專利名稱：一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用非木炭的復合碳質還原劑生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，具體地說是涉及一種由脫灰冶金焦和生物質炭作為復合還原劑生產(chǎn)工業(yè)硅的方法。
背景技術：
工業(yè)硅是由硅石和碳還原劑在礦熱爐內冶煉成的產(chǎn)品，主成分硅元素的含量在97 %以上，其余雜質為鐵、鋁、鈣等。經(jīng)碳熱還原法生產(chǎn)的含硅99%以上的產(chǎn)品。高純度的工業(yè)硅是生產(chǎn)有機硅、太陽能級硅和電子級硅的原料。隨著高新技術的進步，硅的使用范圍將越來越廣泛，需求量也將越來越大。工業(yè)硅生產(chǎn)的主要原料有硅石、碳素電極或石墨電極、碳質還原劑。我國的硅石分布范圍很廣，很多地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了適合生產(chǎn)工業(yè)硅的硅礦石。水洗后的硅礦石SiO2含量彡 99. 0%, Fe2O3 ( 0. 15%, Al2O3 ( 0. 2%, CaO ( 0. 1%，雜質總和不大于 0. 5%。由此可以看出， 工業(yè)硅產(chǎn)品中的雜質主要由生產(chǎn)過程中使用的碳質還原劑帶入。為生產(chǎn)出高純度的工業(yè)硅產(chǎn)品，必須對碳質還原劑提出嚴格的要求。選擇碳質還原劑的原則是除了固定碳和灰分含量外，還要求具有反應活性好、比電阻高、高溫下不易發(fā)生石墨化、粒度適宜、一定的機械強度等物理性能。目前，我國生產(chǎn)工業(yè)硅通常使用的還原劑主要有木炭、石油焦、藍炭、低灰分煙煤、浙青焦等。碳質還原劑中真正起還原作用的是固定碳。固定碳含量越高，還原同樣數(shù)量的硅石所消耗的還原劑就越少， 由還原劑帶入爐內的雜質也越少。但如果固定碳含量太高，則還原劑的活性會降低，不利于反應進行，例如固定碳含量很高的無煙煤并不是理想的工業(yè)硅生產(chǎn)還原劑。而作為生產(chǎn)工業(yè)硅最理想的還原劑木炭因為環(huán)境保護和成本等因素的限制，已不能在工業(yè)硅生產(chǎn)中大量使用。冶金焦是一種常見的碳質還原劑，因其具有熱強度高、反應性強、高溫下不易發(fā)生石墨化的優(yōu)點，廣泛用于高爐煉鐵和銅、鉛、鋅、鈦、銻、汞等有色金屬的鼓風爐冶煉。但由于冶金焦灰分含量相對于木炭高，不符合生產(chǎn)工業(yè)硅對碳質還原劑灰分的要求，在工業(yè)硅生產(chǎn)中并未得到應用。隨著焦炭脫灰技術的發(fā)展，脫灰后的冶金焦各項指標已完全能滿足工業(yè)硅對還原劑的要求。專利CN101774565A“一種焦炭深度脫灰的方法”，采用高壓堿浸和常壓酸浸的聯(lián)合工藝，能將焦炭的灰分降低到5 wt. %以下，固定碳含量提高到85wt. %以上，可以滿足工業(yè)硅生產(chǎn)對還原劑的要求。在冶金焦的生產(chǎn)和使用過程中會產(chǎn)生大量粒度(小于25mm)不合格的焦丁和焦粉，這部分焦炭通常堆存或作為燃料廉價出售，可以使用粒度不合格的焦丁和焦粉脫灰后作為工業(yè)硅生產(chǎn)的還原劑，即實現(xiàn)了焦炭資源的綜合利用，也降低了工業(yè)硅的生產(chǎn)成本。生物質炭是利用高溫熱解生物質得到的碳質材料。生物質的來源包括核桃殼、松子殼、稻殼、玉米芯等，可根據(jù)工業(yè)硅廠附近的資源就地取材。生物質炭的制備技術已較為成熟，已有多項技術可以生產(chǎn)達到本工藝要求的生物質炭。專利CN101962557A “一種生物質炭還原劑的制取與工業(yè)硅生產(chǎn)聯(lián)合工藝”利用工業(yè)硅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫煙氣余熱為生物質熱解提供熱源生產(chǎn)生物質炭，該技術的優(yōu)點在于熱解熱源來自于工業(yè)硅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫煙氣，不需要其他額外的熱源，降低了生物質炭的生產(chǎn)成本，同時也回收了煙氣中的余熱。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種非木炭、低灰分、高固定碳、高反應活性及低成本的工業(yè)硅復合還原劑。本發(fā)明提出的復合碳質還原劑以脫灰冶金焦為主體，混和一定量生物質炭。 以脫灰冶金焦為主體是因為脫灰冶金焦固定碳含量高、灰分低、反應活性強、機械強度好。 添加生物質炭可增加還原劑的比電阻，有利于電極插入，提高反應區(qū)溫度。本發(fā)明的技術方案是將硅石在入爐前經(jīng)過破碎、清洗和篩分，將脫灰冶金焦和生物質炭按一定比例配置成復合碳質還原劑，然后在礦熱爐中加入硅石和復合碳質還原劑進行熔煉、精煉、最后澆注、破碎，得到工業(yè)硅。(如圖1所示)
所述硅石的成分重量百分比:Si02 彡 98%,Al2O3 ( 0. 05%,Fe2O3 ( 0. 02%,CaO ( 0. 05、 P2O3 彡 0. 03%。所述硅石入爐前的處理是采用顎式破碎機將硅石破碎至150mm以下，再由振動篩篩分，控制入爐硅石的粒度范圍為25 150mm，以保證爐料的透氣性和大的反應面積。清洗采用滾筒洗石機水洗，可以洗去硅石開采、運輸和破碎過程中帶入的泥沙等硅石表面附著的雜質，減少硅石帶入的雜質元素。所述的脫灰冶金焦是由廢棄冶金焦粉經(jīng)深度脫灰得到的，脫灰冶金焦的灰分含量小于5 wt. %，固定碳含量大于85 wt. %，揮發(fā)分小于3 wt. %。所述的生物質炭是由生物質材料在高溫下熱解得到的。生物質可根據(jù)工業(yè)硅廠附近的資源就地取材，如核桃殼、松子殼、稻殼、玉米芯等。生物質炭可使用一種生物質生產(chǎn)， 也可使用不同種類的生物質混合在一起加工生產(chǎn)。最終得到的生物質炭的灰分含量小于 5wt. %，固定碳含量大于60wt. %，揮發(fā)分小于30wt. %。所述的復合碳質還原劑由脫灰冶金焦和生物質炭兩部分組成，分別儲存與不同的料倉中。按照生產(chǎn)料批量要求與硅石分別稱料、布料，經(jīng)混合的批料由皮帶加入到爐頂緩沖料倉。脫灰冶金焦和生物質炭的比例可根據(jù)硅石的成分、對產(chǎn)品的要求和爐況等實際生產(chǎn)情況的范圍內調整，使加料制度更靈活，利于爐況的穩(wěn)定，降低電耗。與使用木炭作為工業(yè)硅還原劑相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果
(1)本發(fā)明使用的復合碳質還原劑揮發(fā)分含量較木炭低，產(chǎn)生的煙氣量小，減少了熱量的損失和微硅粉的產(chǎn)生，減輕了煙氣處理系統(tǒng)的負擔；
(2)本發(fā)明使用的復合碳質還原劑成分穩(wěn)定，熱強度好，有利于爐況的穩(wěn)定和生產(chǎn)的順利進行，降低生產(chǎn)電耗；
(3)利用粒度不合格的冶金焦作為工業(yè)硅生產(chǎn)還原劑，實現(xiàn)了焦炭資源的合理利用；
(4)本發(fā)明使用的復合碳質還原劑中兩種成分比例可根據(jù)爐料成分和爐況隨時調整， 配料制度靈活，利于爐況的穩(wěn)定和電耗的降低；
(5)脫灰冶金焦和生物質炭替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅，實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，減少了森林資源的消耗，符合節(jié)能減排的要求；
(6)使用本發(fā)明的復合碳質還原劑進行工業(yè)硅生產(chǎn)，可以得到Si>99wt.%，F(xiàn)e<0. 3 wt. %，AKO. 2wt. %，Ca<0. lwt. % 的工業(yè)硅。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式
實施例1
如圖 1 所示，硅石(SiO2 98%、Α1203 0. 05%,Fe2O3 0. 02%,CaO 0. 05,P2O3 0. 03%)經(jīng)破碎(粒度25 80mm)、水洗、篩分后，與復合碳質還原劑(如表1，生物質炭是由核桃殼在高溫下熱解得到)按比例混勻。配料以重量計，每IOOOkg硅石配入復合碳質還原劑600kg (脫灰冶金焦55%，生物質炭45%)?；靹蚝蟮奈锪霞尤氲V熱爐內進行熔煉，經(jīng)精煉后獲得的工業(yè)硅產(chǎn)品主要成分為 Si>99. 5wt. %，F(xiàn)e ( 0. 27 wt. %，Al ( 0. 14wt. %，Ca ( 0. 08wt. %。表1復合還原劑成分表
組分灰分/%固定碳/%揮發(fā)分/%質量比/%脫灰冶金焦4. 5792. 902. 4355生物質炭2. 8379. 945. 4545
實施例2
如圖 1 所示，硅石(SiO2 99%,Al2O3 0. 045%,Fe2O3 0. 01%,CaO 0. 04,P2O3 0. 02%)經(jīng)破碎 (粒度25 100mm)、水洗、篩分后，與復合碳質還原劑混勻(如表2，生物質炭是由核桃殼和松子殼在高溫下熱解得到)。配料以重量計，每IOOOkg硅石配入復合碳質還原劑600kg(脫灰冶金焦6096，生物質炭40%)?；靹蚝蟮奈锪霞尤氲V熱爐內進行熔煉，經(jīng)精煉后獲得的工業(yè)硅產(chǎn)品主要成分為 Si>99. 5wt. %，F(xiàn)e ( 0. 24 wt. %，Al ( 0. llwt. %，Ca ( 0. 06wt. %。
表2復合還原劑成分表
組分灰分/%固定碳/%揮發(fā)分/%質量比/%脫灰冶金焦4. 50932. 4560生物質炭2. 6979. 8814. 0140
實施例3
如圖 1 所示，硅石(SiO2 98. 8%,Al2O3 0. 03%、Fe2O3 0. 019%,CaO 0. 04,P2O3 0. 025%)經(jīng)破碎、水洗、篩分后，與復合碳質還原劑混勻(如表3，生物質炭是由核桃殼、松子殼和稻殼在高溫下熱解得到)。配料以重量計，每IOOOkg硅石配入復合碳質還原劑600kg (脫灰冶金焦9596，生物質炭5%)?；靹蚝蟮奈锪霞尤氲V熱爐內進行熔煉，經(jīng)精煉后獲得的工業(yè)硅產(chǎn)品主要成分為 Si>99. 6wt. %，F(xiàn)e ( 0. 20 wt. %，Al ( 0. 09wt. %，Ca ( 0. 09wt. %。
表3復合還原劑成分表
組分灰分/%固定碳/%揮發(fā)分/%質量比/%脫灰冶金焦4. 8890. 893. 9095生物質炭4. 366825. 645
實施例4
如圖 1 所示，硅石(SiO2 98%、Al2O3 0. 03%、Fe2O3 0. 02%、CaO 0. 04、P2O3 0. 025%)經(jīng)破碎、水洗、篩分后，與復合碳質還原劑混勻(如表4，生物質炭是由核桃殼、松子殼、稻殼和玉米芯在高溫下熱解得到)。配料以重量計，每IOOOkg硅石配入復合碳質還原劑600kg (脫灰冶金焦8096，生物質炭20%)?；靹蚝蟮奈锪霞尤氲V熱爐內進行熔煉，經(jīng)精煉后獲得的工業(yè)硅產(chǎn)品主要成分為 Si>99. 3wt. %，F(xiàn)e ( 0. 25 wt. %，Al ( 0. 19wt. %，Ca ( 0. 09wt. %。
表4復合還原劑成分表
權利要求
1.一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于將脫灰冶金焦和生物質炭配制成碳質還原劑，還原冶煉硅石生產(chǎn)工業(yè)硅。
2.根據(jù)權利要求書1所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述硅石的成分重量百分比:Si02彡98%、A1203 ( 0. 05%,Fe2O3 ( 0. 02%,CaO ^O. 05, P2O3 彡 0. 03%。
3.根據(jù)權利要求書1所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述硅石的粒度為25 150mm。
4.根據(jù)權利要求書1所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述脫灰冶金焦由廢棄冶金焦粉經(jīng)深度脫灰得到，灰分含量小于5 wt. %，固定碳含量大于85 wt. %，揮發(fā)分小于3 wt. %。
5.根據(jù)權利要求書1所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述生物質炭是由生物質材料在高溫下熱解得到的。
6.根據(jù)權利要求書5所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述生物質材料是由核桃殼、松子殼、稻殼、玉米芯的一種或任意幾種混合物組成。
7.根據(jù)權利要求書1或5所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述生物質炭的灰分小于5 wt. %，固定碳含量大于60wt. %，揮發(fā)分小于30wt. %。
8.根據(jù)權利要求書1所述的一種復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法，其特征在于所述碳質還原劑中脫灰冶金焦95 wt. % 55 wt. %，生物質炭5 wt. % 45 wt. %。
全文摘要
一種由脫灰冶金焦和生物質炭組成的復合碳質還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅的方法。脫灰冶金焦是一種由廢棄冶金焦經(jīng)脫灰處理后灰分小于5wt.%，固定碳含量大于85wt.%，揮發(fā)分小于3wt.%的脫灰冶金焦。生物質炭是利用高溫熱解生物質得到的碳質材料，生物質炭的灰分小于4wt.%，固定碳含量大于75wt.%，揮發(fā)分小于7wt.%。本發(fā)明使用脫灰冶金焦和生物質炭按一定比例制成復合碳質還原劑，以替代木炭用于工業(yè)硅生產(chǎn)，該復合還原劑可穩(wěn)定爐況，降低電耗，不僅降低工業(yè)硅生產(chǎn)成本，而且實現(xiàn)廢棄資源的綜合利用和工業(yè)硅行業(yè)的清潔生產(chǎn)，減少CO2的排放。
文檔編號C01B33/025GK102442671SQ201110306910
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權日2011年10月12日
發(fā)明者伍繼君, 劉大春, 周陽, 寧哲, 戴永年, 曲濤, 楊斌, 王 華, 謝克強, 馬文會, 魏奎先, 龍萍 申請人:昆明理工大學