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，在汽車制造、煉鋼、化學工業(yè)等領域應用廣泛。在工業(yè)硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)，碳質(zhì)還原劑必不可少，此類物質(zhì)的應用有效性越高，越有利于提高工業(yè)硅生產(chǎn)質(zhì)效。基于此，本文以增強工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的實用性、經(jīng)濟性、環(huán)保性為目標，結(jié)合實踐經(jīng)驗探討傳統(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)實角度來看，工業(yè)硅生產(chǎn)中的碳質(zhì)還原劑選擇準確性，既會影響生產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，又會對生產(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用性逐漸下降，人們在不斷尋求木炭替代品的過程中，加深了對于工業(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)還原劑的應用路徑。

1工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的應用概述

工業(yè)生產(chǎn)領域會應用到多種多樣的還原劑，在生產(chǎn)工業(yè)硅時最主要的還原劑就是碳質(zhì)還原劑。當前，工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的種類越來越豐富，了解各類型碳質(zhì)還原劑的特點以及應用要點，更有助于提高應用質(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。實踐中，將生產(chǎn)原料置于生產(chǎn)設備中，以三相電機為電爐供能，使設備運行溫度達到1800℃以上。這樣一來，爐內(nèi)物質(zhì)將在高溫下發(fā)生碳熱還原反應，最終得到工業(yè)硅。通常來說，生產(chǎn)工業(yè)硅時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用在生產(chǎn)領域。碳質(zhì)還原劑的種類十分多樣，固定碳含量較高的煤化工產(chǎn)品大多都能充當碳工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑[1]。在實際生產(chǎn)當中，碳質(zhì)還原劑的主要作用就是在高溫下實現(xiàn)工業(yè)硅生產(chǎn)原料的強還原，以便獲得高純度的工業(yè)硅。

1.2碳質(zhì)還原劑的種類

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、化學活性強且比電阻大的物質(zhì)，還具有高溫下不易石墨化的特點，可充分滿足工業(yè)硅生產(chǎn)的熱碳還原反應需求，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。從理化特性方面來看，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，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1：6，大量使用會造成非常嚴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，無論是從生產(chǎn)的經(jīng)濟效益還是生態(tài)效益方面來看，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，其中最具實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用價值。利用煙煤代替木炭充當工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑十分可行，但生產(chǎn)時需要加入適量的疏松劑，以便彌補這一物質(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，是一種擁有強化學反應性和燃燒污染性的低級煤。褐煤燃燒后的發(fā)熱量相對較低，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)過熱解加工后擁有焦油產(chǎn)量高和化學性強的特性，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)領域，石油焦一直被視為木炭的最佳替代品，隨著石油焦應用研究的深入，以石油焦為碳質(zhì)還原劑的工業(yè)硅生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。從性能角度來看，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，完全可以滿足工業(yè)硅生產(chǎn)需求[2]。當其作為碳質(zhì)還原劑參與工業(yè)硅生產(chǎn)時，燃燒溫度越高，石墨化程度與導電性就會越強，而比電阻則會迅速下降。結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)經(jīng)驗不難發(fā)現(xiàn)，若僅基于石油焦生產(chǎn)工業(yè)硅，雖然也能滿足生產(chǎn)需求但產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量以及經(jīng)濟效益都不盡如人意，若將其與其他類型的碳質(zhì)還原劑混合后應用，則可大幅提升工業(yè)硅生產(chǎn)質(zhì)效。

2碳質(zhì)還原劑選用標準

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，更會對工業(yè)硅生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益產(chǎn)生深刻影響。事實上，工業(yè)硅生產(chǎn)者既可以選用單一類型的碳質(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)還原劑選用的科學性、經(jīng)濟性、實用性和生態(tài)性。為此，選用碳質(zhì)還原劑應遵循原則：

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的最有效成分。生產(chǎn)中，高溫燃燒會導致部分固定碳被浪費，還原相同數(shù)量的硅石時，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)實角度來看，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。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，更容易滿足高純度工業(yè)硅生產(chǎn)要求。從生產(chǎn)角度來看，生產(chǎn)用硅石質(zhì)量越高，就越需要嚴控生產(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)還原劑的機械強度越高則揮發(fā)分含量就越低。在選用碳質(zhì)還原劑時，若選用揮發(fā)分過高的碳質(zhì)還原劑，那么還原劑的機械強度就無法滿足現(xiàn)實需求;若選用揮發(fā)分過低的碳質(zhì)還原劑，則不利于爐內(nèi)反應質(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。通常來說，碳質(zhì)還原劑中的水分會以外水和內(nèi)水兩種形式存在，前者含量遠多于后者。不同類型的碳質(zhì)還原劑，在水分含量方面的差異相對較大，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，反應性能、比電阻、機械強度高。結(jié)合實踐經(jīng)驗不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的反應性能、比電阻以及機械強度越高，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性能，可切實提升爐內(nèi)反應速率，而還原劑比電阻和機械強度高，則有助于提高爐況順暢性、提高熱利用率，實現(xiàn)低耗高效。

3新型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑研究與應用

種種原因之下，單一型碳質(zhì)還原劑已經(jīng)無法滿足工業(yè)硅生產(chǎn)的實際需求，企業(yè)更加關(guān)注復合型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的研究和應用。而且，在實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;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為例，對新型工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑研究和應用情況進行簡述。

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，但在木炭采購難度和成本大幅升高的情況下，尋求木炭替代品勢在必行。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)應用。為突出石油焦的實用性，就必須著力降低其石墨化問題。所以，研究人員將重點放在了混合碳質(zhì)粉體制團制作和工業(yè)化生產(chǎn)上，這種新型還原劑是以石油焦為主要原料，融入不同類型還原劑、生物質(zhì)后，基于粘接劑量形成的球團狀復合還原劑。在混合碳質(zhì)粉體制團的研究中，相關(guān)工作人員從提高高硫石油焦實用性、復合還原劑替代性以及環(huán)保性的角度出發(fā)，重點關(guān)注石油焦性能影響因素、脫硫處理方法以及生物質(zhì)與石油焦的融合應用。

基于實踐，研究人員發(fā)現(xiàn)石油焦的性能以及反應機理深受添加劑影響，研磨介質(zhì)也同樣會對石油焦反應性能產(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?；趯嶒炇已芯?，獲得混合碳質(zhì)粉體制團最佳原料配比如下：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性能測試結(jié)果如下：20MPa壓強之下，混合碳質(zhì)粉體制團的應力高于9MPa，可滿足工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑的生產(chǎn)運輸和使用需求;該物質(zhì)在高溫條件下的化學反應活性與木炭極為相近，所以完全可替代木炭充當還原劑;經(jīng)實驗室分析發(fā)現(xiàn)，混合碳質(zhì)粉體制團的比電阻測試結(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還原劑應用

以混合碳質(zhì)粉體制團作為工業(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型的單一煤化工產(chǎn)品用量。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，還能通過生物質(zhì)回收應用減少資源浪費，而且生產(chǎn)混合碳質(zhì)粉體制團時向農(nóng)民回收生物質(zhì)還能幫助農(nóng)民增收。想要推動混合碳質(zhì)粉體制團還原劑的有效應用，就必須強調(diào)此類碳質(zhì)還原劑的工業(yè)化生產(chǎn)。整體而言，混合碳質(zhì)粉體制團的工業(yè)化生產(chǎn)應該包括備料、混合、攪拌、成形和烘干等多個流程。此時，以顎式破碎機、型煤壓球設備、鏈條式烘干設備和一混、二混設備為主要生產(chǎn)設備，通過投放原料、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。將混合碳質(zhì)粉體制團應用到工業(yè)硅生產(chǎn)中，可提高爐內(nèi)火焰高度和溫度?；趯嵺`經(jīng)驗可知，投放混合碳質(zhì)粉體制團后，900℃（爐表面溫度）的高溫條件之下，爐內(nèi)反應活性將超過80%;而當溫度升高至1000℃時，混合碳質(zhì)粉體制團的還原性能將會進一步增強，反應活性高達99.2%，而且還原劑在爐表面就可發(fā)生還原反應，這種提前反應具有放熱性所以爐表面溫度越高越有利于強化生產(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。隨著化工原料種類豐富以及生產(chǎn)技術(shù)進步，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)粉體制團為代表的新型碳質(zhì)還原劑也被廣泛應用到工業(yè)硅生產(chǎn)領域。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化還原劑配比將會進一步提高生產(chǎn)質(zhì)效，并使工業(yè)硅生產(chǎn)實現(xiàn)低耗高效與節(jié)能減排。

參考文獻：

[1]劉寶云，田林，謝剛，等.粘結(jié)劑對工業(yè)硅碳質(zhì)還原劑球團性能的影響研究[J].云南冶金，2021，50（04）：47-52.

[2]甘文，張碩垚，李博，等.不同碳質(zhì)還原劑還原Fe_3O_4特性的動力學分析[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2020，45（06）：21-28.

[3]楊妮，劉寶云，田林，等.工業(yè)硅生產(chǎn)用碳質(zhì)還原劑球團的制備研究[J].云南冶金，2020，49（04）：82-87.

[4]陳正杰，周世超，馬文會，等.工業(yè)硅冶煉用復合碳質(zhì)還原劑的研究與應用[J].云南冶金，2019，48（03）：45-49.

作者簡介：

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，大專學歷，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，本科學歷，研究方向：礦產(chǎn)開采。