力組合系統。尾氣除了別的 以外包括蒸汽、氫、氮、Cx、一氧化碳、氬、硫化氫、甲 Φ 烷、乙烷、乙烯、乙炔、醯胺類、含氮化合物、金屬氧化 物（如氧化鋁）及/或二氧化碳。熱與電力組合系統較佳 地係在反壓運轉下操作，因此在蒸汽循環過程中沒有任何 熱損失。所以通常是不需要新的冷卻水。 根據本發明，燃燒空氣之預熱區下游的載體氣體及/ 或來自5.1中尾氣燃燒的廢熱可利用作爲廢熱5.3。更佳 地，來自4.1或經由5.1之過熱蒸汽也可直接利用於二氧 化矽產製之製程中，如圖2b或2c所示，特別係用來直接 ® 乾燥二氧化矽，如矽膠或沉澱矽石。額外地或替代地，可 行的是使用低溫蒸汽來運轉接觸式乾燥器（裝置7.1)， 例如板式乾燥器或較佳地爲旋轉管乾燥器。從5.1所獲得 之物流較佳地也可用來運轉初級乾燥器，特別是噴霧塔式 乾燥器或自旋急速乾燥器，而用於乾燥二氧化矽。 根據本發明，可行的是在一個製造場所或組合工廠內 提供碳黑產製及二氧化矽（特別是沉澱矽石或矽膠）的產 製，因爲碳黑與反應器6.1中用於產製矽（特別是太陽能 矽）之氧化矽的可能之交叉污染對此整體製程將變得不重 -9 - 201033297 要。此一組合到目前爲止是難以達成’因爲碳黑被二氧化 矽污染或二氧化矽被碳黑污染是必須避免的。在本文之自 氧化矽（特別是二氧化矽）中產製矽及產製碳黑及/或熱 解的醣類之製程，在反應器6.1中氧化矽還原爲矽’使得 高純度碳黑、高純度熱解的醣類或高純度矽之交叉污染對 此特定之應用而言並不棘手。 同樣較佳地，爲了防止高純度碳黑、含碳化合物或高 純度氧化矽（特別是二氧化矽）被其他雜質（如其他金屬 $ )污染，來自各別工廠部件之廢熱或來自碳黑產製之尾氣 燃燒的其他廢熱可藉助熱交換器8經由次循環而被利用。 本發明進一步提供一種整體工廠，如〇a或Ob，其中 用於含碳化合物之熱轉化作用的反應器4.1係與熱與電力 組合系統5.1連接，來自4.1之熱轉化作用的一部份廢熱 5.3係藉助於該系統5.1而收回，而且另一部份廢熱可轉 換爲電能5.2，收回之廢熱5.3係利用在裝置7.1中，特 別是用於產製二氧化矽之製程。裝置7_1可爲產製二氧化 ❹ 矽之工廠的一部份。廢熱5.3或廢熱流5.3可較佳地在裝 置7.1中用於沉澱容器之溫度調節及/或用於乾燥氧化矽 (特別是二氧化矽，如沉澱矽石、已藉由離子交換劑純化 之矽石或矽膠）。特別地，收回之廢熱係直接利用（參考 圖2b/2c)或藉助於熱交換器8，如圖4a及4b，而電能 5.2係用於反應器6.1之能源供應以還原金屬化合物或用 於產製二氧化矽的製程，特別是用於裝置7.1，以及若適 當時’來自反應器6.1之廢熱可額外地在二氧化矽產製之 -10- 201033297 製程中用來還原金屬化合物，例如在裝置7.1中用於温度 調節或乾燥二氧化砂。替代地，熱與電力組合系統也可純 粹地爲以電力或熱力運轉者。 爲進一步最、佳化能源平衡，較佳的是在裝置7.1中使 用供金屬化合物還原用之反應器的廢熱6.2;更特定言之 ，廢熱6.2係藉由熱交換器8從反應器6.1轉移到裝置 7.1。此舉可藉由使反應器6.1的廢熱（特別是廢熱流6.2 Φ )與裝置7.1連接而完成。 較佳地，再者，來自供金屬化合物還原用之反應器 6.1的熱處理氣體係經由熱氣管線6.3導入用於碳之熱轉 化作用的反應器4.1。熱氣管線6.3較佳地係連接供金屬 化合物還原用之反應器6.1與用於碳之熱轉化作用的反應 器4.1，特別地係用來將來自反應器6.1之熱處理氣體轉 移到反應器4.1。 額外地或替代地，來自供金屬化合物還原用之反應器 ® 6.1的熱處理氣體可經由熱氣管線6.3進入熱與電力組合 系統5.1或熱電力工廠5.1熱氣管線6.3較佳連接供金屬 化合物還原用之反應器6.1與熱與電力組合系統5.1或熱 電力工廠5.1，特別地係用來將來自反應器6.1之熱處理 氣體轉移到5.1以提高蒸汽。此一工廠設計係藉由示於圖 4c之工廠0c爲例而說明所有可想得到的整體工廠或工廠 元件。 根據本發明，工廠〇a、Ob或lc之熱氣管線6.3係設 計使得以相當充分地防止在矽產製時所形成之熱處理氣體 -11 - 201033297 中的氣態氧化矽冷凝。熱處理氣體典型地含有一氧化碳、 氧化矽及/或二氧化碳。氧化矽冷凝將隱藏著相當大的爆 震風險。所以，熱氣管線在其內表面上提供“覆蓋”’其 係減少（較佳地係防止）熱氣管線之內表面上的此種冷凝 。除了覆蓋，可選擇地熱氣管線也可裝設微量加熱及/或 使空氣流入以在該表面上調節溫度’特別地較佳的是’在 壁區域內使反應溫度增加。熱處理氣體從6·1之還原成熔 融矽的步驟再循環到反應器4.1的可提高矽產量高至20 @ mol%，此乃因爲該所形成之氣態氧化矽仍保留在製程中 。藉由本發明之工廠，整體製程以所用之氧化矽計可因此 而增加矽產量。由於將放熱引入熱氣體中’在碳黑產製中 天然氣的數量同時也會減少。 舉例之，覆蓋可經由旋渦的產生而達成。轉移進入反 應器4.1內之熱處理氣體的另一個組份係一氧化碳。在本 發明製程中，當反應產物係用於產製矽時，將氧化矽導入 用於碳黑產製或醣熱解之反應器係不會造成破壞。再者， ® 經由熱氣管線將熱處理氣體內之一氧化碳導入反應器4.1 ，可使燃燒中的熱氣體平衡或碳黑原料或含醣化合物之熱 裂解移向有利方向。在矽產製的整體製程中，本發明工廠 所啓動之製程方式係藉由顯著地減少氧化碳類（特別是二 氧化碳）數量而達成。 以示意性術語表示，流7.2係指直接或間接地將裝置 7.1 (例如沉澱容器或用於乾燥二氧化矽之反應器）內之 產物轉移到反應器6.1之物流。來自7.1之直接產物在送 -12- 201033297 入反應器6.1之前也可送至另一處理步驟，諸如乾燥、硏 磨、粒化、錠化、轉化或與碳黑、醣類或含醣類化合物之 摻合，或其他處理或加工步驟。 在備選方案之一中，本發明提供一種創新的工廠：工 廠元件-la，其具有用於含碳化合物之熱轉化作用的反應 器4.1，該反應器係與熱與電力組合系統5.1連接，來自 熱轉化作用之一部份廢熱5.3係藉助於該系統5.1而收回 Φ ，及/或另一部份廢熱係轉換爲機械能或電能5.2，或該 反應器4.1係與熱電力工廠5.1連接，廢熱係藉助於該工 廠5.1而轉換爲機械能或電能5.2。所產生之電能可送入 公用柵極系統，或內部地用於電力供應，或根據本發明， 該電能5.2在矽產製或製造氧化矽（較佳地爲沉澱矽石或 發煙矽石或矽膠）中可用來運轉電弧爐，及在沉澱矽石和 矽膠的例子中更佳地用來乾燥或加熱沉澱容器。 在可行之變異之一中，該電能可用在產製發煙矽石的 ® 過程中，舉例之，可用於脫附作用以在這些製程中回收 HC1。收回之廢熱可送入區域性加熱柵極，較佳地係在二 氧化矽產製之製程中經由熱交換器利用該廢熱而進一步用 於矽產製，例如用於溫度調節或乾燥氧化矽（特別是二氧 化砂）。 用於含碳化合物之熱轉化作用的反應器包括所有用來 產製碳黑、石墨、碳或一般地包含碳基質之化合物（例如 ，包括含碳化矽之碳類）、及熟諳此藝者知悉之其他相應 化合物的反應器。根據本發明，用於含碳化合物之熱轉化 -13- 201033297 作用的反應器4·1係爲用於產製碳黑或用於醣類之燃燒及 /或熱解（如糖熱解作用）的反應器或熔爐，隨意地在二 氧化矽存在下（例如’在高純度氧化矽存在下）用於產製 含碳基質者。用於產製碳黑之典型反應器係在燃燒室中及 1200至2200 °C以上之處理溫度下操作。產製碳黑之已知 最佳製程有燈黑法、爐黑法、氣黒法及燈黑法、乙炔碳黑 法或熱碳黑法。因此，反應器4.1較佳地係設計用來執行 上述之製程。至於本發明之工廠，較佳地係使用先前技術 _ 所得知之關於碳黑產製或關於含碳化合物之熱轉化的反應 器。此類反應器已充分爲熟諸此藝者知悉。 一般地，典型反應器形式包括適用於碳黑產製之所有 熔爐。這些熔爐可依次裝備各種燃燒器技術。彼等實例之 一係 Hlils light arc furnace ( Hiils 電弧爐）。至於燃燒器 之選擇，最緊要的是，是否可於火焰中得到高溫或濃焰。 該等反應器可包含下列燃燒器單元：具有完整燃燒式鼓風 機之燃氣器、用於渦旋式氣流之燃氣器、燃氣器與經由外 ❿ 圍噴槍之氣體噴射的組合、高速燃燒器、Schoppe脈衝式 燃燒器、平行擴散式燃燒器、組合式油-氣燃燒器、堆動 器熔爐燃燒器、油蒸發式燃燒器、具有空氣或蒸氣噴霧之 燃燒器、平焰噴燈、燃氣套式噴射管、及隨意地在二氧化 矽存在下適用於碳黑產製或醣類（如糖）熱解的所有燃燒 器和反應器。反應器4.1係解釋爲整個反應器或該反應器 的其他部件；舉例之’該反應器包含反應室、燃燒區、混 合區、反應區及/或驟滅區。根據本發明’回流換熱器係 -14 - 201033297 用在驟滅區，例如具有鋼管環之回流換熱器。 另一可選擇之具體實施例係一種組合，其中作爲工廠 元件之本發明工廠lb或lb.1包含用於含碳化合物之熱轉 化作用的反應器4.1，該反應器係與熱與電力組合系統 5.1連接，來自熱轉化作用之一部份廢熱5.3係藉助於該 系統5.1而收回’及/或另一部份廢熱係轉換爲機械能或 電能5.2，或該反應器4.1係與熱電力工廠5.1連接，廢 ❿ 熱係藉助於該工廠5.1而轉換爲機械能或電能5.2，且電 能5.2係用作爲供金屬化合物還原用之反應器6.1的能源 ，特別是電弧爐6.1、電熔爐、熱反應器、感應熔爐、熔 化反應器或熔爐，較佳地係用於產製矽，或該電能5.2係 在產製二氧化矽中用爲裝置7.1之能源，例如用於沉澱容 器之溫度控制、氧化矽（如Si02 )之乾燥、或在產製發 煙矽石之製程中用來使裝置運轉。 熟諳此藝者需明白，5.1也可依下列方式操作，即 ® 單獨地使用廢熱5.3或電能5.2或任何混合形式。在此情 況下，收回之廢熱5.3係引導至裝置7.1，且廢熱5.3特 別地藉由熱交換器8傳遞或直接使用作爲過熱蒸汽（圖 2b及2c);裝置7.1較佳地係爲氧化矽產製之工廠的一 部份。 在本發明之工廠的所有變異中，所生產之碳黑、熱解 的醣皆可經由4.2間接或直接地送入電弧爐6.1中。“間接 ”係表示反應器4.1中所生產之化合物在送入反應器6.1 之前可再進一步處理。舉例說明，但並非唯一地，該碳黑 -15- 201033297 或含碳化合物可經粒化或壓製成塊。 根據本發明特別佳的是，工廠具有進料管線6.3，來 自供金屬化合物還原用之反應器6.1的熱處理氣體係經由 此熱氣管線而進入用於碳之熱轉化作用的反應器4.1，如 以實例說明之工廠lc及Ob所示。在較佳之構造中，工廠 (特別是整體工廠〇a)可將供金屬化合物還原用之反應 器6.1的廢熱6.2用在二氧化矽產製的製程中，例如在裝 置7.1中用於沉澱容器之溫度控制或二氧化矽之乾燥；更 特別地該廢熱6.2係經由熱交換器8從反應器6.1轉移到 裝置7.1。 在所有設備中裝置7.1係爲用於Si02沉澱或形成凝 膠的沉澱容器、或乾燥器、通道式熔爐、旋轉管熔爐、旋 轉栅格式熔爐、流化床、旋轉台熔爐、循環式流化床裝置 、連續式熔爐及/或用於熱解之熔爐。舉例之，較佳且可 行的是直接利用4.1中由4.1之廢熱或經由燃燒4.1之尾 氣的廢熱而間接或直接得到之過熱蒸汽5.3，例如，可藉 由以水驟滅，而用於乾燥二氧化矽（圖2b及2c)。 至於低溫蒸汽5.3的選項之一係使接觸式乾燥器7.1 (如板式乾燥器或更佳地爲旋轉管乾燥器）運轉。經由 5.1獲得之流5.2可直接用來運轉初級乾燥器。較佳地這 些乾燥器爲噴霧塔式乾燥器或自旋急速乾燥器。熟諳此藝 者可清晰明瞭，上述表列只是以實例說明，也可行的是使 用其他慣用乾燥器。 根據本發明，所有來自反應器4.1或6.1或其他部份 -16- 201033297 (如來自反應區、熱反應器部件）之廢熱、源自4.1中以 水驟滅的蒸汽、或其他反應產物之廢熱（如氣體或其他流 )都應視爲有用之廢熱。根據本發明’殘氣（尾氣）可特 別地經燃燒，且所形成之廢熱可用在本發明之工廠。 該工廠較佳地係連續工作24小時且每週7天，以使 得廢熱在連續循環過程中可直接地或經由熱交換器8而利 用，特別是經由初循環及/或次循環。依此達成之能源節 φ 省，每公斤乾燥二氧化矽可在〇.〇1至10 kWh之間，以2 至6 kWh較佳，約 2 kWh更佳。熟諳此藝者應明瞭，在 特別情況中所達成之能源平衡係直接地依視殘留濕量及所 用之乾燥器裝置，以及另外之製程參數而定，使得該所述 之數値只視爲參考値。在利用約0·01至10 kWh (以0.1 至5 kWh較佳）之所獲得電能的情況下，用於使每公斤 二氧化矽還原爲熔融矽的每公斤碳黑可能可省下1至1〇 kWh，特別是4至9 kWh，其包括二氧化矽產製之製程。 對產製約一公斤熔融矽而言，能源節省可增加到 5 kWh 至20 kWh ;更特別地，考慮到包含二氧化矽及碳黑產製 及二氧化矽轉化爲矽的整體製程時，能源節省可在17 kWh範圍內。 在另外較佳之具體實施例中，廢熱6.2可與廢熱5.3 一起用在裝置7.1之二氧化矽產製的製程中，而較佳地係 用於熱處理或用於乾燥二氧化矽，特別是沉澱矽石或矽膠 、或沉澱矽石或已藉由離子交換劑純化之矽膠。較佳地係 將廢熱6.2及/或廢熱5.3經由一或多個熱交換器8而用 -17- 201033297 於乾燥矽石。在所有工廠中，裝置7」可爲用於二氧化矽 產製的一個工廠元件。 爲了防止二氧化矽（特別是高純度二氧化矽）之污染 ，較佳地係使用熱交換器8。在這些熱交換器中，藉助於 次循環，來自反應器6.1之廢熱就可用在二氧化矽產製之 製程中，例如用於二氧化矽之乾燥或沉澱容器之溫度控制 。典型地，在熱交換器及/或在廢熱之入口和出口中，所 用之介質是水、熟諳此藝者所充分知悉的慣用冷卻流體、 _ 或其他介質。 同時，適當之工廠3係顯示，將來自供金屬化合物還 原用之反應器6.1的廢熱6.2單獨用在裝置7.1的二氧化 矽產製之製程上，更特別地係用於沉澱容器7.1之溫度控 制或用於乾燥二氧化矽的乾燥器7.1;更特別的是工廠3 與工廠la連接；廢熱6.2較佳地係藉由熱交換器8從反 應器6.1出去再進入反應器7.1。 顯而易見地，裝置7.1可特別爲反應器、沉澱容器及 © /或乾燥器，且裝置7.1只是二氧化矽產製之工廠元件或 整體工廠的一個部件，且例如爲了自經污染之矽酸鹽中產 製高純度二氧化矽，裝置7.1可往上游及/或下游連接另 外工廠或裝置。 更特別地，在所有工廠中之進料管線7 · 2也可視爲進 入反應器之直接或間接的進料管線，或作爲進入反應器 6 · 1之流。舉例之，在7 · 1中所乾燥之二氧化矽供應至反 應器6.1之前也可進行進一步之處理步驟。這些處理步驟 -18- 201033297 特別是硏磨、調製、壓製成塊。在這些步驟中也可使用根 據5.2之電能流。 根據本發明，反應器4.1之廢熱係用於使含碳化合物 熱轉化而產生電能，其特別地係藉助於熱與電力組合系統 或熱電力工廠。廢熱也可視爲尾氣之廢熱，及源自尾氣燃 燒之廢熱。特別佳地係將廢熱全部或部份地（特別是直接 或間接地）用於產製二氧化矽的製程上，例如用於溫度控 ® 制或乾燥。較佳地，來自4.1及/或5.1之過熱蒸汽可在 7·1中用於乾燥或溫度控制（圖2b/2c )。 根據本發明之廢熱的組合使用迄今對熟諳此藝者還是 難以想像，因爲在製程方式中可能的交叉污染會導致相當 大的問題。只有將含水系統中所純化之二氧化矽與碳黑或 熱解醣類組合使用在高純度矽的產製上，才可使此類廢熱 或熱能之協同式組合使用變得可行。 在二氧化矽產製之製程中，較佳地所獲得之電能可用 ® 來運轉供金屬化合物還原用之反應器6.1，或在二氧化矽 產製之製程中運轉裝置7.1，較佳地地用來運轉乾燥器（ 如初級乾燥器）、用於產製發煙矽石（其用來製造矽）之 熔爐，或用於沉澱容器之溫度控制，或用於運轉以電力操 作之其他製程步驟。如一開始所述，包含碳黑產製、二氧 化矽產製及/或二氧化矽還原之整體製程的能源平衡相較 於已知工廠及先前技術之已知用途則有相當地增進。 舉例之，二氧化矽製程之能源平衡較佳地可在特定之 能源加強步驟（例如，沉澱容器之加熱或二氧化矽之乾燥 •19· 201033297 步驟），及需要供應能源的另外製程步驟中獲得相當地增 進。經組合之製程方式，廢熱、可燃燒殘氣之系統化利用 ，及/或來自6.1之熱氣再循環都可讓工廠內所有回路以 相較於已知之先前技術製程更增進的能源平衡方式來運轉 。舉例之，將熱氣（包括一氧化碳及氧化矽，特別是氣態 SiO)再循環至反應器4.1可導致製程的強化；更特別地 ，在碳黑產製之製程期間氧化碳類COx的形成在整個平 衡中可減低。在本發明整體工廠或其他元件設備中的整個 0 製程可使矽產製（特別是來自含二氧化矽之化合物）及碳 產製（如碳黑或熱解糖）之整個製程中所形成的二氧化碳 及/或一氧化碳相當大量地減少。 根據本發明，來自反應器6.1之熱處理氣體可額外地 在反應器4.1中用於還原金屬化合物以使反應器4.1內之 碳熱轉化，特別地是藉使該熱處理氣體經由熱氣管線6.3 從反應器6.1導入反應器4.1。 同樣地根據本發明，來自反應器6.1之熱處理氣體可 Q 在熱與電力組合系統5.1或熱電力工廠5.1中用於還原金 屬化合物以提高蒸汽及/或產生能源，更特別地是藉使該 熱處理氣體經由熱氣管線6.3從反應器6.1導入5.1。 根據本發明之另外方面，反應器6.1之廢熱可在二氧 化矽產製之製程（特別是在裝置7 · 1中，例如熱處理容器 或乾燥器）中用於還原金屬化合物。再者，反應器4.丨及 /或6·1及裝置7.1通常是特定生產線之工廠的部件，舉 例之，7.1爲生產二氧化矽之部件，4.1爲製造碳黑或熱 -20- 201033297 解醣類等的工廠部件，及6.1可爲製造太陽能矽的工廠部 件，並可在上游及/或下游具有另外製程階段。 熟諳此藝者可清晰明瞭上述之該等工廠（而非在各個 例子中之一個反應器）在特定製程階段也可具有多個反應 器；此舉可特別允許連續及/或均勻且不中斷地進行整個 製程。這些反應器可連續地或逐批次地操作。 一般言之，合倂於該工廠之用於碳之熱轉化作用（特 〇 別是用於碳黑產製）的反應器4.1較佳地可爲如引用之專 利所說明的類似設計之反應器。關於該揭示內容，可完全 地參考在 US 5,651，945 號、US 6,391，274 B1 號、 EP 0 1 84 8 1 9 B 1 號、EP 0 209 908 B1 號、 EP 0 23 2 46 1 B1 號、EP 0 102 072 A2 號、 EP 1 236 509 A1 號、EP 0 206 315 A1 號、 EP 0 1 36 629 A2 號、US 4，9 7 0，0 5 9 號及 U S 4,904,454 號 中所提之反應器及操作模式。 ® 下列數字將詳細解說本發明之工廠，且不會使本發明 受限於此一實施例。 參考數字： 0a ' Ob、0c ' la、lb、lc' 2、2a、2b、2c、3:可選 擇之工廠或工廠組合、整體工廠； 4.1 :隨意地在二氧化矽存在下，用於含碳化合物之 熱轉化作用的反應器，例如用於碳黑產製或醣 熱解（如糖之熱解作用）的反應器； 5.1 :熱與電力組合系統、熱電力工廠， -21 - 201033297 6.1 :反應器，例如電熔爐、感應熔爐、電弧爐等； 7.1:用於產製二氧化矽之裝置，例如用在乾燥階段 ，較佳地爲乾燥器，如流化床反應器或用來乾 燥基質之其他反應器、在發煙矽石產製之製程 中的裝置、反應器、或沉澱容器； 8:熱交換器；彼等較佳地具有次循環，且能使廢熱 (熱能）自4.1及/或6.1之製程中被排出，並 將該熱能供應到吸熱製程，特別是至7.1用於 @ 乾燥； 4.2 :物流，例如可間接或直接地將來自4.1之產物 送入反應器6.1的進料管線，而該產物也可預 先進行其他的之處理，如壓製成塊。 5.2 :電能流，例如用於傳導電能之管線·， 6.2 :熱能流，例如，特別地與熱交換器8連接之管 線，而在7.1中利用來自6.1之廢熱，較佳地係 用爲次循環； Θ 7.2 :物流，例如進料管線及隨意地製造階段，經由 該物流來自7. 1之產物可間接或直接地轉移到 反應器6.1，來自7.1之直接產物在送入反應器 6.1之前也可送至另一處理步驟，如如乾燥、硏 磨、粒化、錠化、與碳黑’醣類或含醣類化合 物之反應或摻合、或其他處理或加工步驟； 5 · 3 :熱能流或能量流，如過熱蒸汽或低溫蒸汽，舉 例之，彼等可經由管路（隨意地與熱交換器8 -22- 201033297 連接）而利用，以便將來自4.1之廢熱（其係 經由5 · 1收回）用於7 · 1的乾燥或溫度控制； 6 · 3 :熱氣管線。 圖la顯示工廠la，其具有用於使含碳化合物熱轉化 之反應器4.1，該反應器與熱與電力組合系統5.1連接， 來自熱轉化作用之一部份廢熱5.3藉助於該系統5.1而收 回，而且另一部份廢熱係轉換爲機械能或電能5.2。管線 φ 5.3係用來排出該收回之熱。根據該製程方式，所有的廢 熱或一部份之該廢熱可用於裝置7.1之溫度控制或產生能 源。可行的是利用該廢熱來控制沉澱容器之溫度或用來運 轉乾燥器7.1。所產生之電能可經由5.2傳遞。該電能可 送入公用柵極系統，或用在二氧化矽產製之製程，或直接 地在矽產製的整體工廠中用於電熔爐（如電弧爐6.1)。 根據工廠lb，5.1可單獨地用於發電，其中物流也可用來 運轉7.1或其他工廠部件。圖lc表示工廠la與反應器 © 6.1之組合。工廠lc可爲整體工廠的一部份，且額外地在 4.1與6.1之間具有熱氣管線6.3。 圖2及2a構成本發明之組合，經由熱與電力組合系 統（5.1)可使廢熱（5.3)及所產生之電能（5.2)用在二 氧化矽產製（其特定地適於用來製造矽，特別是太陽能矽 )之製程上。可選擇方案由工廠2b及2c顯示，其中在 7.1內並沒有使用熱交換器。該製程係直接以過熱蒸汽來 操作。 同樣地，整體工廠-工廠〇a、Ob及Oc係顯示本發明 -23- 201033297 之工廠’特別地彼等工廠係用於矽產製（特別是太陽能砂 的產製）之整體工廠的一部份，其中在二氧化矽產製（舉 例之’從濕化學過程中使矽石自水玻璃沉澱或藉由離子交 換柱使水玻璃純化）中，來自反應器4.1及6.1之廢熱係 用在裝置7.1 (例如沉澱容器或乾燥器）中。熱交換器（8 )係爲選項。在工廠0c中，熱氣管線6.3將再返回5.：!， 而在工廠〇b中係進入4.1。熟諳此藝者可清晰明瞭6.3也 可轉移到5.1及4.1中。 _ © 根據本發明，可選擇之工廠（如圖Ob及〇c之圖示） 及其能源和流將在下文詳細說明。 在這些可選擇方案中，5.1中所獲得之電能5.2係用 來運轉7.1，同時反應器6.1則是藉由額外電力供給。在 4.1之進行中，爲了能達到高至2000°C的所需溫度，燃燒 器係以天然氣供應。爲了生產約一公斤碳黑，到目前爲止 還需要約0.2公斤天然氣，其貢獻約2 kWh。經由焦炭， 需送入另外1.5 kg原料，其貢獻約15 kWh/kg。在另外製 ❹ 程階段，空氣將導入碳黑反應器內；特別用於預熱驟滅區 的燃燒空氣，進行碳黑產製之反應係以水驟滅。對每公斤 所生產之碳黑而言，可獲得具有能源含量約1至1〇 kWh/kg碳黑的尾氣，以高至約5 kWh/kg碳黑較佳。此尾 氣可經由5.1中之燃燒而用來提高蒸汽，舉例之’該蒸汽 可轉移至7.1以用來乾燥Si02。此蒸汽之能源含量可約爲 1至8 kWh，以高至4 kWh較佳。爲了解說7.1之能源需 求，必須考慮到每公斤二氧化矽乾燥時有2至5公斤之間 -24 - 201033297 的水（典型地約4公斤水）需要蒸發。來自7」之殘熱形 式的蒸發水可利用於温室運轉或經由屋頂排出。較佳的備 選方案應正視產生能源之蒸汽的利用。除了可利用之冷凝 熱以外，約4公斤之蒸汽（約102 °C)的能源含量係在約 4 kWh附近。至於所有報導之kWh，必要考慮到這些kWh 數値有至少+/- 50%的寬廣偏差範圍，因爲該等特定流的 能源平衡及能量流會互相影響。此外，熟諳此藝者應明白 ，在此一綜合網絡的製程中只可測量出近似値。 舉例之，對電弧爐6.1之操作而言，從約1 kg碳黑 及3 kg二氧化矽中製造約一公斤矽需要約14 kWh的電力 。在高至200CTC之反應條件下的進料組成物中，此舉將 形成氣態氧化矽，同樣地也會形成600至700°C熱氣體的 一氧化碳，目前係以空氣驟滅、氧化及再過濾。在本發明 工廠中，這些熱氣體可交替地或同時地導入4.1中，特別 是引入燃燒器或扼流圈內。對所生產之每公斤矽而言，該 © 等熱氣體具有約0.4公斤氧化矽及約2.3公斤一氧化碳， 且該能源含量可高至每公斤矽9 kWh。此測量允許節省約 0.5升油/kg碳黑’或1至6 kWh/kg碳黑，而以高至5 kWh/kg 較佳。 此外，可行的是經由再循環，每公斤矽可回收約0.2 公斤矽。此乃表示產量以矽終產物計可增加1至25重量 %，以5至20重量％較佳，15至22重量％更佳’而該 矽終產物係自Si02原料中所用之矽繼續進行而得。 舉例之，爲了提高蒸汽，可選擇地或額外地將熱氣流 -25- 201033297 6.3導入5.1中，藉助於5.1可因而地產生電力。因此， 在5.1中’對所生產之每公斤矽而言，有丨至高達至11 kWh的熱（特別是5至10 kWh的熱，以高達9kWh的熱 爲較佳）可用來產生蒸汽及/或電力。同時，所夾帶之氧 化矽可以二氧化矽方式沉積並添加到製程的5.1中或添加 到二氧化矽產製的製程中。本發明工廠中之物流及/或能 量流及製程方式之槪略用途可使矽產製之整體製程中的能 源平衡有相當可觀的增進，且同時能增加矽產量。 @ 【圖式簡單說明】 圖la、lb、lb.l、lc :可選擇之工廠組合或元件組合 ，其包含用於碳黑產製之反應器和熱與電力組合系統，隨 意地和用於太陽能矽產製之反應器。 圖2、2a、2b及2c顯示本發明之工廠組合，其中在 二氧化矽產製中藉助於熱與電力組合系統（5.1、5.3或 5.2 )之熱處理步驟或乾燥步驟係以能量的形式利用來自 © 碳黑產製（4.1)的廢熱。根據圖2c，來自驟滅區之蒸汽 係以過熱蒸汽經由5.1而引導至7.1。 圖3顯示將來自熔爐之廢熱用在二氧化矽製造中的砍 產製上。 圖4a、4b及4c各別顯示可行的整體工廠（〇a、〇b 或〇c)，其係連同二氧化矽產製及碳黑產製的製造階段 而用於矽產製。 -26- 201033297 【主要元件符號說明】 1狂·工廠 1 b ·工廠 1 b _ 1 ··工廠 1 c ·工廠 2 :整體工廠 2 a ·工廠 參 2b :工廠 2 c ·工廠 3 .工廠 0 a ·工廠 〇b :工廠 0 c .工廠 4.1 :用於含碳化合物之熱轉化作用的反應器 4.2 :流 ® 5 . 1 :熱與電力組合系統 5.2 :電能 5.3 :廢熱 6.1 :反應器 6.2 :廢熱 6.3 :熱氣管線 7.1 :裝置 7.2 :流 8 :熱交換器 -27-

Claims (1)

1. 201033297 七、申請專利範困： 1·—種工廠（la)，其特徵爲 該工廠包含用於含碳化合物之熱轉化作用的反應器（ 4·1 )，該反應器（4.1 )係與熱與電力組合系統（5.i )連 接’來自熱轉化作用之一部份廢熱（5.3)係藉助於該系 統（5.1)而收回，而且另一部份廢熱係轉換爲機械能或 電能（5.2)，或該反應器（4.1)係與熱電力工廠（5」） 連接’廢熱係藉助於該工廠（5.1)而轉換爲機械能或電 ❹ 能（5.2 ) » 2. 如申請專利範圍第1項之工廠（2 )，其中 收回之廢熱（5.3)係傳導至裝置（7.1)，且該廢熱 (5·3)特別地藉由熱交換器（8)，較佳地藉由次循環而 轉移到裝置（7_1)內，裝置（7.1)較佳地爲產製二氧化 砂之工廠的一部份，該裝置更佳地爲沉澱容器、反應器及 /或乾燥器。 3. 如申請專利範圍第1及2項之工廠（lb)，其中 @ 電能（5.2 )係用作爲供金屬化合物還原用之反應器 (6.1)的能源，特別是電弧爐（light arc furnace) ( 6 ·1 )、熔化反應器或熔爐，較佳地係用於產製矽（以太 陽能矽爲佳）。 4. 如申請專利範圍第1至2項中任一項之工廠（lc )，其中 來自供金屬化合物還原用之反應器（6.1)的熱處理 氣體係經由熱氣管線（6.3 )導入用於碳之熱轉化作用的 -28 - 201033297 反應器（4.1)及/或導入熱與電力組合系統（51)或熱 電力工廠（5.1 )。 5·如申請專利範圍第1至2項中任—項之工廠（lc )，其中 熱氣管線（6.3)係連接供金屬化合物還原用之反應 器（6.1)與用於碳之熱轉化作用的反應器（4.】），或連 接反應器（0.1)與熱與電力組合系統或熱電力工廠（5.1 〇 )’特別係用來將來自反應器（6.1)之熱處理氣體轉移 到反應器（4.1)或（5.1)。 6.如申請專利範圍第1至2項中任—項之工廠（0a )，其中 該供金屬化合物還原用之反應器（6.1 )的廢熱（6.2 )係用於裝置（7.1 )中’且該廢熱（6.2 )特別地藉由熱 交換器（8)從反應器（6.1)轉移到裝置（7.1)。 7·如申請專利範圍第1至2項中任一項之工廠（〇a ® )，其中 該廢熱，特別是反應器（6·1)之廢熱流（6.2)係連 接到裝置（7.1 )。 8. 如申請專利範圍第1或2項之工廠（〇b)，其中 來自供金屬化合物還原用之反應器（6.1)的該熱處 理氣體係經由熱氣管線（6.3 )導入用於碳之熱轉化作用 的反應器（4_1)或導入熱與電力組合系統（5.或熱電 力工廠（5.1 )。 9. 如申請專利範圍第1或2項之工廠（〇b)，其中 -29 - 201033297 用於導引來自供金屬化合物還原用之反應器（6. i ) 的該熱處理氣體之熱氣管線（6.3)係連接此反應器與用 於碳之熱轉化作用的反應器（4.1)，或該熱氣管線係連 接反應器（6.1)與熱與電力組合系統（5.或熱電力工 廠（5.1 )。 10. —種工廠（3)，其特徵爲 該供金屬化合物還原用之反應器（6.1)的廢熱（6.2 )係轉移到裝置（7.1)，特別是與工廠（la)結合，且 該廢熱（6.2)較佳地係藉由熱交換器（8)從反應器（ 6.1 )轉移到反應器（7·1 )，該反應器（6.1 )的廢熱流（ 6.2)較佳地係與裝置（7_1)連接。 11. —種用於含碳化合物之熱轉化作用的反應器（ 4.1)之廢熱於製造電能上的用途，其特別藉助於熱與電 力組合系統或熱電力工廠。 12. 如申請專利範圍第11項之廢熱的用途，其係用 於產製氧化矽，特別是二氧化矽。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之電能的用途，其係用 於供金屬化合物還原用之反應器（6.1 )或裝置（7.1 )運 轉。 1 4.—種特別根據申請專利範圍第1 1至1 3項中任一 項之來自供金屬化合物還原用之反應器（6.1)的熱處理 氣體（6.3)之用途，其係用於反應器（4.1)中以使該反 應器（4.1 )內之碳熱轉化，特別是經由熱氣管線（6.3 ) 將該等熱處理氣體從反應器（6.1)導入反應器（4·1) ’ -30- 201033297 或將該等處理氣體（6.3)於熱與電力組合系統（5.1)或 熱電力工廠（5.1)中用以提高蒸氣的用途。 15. —種供金屬化合物還原用之反應器（6.1)之廢 熱的用途，其係用於產製氧化矽，特別是用於二氧化矽之 熱處理或乾燥。

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