探討工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的研究與應(yīng)用

楊林改 楊加全 沈慶偉 袁蓉

摘要：工業(yè)硅是一種十分重要的化工原料，在汽車(chē)制造、煉鋼、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在工業(yè)硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)，碳質(zhì)還原劑必不可少，此類(lèi)物質(zhì)的應(yīng)用有效性越高，越有利于提高工業(yè)硅生產(chǎn)質(zhì)效?；诖耍疚囊栽鰪?qiáng)工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探討傳統(tǒng)工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑和新型碳質(zhì)還原劑的研究與應(yīng)用情況，以期為相關(guān)工作人員提供幫助。

關(guān)鍵詞：工業(yè)硅;碳質(zhì)還原劑;木炭;石油焦

前言：

從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，工業(yè)硅生產(chǎn)中的碳質(zhì)還原劑選擇準(zhǔn)確性，既會(huì)影響生產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，又會(huì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗以及環(huán)保水平產(chǎn)生深刻影響。傳統(tǒng)的工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑是木炭，但受到多種原因影響木炭的實(shí)用性逐漸下降，人們?cè)诓粩鄬で竽咎刻娲返倪^(guò)程中，加深了對(duì)于工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的研究，也豐富了工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的應(yīng)用路徑。

1工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的應(yīng)用概述

工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域會(huì)應(yīng)用到多種多樣的還原劑，在生產(chǎn)工業(yè)硅時(shí)最主要的還原劑就是碳質(zhì)還原劑。當(dāng)前，工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的種類(lèi)越來(lái)越豐富，了解各類(lèi)型碳質(zhì)還原劑的特點(diǎn)以及應(yīng)用要點(diǎn)，更有助于提高應(yīng)用質(zhì)效。

1.1碳質(zhì)還原劑的作用

工業(yè)硅生產(chǎn)的主要設(shè)備是埋弧電爐，而主要生產(chǎn)原料有二：其一是二氧化硅;其二是碳質(zhì)還原劑。實(shí)踐中，將生產(chǎn)原料置于生產(chǎn)設(shè)備中，以三相電機(jī)為電爐供能，使設(shè)備運(yùn)行溫度達(dá)到1800℃以上。這樣一來(lái)，爐內(nèi)物質(zhì)將在高溫下發(fā)生碳熱還原反應(yīng)，最終得到工業(yè)硅。通常來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)工業(yè)硅時(shí)需選用的二氧化硅含量大于99%的石英砂作為原材料，擁有同等二氧化硅含量的硅石也可應(yīng)用在生產(chǎn)領(lǐng)域。碳質(zhì)還原劑的種類(lèi)十分多樣，固定碳含量較高的煤化工產(chǎn)品大多都能充當(dāng)碳工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑[1]。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，碳質(zhì)還原劑的主要作用就是在高溫下實(shí)現(xiàn)工業(yè)硅生產(chǎn)原料的強(qiáng)還原，以便獲得高純度的工業(yè)硅。

1.2碳質(zhì)還原劑的種類(lèi)

1.2.1木炭

木炭是最為傳統(tǒng)的一種工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑，這是一種孔隙率高、灰分低、化學(xué)活性強(qiáng)且比電阻大的物質(zhì)，還具有高溫下不易石墨化的特點(diǎn)，可充分滿(mǎn)足工業(yè)硅生產(chǎn)的熱碳還原反應(yīng)需求，屬于性能極為優(yōu)越的碳質(zhì)還原劑?；谀咎康墓I(yè)硅生產(chǎn)，往往具有爐況穩(wěn)定、工業(yè)硅品質(zhì)高的特點(diǎn)。從理化特性方面來(lái)看，木炭是最為理想的工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑。但這種物質(zhì)的產(chǎn)生需要以木材燃燒為代價(jià)，工業(yè)硅生產(chǎn)中木炭與制作木炭所用的木材消耗量之比高達(dá)1：6，大量使用會(huì)造成非常嚴(yán)重的林木資源短缺和生態(tài)環(huán)境破壞;而且，以木炭作為碳質(zhì)還原劑的工業(yè)硅往往有著較高的生產(chǎn)成本，無(wú)論是從生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益還是生態(tài)效益方面來(lái)看，木炭都不再適用。

1.2.2煙煤與褐煤

工業(yè)硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以煤作為碳質(zhì)還原劑的情況也十分常見(jiàn)，其中最具實(shí)用性的煤是煙煤與褐煤。煙煤屬于煤的變質(zhì)產(chǎn)物，具有冶金性能，而且其燃燒發(fā)熱量極高，在工業(yè)生產(chǎn)用燃料中有著極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。利用煙煤代替木炭充當(dāng)工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑十分可行，但生產(chǎn)時(shí)需要加入適量的疏松劑，以便彌補(bǔ)這一物質(zhì)在透氣性方面的不足。需要注意的是，煙煤有著較高的灰分量，所以使用中需要先進(jìn)行脫灰處理。與煙煤相比，褐煤的煤化程度極低，是一種擁有強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)性和燃燒污染性的低級(jí)煤。褐煤燃燒后的發(fā)熱量相對(duì)較低，而且其固定碳含量也比較低，并不是理想的燃料和碳質(zhì)還原劑，但經(jīng)過(guò)熱解加工后擁有焦油產(chǎn)量高和化學(xué)性強(qiáng)的特性，所以也能在一定程度上代替木炭。

1.2.3石油焦

在工業(yè)硅生產(chǎn)領(lǐng)域，石油焦一直被視為木炭的最佳替代品，隨著石油焦應(yīng)用研究的深入，以石油焦為碳質(zhì)還原劑的工業(yè)硅生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。從性能角度來(lái)看，石油焦同樣具有灰分低的特性，而且它的固碳含量極高，在低溫條件下有著大比電阻和絕佳的絕緣性，完全可以滿(mǎn)足工業(yè)硅生產(chǎn)需求[2]。當(dāng)其作為碳質(zhì)還原劑參與工業(yè)硅生產(chǎn)時(shí)，燃燒溫度越高，石墨化程度與導(dǎo)電性就會(huì)越強(qiáng)，而比電阻則會(huì)迅速下降。結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，若僅基于石油焦生產(chǎn)工業(yè)硅，雖然也能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求但產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益都不盡如人意，若將其與其他類(lèi)型的碳質(zhì)還原劑混合后應(yīng)用，則可大幅提升工業(yè)硅生產(chǎn)質(zhì)效。

2碳質(zhì)還原劑選用標(biāo)準(zhǔn)

在工業(yè)硅生產(chǎn)中，碳質(zhì)還原劑選用是最為重要的一項(xiàng)工作，它不僅深刻影響著工業(yè)硅的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量，更會(huì)對(duì)工業(yè)硅生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益產(chǎn)生深刻影響。事實(shí)上，工業(yè)硅生產(chǎn)者既可以選用單一類(lèi)型的碳質(zhì)還原劑，也可基于多種碳質(zhì)材料混合搭配，因地制宜地制作復(fù)合型碳質(zhì)還原劑。在這環(huán)節(jié)中，需要充分考量碳質(zhì)還原劑選用的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和生態(tài)性。為此，選用碳質(zhì)還原劑應(yīng)遵循原則：

第一，固定碳含量高。固定碳工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的重要組成部分，也是參與二氧化硅熱碳還原反應(yīng)的最有效成分。生產(chǎn)中，高溫燃燒會(huì)導(dǎo)致部分固定碳被浪費(fèi)，還原相同數(shù)量的硅石時(shí)，碳質(zhì)還原劑中的固定碳含量越高用量越少，帶入爐內(nèi)的雜質(zhì)也就越少。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，選用固定碳含量高的碳質(zhì)還原劑有助于節(jié)約成本、降低能耗、提高質(zhì)量、增加效益。

第二，灰分低。作為最理想的碳質(zhì)還原劑，木炭就具有灰分低的特質(zhì)，而后續(xù)選出的木炭替代品中大部分物質(zhì)都具有這一特點(diǎn)。在工業(yè)硅生產(chǎn)中，碳質(zhì)還原劑灰分低就意味著還原劑本身所含有的雜質(zhì)少，更容易滿(mǎn)足高純度工業(yè)硅生產(chǎn)要求。從生產(chǎn)角度來(lái)看，生產(chǎn)用硅石質(zhì)量越高，就越需要嚴(yán)控生產(chǎn)雜質(zhì)的帶入量，所以必須選用低灰分的碳質(zhì)還原劑[3]。

第三，揮發(fā)分含量適中。工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑之中，揮發(fā)分也是十分重要的成分，其含量與炭化溫度有關(guān)，而且碳質(zhì)還原劑的機(jī)械強(qiáng)度越高則揮發(fā)分含量就越低。在選用碳質(zhì)還原劑時(shí)，若選用揮發(fā)分過(guò)高的碳質(zhì)還原劑，那么還原劑的機(jī)械強(qiáng)度就無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求;若選用揮發(fā)分過(guò)低的碳質(zhì)還原劑，則不利于爐內(nèi)反應(yīng)質(zhì)效提升，因此綜合考慮之下工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的揮發(fā)分含量以適中為最佳。

第四，水分含量低。通常來(lái)說(shuō)，碳質(zhì)還原劑中的水分會(huì)以外水和內(nèi)水兩種形式存在，前者含量遠(yuǎn)多于后者。不同類(lèi)型的碳質(zhì)還原劑，在水分含量方面的差異相對(duì)較大，但整體而言，水分含量低的碳質(zhì)還原劑更適用于工業(yè)硅生產(chǎn)。

第五，反應(yīng)性能、比電阻、機(jī)械強(qiáng)度高。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的反應(yīng)性能、比電阻以及機(jī)械強(qiáng)度越高，越有利于提高生產(chǎn)質(zhì)效，保障工業(yè)硅的產(chǎn)量和質(zhì)量。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，高溫下不易石墨化程度低的碳質(zhì)還原劑往往擁有極高的反應(yīng)性能，可切實(shí)提升爐內(nèi)反應(yīng)速率，而還原劑比電阻和機(jī)械強(qiáng)度高，則有助于提高爐況順暢性、提高熱利用率，實(shí)現(xiàn)低耗高效。

3新型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑研究與應(yīng)用

種種原因之下，單一型碳質(zhì)還原劑已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)硅生產(chǎn)的實(shí)際需求，企業(yè)更加關(guān)注復(fù)合型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的研究和應(yīng)用。而且，在實(shí)踐中極為重視新型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的研發(fā)。當(dāng)前，最受關(guān)注的新型碳質(zhì)還原劑有三種：其一是混合碳質(zhì)粉體制團(tuán);其二是煅燒木材做還原劑;其三是生物質(zhì)型煤。三種新型還原劑都屬于多種物質(zhì)混合后的碳質(zhì)還原劑，在使用中皆具節(jié)約木炭用量、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及減少污染排放等效用[4]。為此，本文以混合碳制粉體制團(tuán)為例，對(duì)新型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑研究和應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)述。

3.1還原劑研究

在節(jié)能環(huán)保、綠色化工業(yè)發(fā)展的理念之下，木炭產(chǎn)量逐年走低。雖然木炭是最理想的工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑，但在木炭采購(gòu)難度和成本大幅升高的情況下，尋求木炭替代品勢(shì)在必行。作為一種固碳含量高、灰分低的物質(zhì)，石油焦展現(xiàn)出了極強(qiáng)的木炭替代性，但其高溫易石墨化的缺陷也在一定程度上限制了生產(chǎn)應(yīng)用。為突出石油焦的實(shí)用性，就必須著力降低其石墨化問(wèn)題。所以，研究人員將重點(diǎn)放在了混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)制作和工業(yè)化生產(chǎn)上，這種新型還原劑是以石油焦為主要原料，融入不同類(lèi)型還原劑、生物質(zhì)后，基于粘接劑量形成的球團(tuán)狀復(fù)合還原劑。在混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)的研究中，相關(guān)工作人員從提高高硫石油焦實(shí)用性、復(fù)合還原劑替代性以及環(huán)保性的角度出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注石油焦性能影響因素、脫硫處理方法以及生物質(zhì)與石油焦的融合應(yīng)用。

基于實(shí)踐，研究人員發(fā)現(xiàn)石油焦的性能以及反應(yīng)機(jī)理深受添加劑影響，研磨介質(zhì)也同樣會(huì)對(duì)石油焦反應(yīng)性能產(chǎn)生影響。在高硫石油焦的脫硫研究方面，真空度成為影響石油焦脫硫效果的主要因素，與常壓條件相比真空脫硫效果更強(qiáng)?；趯?shí)驗(yàn)室研究，獲得混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)最佳原料配比如下：20-25%低灰煤+5%蘭炭+10%增碳劑+55-60%石油焦+5%木炭粉末;最佳原料配比下的球團(tuán)性能測(cè)試結(jié)果如下：20MPa壓強(qiáng)之下，混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)的應(yīng)力高于9MPa，可滿(mǎn)足工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的生產(chǎn)運(yùn)輸和使用需求;該物質(zhì)在高溫條件下的化學(xué)反應(yīng)活性與木炭極為相近，所以完全可替代木炭充當(dāng)還原劑;經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)現(xiàn)，混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)的比電阻測(cè)試結(jié)果以及固定碳等主要成分分析結(jié)果也都符合工業(yè)硅冶煉生產(chǎn)要求，所以利用混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)作為新型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑十分可行。

3.2還原劑應(yīng)用

以混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)作為工業(yè)硅生產(chǎn)用還原劑，能夠有效降低生產(chǎn)中的木炭以及其他類(lèi)型的單一煤化工產(chǎn)品用量。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，還能通過(guò)生物質(zhì)回收應(yīng)用減少資源浪費(fèi)，而且生產(chǎn)混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)時(shí)向農(nóng)民回收生物質(zhì)還能幫助農(nóng)民增收。想要推動(dòng)混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)還原劑的有效應(yīng)用，就必須強(qiáng)調(diào)此類(lèi)碳質(zhì)還原劑的工業(yè)化生產(chǎn)。整體而言，混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)該包括備料、混合、攪拌、成形和烘干等多個(gè)流程。此時(shí)，以顎式破碎機(jī)、型煤壓球設(shè)備、鏈條式烘干設(shè)備和一混、二混設(shè)備為主要生產(chǎn)設(shè)備，通過(guò)投放原料、原料破碎、碎料傳輸、粘接劑投放、混合粘結(jié)、成形烘干等工序產(chǎn)出混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)。將混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)應(yīng)用到工業(yè)硅生產(chǎn)中，可提高爐內(nèi)火焰高度和溫度?；趯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，投放混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)后，900℃（爐表面溫度）的高溫條件之下，爐內(nèi)反應(yīng)活性將超過(guò)80%;而當(dāng)溫度升高至1000℃時(shí)，混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)的還原性能將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，反應(yīng)活性高達(dá)99.2%，而且還原劑在爐表面就可發(fā)生還原反應(yīng)，這種提前反應(yīng)具有放熱性所以爐表面溫度越高越有利于強(qiáng)化生產(chǎn)。

結(jié)論：綜上所述，固定碳含量高是工業(yè)硅生產(chǎn)用炭質(zhì)還原劑的最基本選用要求。隨著化工原料種類(lèi)豐富以及生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑已經(jīng)不再局限于木炭、石油焦、煤、蘭炭等傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)品，以混合碳質(zhì)粉體制團(tuán)為代表的新型碳質(zhì)還原劑也被廣泛應(yīng)用到工業(yè)硅生產(chǎn)領(lǐng)域。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化還原劑配比將會(huì)進(jìn)一步提高生產(chǎn)質(zhì)效，并使工業(yè)硅生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低耗高效與節(jié)能減排。

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作者簡(jiǎn)介：

楊林改（1987.6.9—），女，漢族，籍貫：云南省保山市龍陵縣，冶金工程師，本科學(xué)歷，研究方向：工業(yè)硅生產(chǎn)。

楊加全（1986.12.16—）男，漢族，籍貫：云南省保山市龍陵縣，冶金工程師，本科學(xué)歷，研究方向：工業(yè)硅生產(chǎn)。

沈慶偉（1987.6—），男，漢族，籍貫：云南省保山市騰沖市，冶金工程師，大專(zhuān)學(xué)歷，研究方向：工業(yè)硅生產(chǎn)。

袁蓉（1987.7.12—），女，漢族，籍貫：云南省保山市龍陵縣，地質(zhì)工程師，本科學(xué)歷，研究方向：礦產(chǎn)開(kāi)采。