生物质炭在工业硅冶炼中的应用研究.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 鹤n ．1 0 0 7 7 s 4 5 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 1l 生物质炭在工业硅冶炼中的应用研究 白淑坤1 ，陈科彤2 ，周涛3 ，包崇军2 1 ．云南农业大学，昆明6 5 0 1 0 6 ；2 ．昆明冶金研究院，昆明6 5 0 0 3 1 ； 3 ．甘肃省住房和城乡建设厅，兰州7 3 0 0 1 0 摘要采用废弃农作物制备生物质炭，并开展了生物质炭在工业硅冶炼中替代木炭作还原剂使用的工业 试验。结果表明，生物质炭含碳量高、灰分低、化学活性好，制备的工业硅产品质量提高，产量稳定，冶炼 电耗下降7 ．9 ％，电极消耗下降2 2 ．2 ％。 关键词生物质炭；工业硅；应用 中图分类号T N 3 0 4 ．0 5 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 2 一0 0 4 2 一0 3 A p p l i c a t i o nR e s e a r c ho fB i o m a s sC h a r c o a li nS i l i c o nS m e l t i n g B A IS h u k u n l ，C H E NK e t o n 9 2 ，Z H O UT a 0 3 ，B A 0C h o n g j u n 2 1 ．Y u n n a nA g “c u I t u r a lU n i v e r s i t y ，K u n m i n g6 5 0 1 0 6 ，C h i n a ；2 ．K u n m i n gM e t a l l u r g yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，K u n m i n g6 5 0 0 3 1 ，C h i n a ； 3 ．G a n s uP r o v i n c i a lD e p a r t m e n to fH o u s i n ga n dU r b a n r u r a lD e v e l o p m e n t ，I ，a n z h o u7 3 0 0 l O ，Ch i n a A b s t r a c t B i o m a s sc h a r c o a lw a sp r e p a r e df r o mw a s t ec r o p s ． C o m m e r c i a lt e s to fb i o m a s sc h a r c o a la s a s u b s t i t u t ef o rc h a r c o a la sr e d u c i n ga g e n t si ns 订i c o np r o d u c t i o ns m e l t i n gw a sc o n d u c t e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tb i o m a s sc a r b o nh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hc a r b o nc o n t e n t ，l o wa s hc o n t e n t ，a n dg o o dc h e m i c a l a c t i v i t y ． T h eq u a l i t yo fi n d u s t r i a ls i l i c o ni si m p r o v e dw i t hs t a b l eo u t p u ta n dr e d u c t i o no fp o w e r c o n s u m p t i o na n de l e c t r o d ec o n s u m p t i o nb y7 ．9 ％a n d2 2 ．2 ％r e s p e c t i v e l y ． K e yw o r d s b i o m a s sc h a r c o a l ；i n d u s t r i a ls i l i c o n ；a p p l i c a t i o n 我国每年产生核桃壳、烟杆、甘蔗渣、竹、木锯 末、稻壳、玉米秸秆、棉花秆等废弃农作物数亿吨口] ， 这些资源长期堆存，不仅污染环境，而且还浪费了其 中宝贵的热能和碳资源，其资源化利用和无害化处 理研究日益受到重视口] 。工业硅冶炼长期以木炭为 主，不仅资源短缺，质量无法保证，而且严重砍伐森 林，破环生态环境，开展工业硅冶炼木质还原剂替代 技术刻不容缓口] 。 本文将废弃农作物经过粉碎、烘干、高温高压过 程，压制成圆、棱或方形带孑L 型棒，然后放在炭化炉 内干馏制成生物质炭[ 4 ] ，代替部分木炭作工业硅冶 炼用还原剂，不仅实现了农业废弃物的资源化利用， 同时也减少工业硅冶炼中森林资源的消耗，是改善 环境污染，实现可持续发展的有效途径。 1 生物质炭制备及性能分析 1 ．1 原料 生物质炭的制备主要以烟杆、核桃壳、锯木糠、 蕨叶、松毛、玉米秆、甘蔗渣等为原料，原料部分呈杆 茎且含水较高，先对杆茎原料进行粉碎和烘干脱水 后才能人炉炭化。 1 ．2 生物质炭制备工艺与理化性能分析 生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的 情况下经热裂解炭化后产生的一类高度芳香化和难 收稿日期2 0 1 4 一0 9 一0 2 基金项目云南省科技创新强省计划项目 2 0 1 2 A A 0 0 7 ；云南省应用基础研究计划自筹项目 2 0 1 3 F Z l 5 6 作者简介自淑坤 1 9 6 8 一 ，女，云南大理人，高级讲师． 万方数据 2 0 1 5 年第2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 熔性的固态物质吲。制备流程废弃农作物经过粉 碎和烘干后在保护气氛下于5 0 0 ～5 5 0 ℃炭化4 0 ～ 6 0m i n 。按上述工艺流程制备生物质炭，并与木炭 进行对比，主要指标如表1 所示。 表1 生物质炭主要指标 T a b I elM a i ni n d e xo fb i o m a s sc h a r c o a l／％ 通过对比可知，经过热裂解后得到的生物质炭 成分差别很大，其中蕨叶、松毛和稻壳制备的生物质 炭中固定碳≥7 0 ％，比木炭高出很多，灰分和挥发分 也比木炭的低，完全可以满足工业硅冶炼对还原剂 的要求。 工业硅冶炼温度较高，随着温度的上升，还原剂 表面孔隙结构充分分散化，更易于反应被活化。因 此，工业硅冶炼要求还原剂具有较大的孔隙结构。 将用蕨叶、松毛和稻壳三种废弃农作物制成的生物 质炭的表面形貌放大5 0 0 倍进行检测，发现其具有 发达的孔隙结构和巨大的比表面积，蕨叶、松毛、稻 壳制备的生物质炭平均孔径分别为2 ．9 5 、2 ．7 l 、 2 ．8 8n m 。 通常生物质炭比表面积是普通木炭的2 ～5 倍[ 6 1 ] 。同时，生物质炭因其碳组分的高度芳香化而 具有较高的生物化学稳定性和热稳定性[ 8 。9 ] 。这进 一步证明生物质炭物理结构与木炭类似，化学活性 强，是优良的工业硅冶炼还原剂。 2 生物质炭替代木炭生产工业硅的试验 工业硅是在矿热炉内用低灰分炭质还原剂还原 高纯硅石而得到的。将硅石洗选、筛分并干燥后，根 据还原剂种类，按不同比例配料，借助计算机程序控 制各料比例，通过自动送料系统加入矿热炉。原料 在矿热炉内经电极加热到14 0 0 ～2o o o ℃时形成 S i O C 体系，发生多相还原反应，冶炼过程非常 复杂。经过还原后的硅呈液态，通过出硅口进人硅 包；由于S i 0 。被还原的同时，原料中的杂质也被还 原进入硅液[ 3 ] ，因此，需要对硅液进行炉外精炼除 杂，之后再进行浇铸得到工业硅铸锭，最后经破碎、 包装得到工业硅成品。 2 ．1 试验配比 先将制备的生物质炭破碎到o ～2 5m m ，然后 与现有的木炭、木块等还原剂按比例配入硅石，混合 均匀后加入矿热炉生产金属硅，生物质炭配比为 1 0 ％～1 5 ％。 2 ．2 试验工艺流程 选取某厂大容量矿热炉开展试验，研究生物质 炭的配比对工业硅生产指标的影响，试验先将破碎 好的生物质炭与木炭、硅石按照比例混料后投入矿 热炉中反应，经出硅口放出液体硅，并加入精炼剂进 行炉外精炼，最后经过铸锭、冷却、破碎制得工业硅 产品。 3 试验结果及分析 3 ．1 对电、电极消耗的影响 改变生物质炭在还原剂中的配比，研究生物质 炭用量对工业硅生产中电耗和电极消耗情况的影 响，结果如图1 所示。 e ● 妻 琶 、 蜒 磐 删 f 口 二 犍 鍪 辎 粤 图1 生物质炭配比与电单耗和电极单耗的关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nb i o m a s sc a r b o n r a t i oa n dc o n s u m p t i o nO fp O w e ra n de l e c t r o d e 从图1 可知，随着生物质炭用量从1 0 ％增加到 1 5 ％，电极单耗一直呈下降趋势，降幅达2 2 ．2 ％；电 单耗先下降后上升，当生物质炭配比为1 3 ％时，下 降幅度达7 ．9 ％。因此，生物质炭配比为1 3 ％的效 果较好。 3 ．2 对产量的影响 选择生物质炭的配比为1 3 ％，连续生产7 天， 计算平均日产量，并与试验前的平均日产量对比，结 果如图2 所示。 由图2 可见，生物质炭应用于工业硅生产后， 平均日产量较试验前略有上升，总体保持平稳，这是 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第2 期 o b ● 芎 咖 { L 霜 降 图2 试验前后工业硅产量变化曲线 F i g ．2o u t p u to fi n d u s t r i a ls i n c o nb e f o r e a n da f t e rt e s t 因为生物质炭的含碳量较木炭高，增加了硅石在矿 热炉中被还原的几率，从而提高了工业硅的产量。 3 ．3 对产品质量的影响 统计试验前后牌号为2 2 0 2 、3 3 0 3 、4 2 1 、5 2 1 的4 种主要工业硅产品的产出率，研究生物质炭的加入 对工业硅质量的影响。结果表明，上述4 种牌号的 工业硅在试验前的日均产出率分别为 ％ 1 3 ．5 6 、 9 ．0 9 、6 1 ．2 2 、8 ．0 3 ，试验后的日均产出率分别为 ％ 1 5 ．9 9 、1 1 ．8 7 、4 2 ．3 5 、5 ．5 1 。由此可知，试验后 产品质量有很大提升，品级率较高的2 2 0 2 级硅和 3 3 0 3 级硅的产出率分别提升1 7 ．9 ％和3 0 。5 ％，增 长幅度较大；品级率较低的4 2 1 、5 2 1 级硅产出率分 别降低了3 0 ．8 ％和3 1 ．3 ％。 工业硅生产中的杂质元素以F e 、A l 、C a 为主， 主要来源于还原剂，废弃农作物生物质炭的灰分和 挥发分均低于木炭，灰分中F e z O 。、A l 0 3 、C a O 的含 量也低于木炭，而在矿热炉中进行还原反应时，S i 0 。 被还原的同时，杂质F e 。O 。、A l 。O 。、C a O 等也被还 原，部分在高温环境下挥发，其余大多进人硅液中， 最终进入硅锭[ 3 ] ，因此，废弃农作物生物质炭替代部 分木炭后产品质量得到提升。 4结论 1 制备废弃农作物生物质炭的最适温度为5 0 0 ～5 5 0 ℃，其固定碳能达到7 0 ％，化学指标相对较 好，稳定性良好，具有发达的孑L 隙结构和巨大的比表 面积，化学活性高，可以满足工业硅冶炼对还原剂的 要求。 2 废弃农作物生物质炭在工业硅冶炼还原剂中 的配比为1 3 ％时，电耗和电极消耗的下降幅度分别 达到7 ．9 ％和2 2 ．2 ％，产量略有提高，产品质量有很 大提升。 参考文献 [ 1 ] 朱虹，高玲，陆金晶．秸秆综合利用技术与装备现状调 查[ E B ／0 L ] ．中国农业机械化信息网，[ 2 0 1 0 0 9 一0 8 ] ． h t t p ／／w w w ．a m ic ．a g r i ．g o v ．c n ／n x t w e b f r e a m w o r k ／z t z l ／ jn j p ／d e t a i l ．j s p a r t i c l e I d 一1 0 7 6 6 9 ． [ 2 ] 李大威，严刚，王业耀，等．我国中小城市生活垃圾优化 管理模型口] ．中田环境科学，2 0 0 3 ，2 3 1 1 0 5 一1 0 9 ． [ 3 ] 陈科彤，卢国洪，包崇军，等．硅冶炼中还原剂改进与电 炉容量扩大研究[ J ] ．云南冶金，2 0 1 3 ，4 2 4 3 0 一3 4 ． [ 4 ] 蒋恩臣，何光设．生物质热分解技术比较研究[ C ] ／／中 国农业工程学会．农业工程科技创新与建设现代农 业一2 0 0 5 年中国农业工程学会学术年会论文集第四分 册，中国农业工程学会，2 0 0 5 6 ． [ 5 ] L e h n l a n nJ ，G a u n tJ ，R o n d o nM ． B i o c h a rs e q u e s t r a t i o ni n t e r r e s t r i a le c o s y s t e m s Ar e 访e w [ J ] ．M i t i g a t i o na n dA d a p t a t i o nS t r a t e g i e sf o rG 1 0 b a lC h a n g e ，2 0 0 6 ，1 1 4 0 3 4 2 7 ． [ 6 ] 张齐生．重视竹材化学利用，开发竹炭应用技术[ J ] ．竹 子研究会刊，2 0 0 1 ，2 0 3 3 4 - 3 5 ． [ 7 ] K i s h i m o t os ，S u g i u r aG ． c h a r c o a la sas o i lc o n d i t i o n e r [ J ] ．I n tA c h i e v eF u t u r e ，1 9 8 5 ，5 1 2 2 3 ． [ 8 ] 冯琪波．稻田土壤水稻秸秆生物质炭稳定性研究[ D ] ． 杭州浙江大学，2 0 1 3 ． r 9 ] P e s s e n d aLCR ，G o u v e i aSEM ，A r a v e n aR ．R a d i o c a r - b o nd a t i n go ft o t a ls o i lo r g a n i cm a t t e ra n dh u m i nf r a c t i o n a n di t sc o m p a r i s o nw i t h1 4 ca g e so ff o s s i lc h a r c o a l [ J ] ． R a d i o c a r b o n ，2 0 0 1 ，4 3 2 B 5 9 5 6 0 1 ． 万方数据