木炭還原劑替代的試驗思考范文

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《輕金屬雜志》2015年第十二期

摘要:

試驗以洗精煤、石油焦、電解鋁殘陽極、復(fù)合球團(tuán)等還原劑代替部分木炭進(jìn)行工業(yè)硅的冶煉，試驗效果都不太理想，產(chǎn)量、產(chǎn)品質(zhì)量等各項指標(biāo)都較使用木炭時有所下降。為了彌補(bǔ)單一還原劑的不足，采用洗精煤+石油焦+廢陽極+復(fù)合球團(tuán)+疏松劑的組合還原劑替代部分木炭，試驗效果理想，不僅提高了硅冶煉還原劑的反應(yīng)活性，改善了爐料的透氣性，降低了還原劑灰分帶入的雜質(zhì)，工業(yè)硅產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，同時降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。組合還原劑的使用，拓展了工業(yè)硅還原劑的來源，減少了木炭的使用，間接保護(hù)了森林資源，符合了公司降本增效，節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)理念。

關(guān)鍵詞:

還原劑;替代;工業(yè)硅

化學(xué)級金屬硅是多晶硅、有機(jī)硅、半導(dǎo)體、光電子用硅等高端硅材料生產(chǎn)的基本原料，也是多種合金材料冶金的重要輔料［1］。無論國內(nèi)還是國外對金屬硅材料的需求量均較大，因此金屬硅生產(chǎn)產(chǎn)能都在不斷增加，2012年全國工業(yè)硅產(chǎn)量113萬噸，2013年產(chǎn)量145萬噸，2014年產(chǎn)量為170萬噸，國內(nèi)工業(yè)硅產(chǎn)量呈現(xiàn)較快增長［2］。化學(xué)級金屬硅是以硅石為原料，以木炭等為還原劑，在礦熱爐中通過還原冶煉而得。木炭因具有固定碳高、灰分低、比電阻大、還原性和透氣性好等優(yōu)點，一直作為傳統(tǒng)金屬硅生產(chǎn)的理想還原劑應(yīng)用〔3〕，而石油焦、洗精煤等碳質(zhì)還原劑由于各方面的原因，在傳統(tǒng)冶煉中只能少量配入〔4〕。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)1噸化學(xué)級金屬硅需要木炭1．6噸，而1噸木炭需要消耗約6噸木材，10立方米森林〔5〕，工業(yè)硅的生產(chǎn)需要消耗大量森林資源，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。隨著社會對環(huán)境保護(hù)，生態(tài)建設(shè)意識的增強(qiáng)，禁止砍伐破壞森林資源，使木炭的采購愈趨困難，價格攀升，致使金屬硅生產(chǎn)成本不斷上升，企業(yè)效益急劇下降，木炭的使用已成為制約硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。針對這一情況，選擇其他一些來源廣泛，價格便宜的碳質(zhì)還原劑勢在必行。

1還原劑的選擇

工業(yè)硅的冶煉對還原劑的要求是固定碳高、灰分低、揮發(fā)分適中、比電阻大、化學(xué)反應(yīng)活性強(qiáng)及有一定機(jī)械強(qiáng)度，因此能用于工業(yè)硅冶煉的碳質(zhì)還原劑有木炭、低灰分洗精煤、石油焦等〔6〕。煙煤具有比電阻大、化學(xué)反應(yīng)活性強(qiáng)等優(yōu)點，但也具有灰分高，固定碳較低的缺點。煙煤經(jīng)過化學(xué)處理和機(jī)械富集，可以降低其中灰分，得到的低灰分煤稱為洗精煤，優(yōu)質(zhì)煙煤的灰分可以降低到3．0%左右，可以滿足工業(yè)硅生產(chǎn)要求。大量試驗證明使用洗精煤能使?fàn)t料沉料緩慢，爐況較使用木炭穩(wěn)定，刺火現(xiàn)象減少，搗爐周期延長，減少工人勞動強(qiáng)度〔7〕。因此低灰分洗精煤是較理想替代木炭的還原劑。石油焦具有固定碳含量高、灰分極低的優(yōu)點，但存在著高溫下易石墨化造成還原活性低、高溫比電阻低、透氣性較差等缺點〔5〕。在工業(yè)硅生產(chǎn)中不宜全部使用石油焦，應(yīng)與其他比電阻大的還原劑配合使用，冶煉過程中還應(yīng)加入疏松劑提高爐料透氣性。鋁電解殘陽極具有固定碳含量高、燒損低的優(yōu)點。在工業(yè)硅冶煉過程中，由于木炭質(zhì)量輕、反應(yīng)活性強(qiáng)等原因，難以沉入爐底，使得爐底長期處理缺碳狀態(tài)，電極消耗量大，鋁電解殘陽極可以起到爐底補(bǔ)碳作用。云南永昌硅業(yè)股份有限公司選用低灰分洗精煤，燒結(jié)性能好的石油焦，鋁電解殘陽極，碳質(zhì)還原劑粉料制成的復(fù)合球團(tuán)等還原劑替代部分木炭進(jìn)行工業(yè)硅冶煉，為了保證爐內(nèi)的透氣性加入木塊作為疏松劑。

2試驗

2.1試驗原料本次試驗用低灰分洗精煤、石油焦、鋁電解殘陽極、復(fù)合球團(tuán)、疏松劑等還原劑替代部分木炭進(jìn)行工業(yè)硅的冶煉，為了保證試驗期間生產(chǎn)正常進(jìn)行及產(chǎn)品質(zhì)量，對所用到的還原劑物理化學(xué)性質(zhì)提出嚴(yán)格要求，試驗原料的物理化學(xué)成分分析如表1所示。

2.2試驗方案試驗擬逐一使用上述還原劑替代部分木炭，考察試驗期間工業(yè)硅平均日產(chǎn)量、產(chǎn)品質(zhì)量、單耗、成本等指標(biāo)，分析替代木炭的可行性。試驗在25500kVA矮煙罩半封閉旋轉(zhuǎn)式電弧爐上進(jìn)行，設(shè)備參數(shù)如表2所示。

3結(jié)果與討論

3.1洗精煤替代木炭自2011年7月起在5#、6#、7#礦熱爐開展了洗精煤替代木炭試驗研究工作。利用洗精煤具有的特性，綜合考慮其他因素將其按配比作為金屬硅冶煉還原劑，試驗在原有配料的基礎(chǔ)上，加大洗精煤的配入量，逐步減少木炭的使用量。從數(shù)據(jù)分析，洗精煤在金屬硅冶煉中應(yīng)用，因其反應(yīng)活性低、透氣性差等因素的影響，增加用量后在一定程度上制約了生產(chǎn)產(chǎn)量的提高，當(dāng)洗精煤替代木炭由15%上升到30%后，工業(yè)硅日產(chǎn)量由50.38噸下降到48.72噸，下降了3.30%;使用洗精煤后，爐況比較穩(wěn)定，同時儀表數(shù)值波動小，這些都利于冶煉操作，相應(yīng)的冶煉電單耗下降;同時由于洗精煤燒損較木炭少，相應(yīng)的碳單耗有所下降;洗精煤雜質(zhì)含量較木炭高，產(chǎn)品質(zhì)量有所下降，表現(xiàn)為441級以下產(chǎn)品產(chǎn)出率有所上升。

3.2石油焦替代木炭自2011年7月起在5#、6#、7#礦熱爐開展了石油焦替代木炭試驗研究工作。在原有配料比的基礎(chǔ)上，加大石油焦的配入量，相應(yīng)的逐步減少木炭的使用量，試驗結(jié)果如表4所示。從數(shù)據(jù)分析，石油焦在金屬硅冶煉中應(yīng)用，因其反應(yīng)活性低、透氣性差等因素的影響，增加用量后在一定程度上制約了生產(chǎn)產(chǎn)量的提高，石油焦比例用量由17.4%增加到26.4%，工業(yè)硅日產(chǎn)量由50.38噸下降至48.08噸，下降4.57%;使用石油焦后由于透氣性差的原因，爐況不太穩(wěn)定，刺火較多，表現(xiàn)為電單耗上升;石油焦固定碳含量高，石墨化程度較高，易于沉入爐底，起到爐底補(bǔ)碳作用，相應(yīng)的電極單耗下降;石油焦較木炭燒損少，相應(yīng)的碳單耗下降;石油焦灰分相當(dāng)?shù)停尤胧徒固娲咎肯鄳?yīng)的可以減少雜質(zhì)的帶入，表現(xiàn)為441級以下產(chǎn)品產(chǎn)出率下降明顯。

3.3鋁電解殘陽極替代木炭自2011年1月起在7號礦熱爐開展鋁電解殘陽極替代木炭的試驗研究，項目最終實現(xiàn)了15%的木炭替代量，試驗結(jié)果如表5所示。殘陽極投入期間取得了日產(chǎn)量下降3.13噸，下降2.24%，電極單耗下降30kg，下降4.84%，碳單耗下降0.003t，下降2.56%，電耗下降160kWh/t，下降1.25%。從產(chǎn)品質(zhì)量對比得出，加入殘陽極期間，441級以下產(chǎn)品產(chǎn)出率由加入前的2.56%上升到5.58%，上升3.02%，主要是由于殘陽極含鐵等雜質(zhì)較高。總體而言鋁電解廢陽極固定碳含量高、揮發(fā)分及灰分低，反應(yīng)活性低，透氣性差，弱化了硅熔煉能力，試驗期間爐況穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量下降、部份指標(biāo)單耗下降，試驗效果良好。初步證明了用鋁電解殘陽極部分替代木炭在生產(chǎn)工藝上是可行的。同時能使鋁電解廢陽極變廢為寶，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.4復(fù)合球團(tuán)替代木炭在使用木炭、洗精煤、石油焦、廢陽極等碳質(zhì)還原劑冶煉工業(yè)硅時，為保證爐料透氣性，粉料不能入爐，因此堆存大量還原劑粉料，造成資源浪費(fèi)。公司自2011年2月起組織開展金屬硅生產(chǎn)用球團(tuán)工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)研究工作，試驗用各種碳類粉料制備出復(fù)合球團(tuán)產(chǎn)品，并將球團(tuán)投入公司7#礦熱爐進(jìn)行金屬硅冶煉生產(chǎn)，試驗用復(fù)合球團(tuán)實現(xiàn)了4%的木炭替代量。相對于其他還原劑，復(fù)合球團(tuán)的固定碳含量相對較低，鐵等雜質(zhì)含量偏高，大量使用會影響到產(chǎn)品質(zhì)量，當(dāng)少量使用時對產(chǎn)品質(zhì)量影響較小。經(jīng)過生產(chǎn)使用，證明了復(fù)合球團(tuán)在金屬硅生產(chǎn)中應(yīng)用是可行性的。利用此工藝，一方面使粉料資源得到了綜合回收利用，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效，降低了環(huán)境污染;另一方面為木炭還原劑替代找到了新的渠道，實現(xiàn)了金屬硅生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

3.5組合還原劑替代木炭為了彌補(bǔ)單一還原劑的不足，擬采用洗精煤+石油焦+廢陽極+復(fù)合球團(tuán)+疏松劑的組合還原劑。2011年6月采用洗精煤替代20%的木炭，石油焦替代26.4%的木炭，廢陽極替代6%的木炭，復(fù)合球團(tuán)替代4%的木炭，同時疏松劑的使用量每批次由60kg提升至100kg，共替代60%左右的木炭量，試驗結(jié)果如表6所示。采用組合還原劑生產(chǎn)以后，工業(yè)硅平均日產(chǎn)量比用木炭生產(chǎn)略有下降，這主要是因為石油焦和洗精煤的反應(yīng)活性較木炭差，導(dǎo)致硅生成化學(xué)速率整體變慢;同時硅的直收率升高、電單耗下降、固定碳單耗下降、熱停爐事故率下降，這些主要是因為采用組合還原劑生產(chǎn)后爐況平穩(wěn)，熱停爐事故減少，很少出現(xiàn)明顯刺火、爐眼噴火等現(xiàn)象，因此氣態(tài)SiO隨煙氣溢出量減少，熱量損失較少，碳燒損減少;441級以下產(chǎn)品產(chǎn)出率也較使用木炭時有所下降，這主要是因為在組合還原劑中配入的低灰分含量的石油焦量較多，總體帶入爐內(nèi)的雜質(zhì)量下降了;使用組合還原劑后雖然煙管進(jìn)口溫度有所上升，但是溫度在煙管可耐受溫度范圍內(nèi)，對生產(chǎn)影響不大，同時更高的煙氣溫度對公司的煙氣余熱發(fā)電廠有利;組合還原劑生產(chǎn)工業(yè)硅需提升電爐有功功率，這是因為石油焦和洗精煤的反應(yīng)活性較木炭差，提升有功功率可以提升電爐溫度，促進(jìn)煤焦化學(xué)反應(yīng)速率的提升;組合還原劑生產(chǎn)工業(yè)硅平均成本下降了452元/t，這是由于硅的直收率升高減少了原料的投入量，電單耗下降，爐況穩(wěn)定熱停爐減少，組合還原劑價格也較木炭低。

4結(jié)語

通過以上試驗可以看出，在單獨(dú)使用某類還原劑替代木炭生產(chǎn)工業(yè)硅時，試驗效果都不太理想。經(jīng)試驗證明，組合還原劑的使用提高了硅冶煉還原劑的反應(yīng)活性，改善了爐料的透氣性，使礦熱爐硅產(chǎn)量上升;降低了還原劑灰分帶入的雜質(zhì)，入爐物料雜質(zhì)量得到了有效保障，更重要的產(chǎn)品品級率得到明顯提高;各項技術(shù)指標(biāo)都較使用木炭為優(yōu)，同時設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定且安全可靠，生產(chǎn)成本也得到了有效降低，給公司帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。木炭使用量的減少還可以間接保護(hù)森林資源，環(huán)保效益顯著。

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作者：盧國洪 張忠益 羅文波 趙興凡 王國衛(wèi) 單位：云南永昌硅業(yè)股份有限公司 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院