DOC《生物质炭在工业硅冶炼中的应用研究》

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 650106;

2.昆明冶金研究院,昆明 650031;

3.甘肃省住房和城乡建设厅,兰州 730010) 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22.2%. 关键词:生物质炭;

工业硅;

应用 中图分类号:TN304.052 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2015)02-0000-00 Application Research of Biomass Charcoal in Silicon Smelting BAI Shu-kun1, CHEN Ke-tong2, ZHOU Tao3, BAO Chong-jun2 (1. Yunnan Agricultural University, Kunming 650106, China;

2. Kunming Metallurgy Research Institute, Kunming 650031, China;

3. Gansu Provincial Department of Housing and Urban-rural Development, Lanzhou 730010, China) Abstract: Biomass charcoal was prepared from waste crops. Commercial test of biomass charcoal as a substitute for charcoal as reducing agents in silicon production smelting was conducted. The results show that biomass carbon has characteristics of high carbon content, low ash content, and good chemical activity. The quality of industrial silicon is improved with stable output and reduction of power consumption and electrode consumption by 7.9% and 22.2% respectively. Key words: biomass charcoal;

industrial silicon;

application 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[1],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[2].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[3]. 本文将废弃农作物经过粉碎、烘干、高温高压过程,压制成圆、棱或方形带孔型棒,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入炉炭化. 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熔性的固态物质[5].制备流程:废弃农作物经过粉碎和烘干后在保护气氛下于500~550 ℃炭化40~60 min.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. 收稿日期:2014-09-02 基金项目:云南省科技创新强省计划项目(2012AA007);

云南省应用基础研究计划自筹项目(2013FZ156) 作者简介:白淑坤(1968-),女,云南大理人,高级讲师. 表1 生物质炭主要指标 Table

1 Main index of biomass charcoal /% 种类 固定碳 灰分 挥发分 蔗渣 53.16 15.52 28.01 紫金泽兰 47.94 20.41 13.93 蕨叶 70.77 15.45 13.78 松毛 76.71 7.23 16.06 烟杆 54.90 14.66 30.44 稻壳 73.31 12.99 12.24 木炭 55.34 18.18 24.08 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≥70%,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500倍进行检测,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.

95、2.

71、2.88 nm. 通常生物质炭比表面积是普通木炭的2~5倍[6-7].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1 400~2

000 ℃时形成Si-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,通过出硅口进入硅包;

由于SiO2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0~25 mm,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10%~15%. 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. 图1 生物质炭配比与电单耗和电极单耗的关系 Fig.1 Relationship between biomass carbon ratio and consumption of power and electrode 从图1可知,随着生物质炭用量从10%增加到15%,电极单耗一直呈下降趋势,降幅达22.2%;

电单耗先下降后上升,当生物质炭配比为13%时,下降幅度达7.9%.因此,生物质炭配比13%效果较好. 3.2 对产量的影响 选择生物质炭的配比为13%,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. 图2 试验前后工业硅产量变化曲线 Fig.2 Output of industrial silicon before and after test 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

2202、

3303、

421、521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(%):13.

56、9.

09、61.

22、8.03,试验后的日均产出率分别为(%):15.

99、11.

87、42.

35、5.51.由此可知,试验后产品质量有很大提升,品级率较高的2202级硅和3303级硅的产出率分别提升17.9%和30.5%,增长幅度较大;

品级率较低的

421、521级硅产出率分别降低了30.8%和31.3%. 工业硅生产中的杂质元素以Fe 、Al、Ca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Fe2O

3、Al2O

3、CaO的含量也低于木炭,而在矿热炉中进行还原反应时,SiO2被还原的同时,杂质Fe2O

3、Al2O

3、CaO等也被还原,部分在高温环境下挥发,其余大多进入硅液中,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500~550 ℃,其固定碳能达到70%,化学指标相对较好,稳定性良好,具有发达的孔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13%时,电耗和电极消耗的下降幅度分别达到7.9%和22.2%,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[EB/OL]. 中国农业机械化信息网,[2010-09-08]. http://www.amic.agri.gov.cn/nxtwebfreamwork/ztzl/jnjp/detail.jsp?articleId=107669. [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[J]. 中田环境科学,2003,23(1):105-109. [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,2013,42(4):30-34. [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―2005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,2005:6. [5] Lehmann J,Gaunt J,Rondon M. Biochar sequestration in terrestrial ecosystems:A review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2006,11:403-427. [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,2001,20(3):34-35. [7] Kishimoto S,Sugiura G. Charcoal as a soil conditioner[J]. Int Achieve Future,1985,5:12-23. [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,2013. [9] Pessenda L C R,Gouveia S E M, Aravena R. Radiocarbon dating of total soil organic matter and humin fraction and its comparison with 14c ages of fossil charcoal[J]. Radiocarbon,2001,43(2B):595-601. ........