基礎材料|金屬矽(工業矽)是怎樣煉成的

        康達科技集團(Qanta Group), 是全球領先的有機矽解決方案供應商之一,致力於提供個性化的有機矽解決方案。其擁有從金屬矽到特種有機矽材料的全方位產品供應鏈。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年以上歷史,與全球500強企業有合作銷售經驗,是一家集科研,開發,生產及銷售為一體的國家級高新技術企業,擁有國際化品質,技術和管理及提供一條龍Silicone 材料應用整合。公司擁有廣泛的銷售和研發網路,可提供有利於未來可持續發展的創新技術和基於市場需求的解決方案。

一、金屬矽生產過程中重要的副產物—矽微粉

矽微粉(CAS 69012-64-2, EINECS 273-761-1,英文名fumed silica) 是二氧化矽的一種無定型(非結晶)多晶形物。一般來講,每生產1噸金屬矽可副產0.3-0.5噸矽微粉。

矽微粉有時會與氣相白炭黑混淆(CAS 112945-52-5, EINECS 231-545-4,英文名silica fume)。矽微粉平均粒徑150納米,比水泥顆粒小100倍,比表面積為15~30平方米/克,而氣相白炭黑的原生顆粒粒徑只有約5~7納米,比表面積則高達150~300平方米/克。

矽微粉主要應用領域是作為高性能混凝土的增強填料,特別是提高其綜合強度、粘結強度和耐磨性。添加矽微粉後還能降低氯離子對混凝土的滲透性,防止混凝土中的鋼筋被腐蝕。此外,矽微粉也大量的應用於陶瓷和耐火材料等領域。

減少矽微粉的產生可以直接降低還原劑和電力的消耗,從而降低成本。一般通過優化生產工藝及物料配比可以實現。

提高矽微粉回收率和產品品質,可以增加企業效益。

二、金屬矽生產過程中的餘熱回收

金屬矽的生產是通過電弧放電提供瞬間高溫將二氧化矽融化,再以碳或石墨使之還原,因此金屬矽的生產是高能耗的,大量電能最終轉化為熱能,這部分熱能是否能回收對成本的影響是巨大的。

當前我國金屬矽冶煉仍有不少企業通過人工配料,採用爐膛敞開式的電弧爐來冶煉金屬矽。在電弧爐進行的還原反應過程中,有大量的熱能通過輻射和對流的方式從爐膛敞開處直接散失到了周圍大氣中;另外,冶煉反應產物CO等可燃氣體也通過自然引流的方式從冶煉爐的煙囪直接排入到大氣中,其攜帶的化學能也未能得到有效利用。

下圖為挪威Nork Energi的一個典型的餘熱回收工藝能量平衡圖,根據他們的模型,金屬矽裝置中的電耗中只有25-30%可以被回收。


目前來看,國內對於餘熱回收方面仍然有較大的差距。國內也有企業在上馬餘熱回收裝置,利用餘熱發電或回收蒸汽,但總體來說仍處於摸索階段。這也是國內企業所面臨的主要挑戰之一。下圖為典型的餘熱回收裝置圖。


三、副產物回收以及餘熱回收的意義

做好餘熱和矽微粉回收的經濟意義重大,假設有A,B兩家企業產品規格、裝置、原料、管理完全相同,A回收了20%的餘熱併發電自用,同時回收了0.3t/t的矽微粉並將其在市場出售,B則完全不回收餘熱,且矽微粉產生量估計為0.5t/t金屬矽(根據原料核算)且完全未回收。

則在現有條件下,A每噸金屬矽產品實現的效益要比B高出2500~3000元左右,相當於利潤提高了約20個百分點。(以上計算未考慮率折舊及財務成本,管理成本)

金屬矽生產過程中容易出現問題的環節

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

還原爐的工藝氣體和水蒸氣爆發

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

熱金屬矽裡面的水而發生水蒸氣爆炸

3. Explosion in the granulation Process造粒工藝發生爆炸

4. Dust explosions  粉塵爆炸

5. Skin burning from hot metal or hot gas 被熱金屬或熱氣體灼傷皮膚

為了防範安全事故以及最大程度的減少事故的危害性,我們需要做到如下幾點:

1、Supervising all water courses to detect size and place for leakages 監督所有水源,測定洩漏的規模和位置

2、Development of furnace equipment with improved standard versus water leakages 用改進標準開發爐設備應對水洩漏

3、Establish limits for water leakages with huge safety margin 以巨大的安全邊際建立水洩漏限制措施

4、Water courses may be closed in safe distance from the silicon furnace 在爐子的安全距離內關閉水源

5、Comprehensive training for operators and engineers 對操作工和工程師進行綜合培訓

6、Realistic training in emergency situation 在應急場合進行實際培訓

7、The knowledge built into standard operation procedures (EBS)知道積累標準操作步驟(EBS)

 

8、OPEN INTERNAL AND EXTERNAL INFORMA


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