基础材料|金属硅(工业硅)是怎样炼成的

        康達科技集團(Qanta Group), 是全球领先的有机硅解决方案供应商之一,致力于提供个性化的有机硅解决方案。其拥有从金属硅到特种有机硅材料的全方位产品供应链。主要業務為特用化學品技術及特殊SILICONE與複合材料相關應用制程技術材料開發、設計、銷售。目前已有18年以上历史,与全球500强企业有合作销售经验,是一家集科研,开发,生产及销售为一体的国家级高新技术企业,拥有国际化品质,技术和管理及提供一条龙Silicone 材料应用整合。公司拥有广泛的销售和研发网络,可提供有利于未来可持续发展的创新技术和基于市场需求的解决方案。

一、金属硅生产过程中重要的副产物—硅微粉

硅微粉(CAS 69012-64-2, EINECS 273-761-1,英文名fumed silica) 是二氧化硅的一种无定型(非结晶)多晶形物。一般来讲,每生产1吨金属硅可副产0.3-0.5吨硅微粉。

硅微粉有时会与气相白炭黑混淆(CAS 112945-52-5, EINECS 231-545-4,英文名silica fume)。硅微粉平均粒径150纳米,比水泥颗粒小100倍,比表面积为15~30平方米/克,而气相白炭黑的原生颗粒粒径只有约5~7纳米,比表面积则高达150~300平方米/克。

硅微粉主要应用领域是作为高性能混凝土的增强填料,特别是提高其综合强度、粘结强度和耐磨性。添加硅微粉后还能降低氯离子对混凝土的渗透性,防止混凝土中的钢筋被腐蚀。此外,硅微粉也大量的应用于陶瓷和耐火材料等领域。

减少硅微粉的产生可以直接降低还原剂和电力的消耗,从而降低成本。一般通过优化生产工艺及物料配比可以实现。

提高硅微粉回收率和产品品质,可以增加企业效益。

二、金属硅生产过程中的余热回收

金属硅的生产是通过电弧放电提供瞬间高温将二氧化硅融化,再以碳或石墨使之还原,因此金属硅的生产是高能耗的,大量电能最终转化为热能,这部分热能是否能回收对成本的影响是巨大的。

当前我国金属硅冶炼仍有不少企业通过人工配料,采用炉膛敞开式的电弧炉来冶炼金属硅。在电弧炉进行的还原反应过程中,有大量的热能通过辐射和对流的方式从炉膛敞开处直接散失到了周围大气中;另外,冶炼反应产物CO等可燃气体也通过自然引流的方式从冶炼炉的烟囱直接排入到大气中,其携带的化学能也未能得到有效利用。

下图为挪威Nork Energi的一个典型的余热回收工艺能量平衡图,根据他们的模型,金属硅装置中的电耗中只有25-30%可以被回收。


目前来看,国内对于余热回收方面仍然有较大的差距。国内也有企业在上马余热回收装置,利用余热发电或回收蒸汽,但总体来说仍处于摸索阶段。这也是国内企业所面临的主要挑战之一。下图为典型的余热回收装置图。


三、副产物回收以及余热回收的意义

做好余热和硅微粉回收的经济意义重大,假设有A,B两家企业产品规格、装置、原料、管理完全相同,A回收了20%的余热并发电自用,同时回收了0.3t/t的硅微粉并将其在市场出售,B则完全不回收余热,且硅微粉产生量估计为0.5t/t金属硅(根据原料核算)且完全未回收。

则在现有条件下,A每吨金属硅产品实现的效益要比B高出2500~3000元左右,相当于利润提高了约20个百分点。(以上计算未考虑率折旧及财务成本,管理成本)

金属硅生产过程中容易出现问题的环节

1. Eruption of process gas and water vapor from the reduction furnace

还原炉的工艺气体和水蒸气爆发

2. Water vapor explosion due to water trapped inside hot metal

热金属硅里面的水而发生水蒸气爆炸

3. Explosion in the granulation Process造粒工艺发生爆炸

4. Dust explosions  粉尘爆炸

5. Skin burning from hot metal or hot gas 被热金属或热气体灼伤皮肤

为了防范安全事故以及最大程度的减少事故的危害性,我们需要做到如下几点:

1、Supervising all water courses to detect size and place for leakages 监督所有水源,测定泄漏的规模和位置

2、Development of furnace equipment with improved standard versus water leakages 用改进标准开发炉设备应对水泄漏

3、Establish limits for water leakages with huge safety margin 以巨大的安全边际建立水泄漏限制措施

4、Water courses may be closed in safe distance from the silicon furnace 在炉子的安全距离内关闭水源

5、Comprehensive training for operators and engineers 对操作工和工程师进行综合培训

6、Realistic training in emergency situation 在应急场合进行实际培训

7、The knowledge built into standard operation procedures (EBS)知道积累标准操作步骤(EBS)

 

8、OPEN INTERNAL AND EXTERNAL INFORMA


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