一种采用竹材制备硅的系统及方法与流程

本发明属于硅的制备领域，具体地，涉及一种采用竹材制备硅的系统及方法。
背景技术：
：传统制备硅的碳质还原剂为木炭、石油焦、烟煤，需要搭配使用才能达到最好的还原效果。木炭作为最重要的碳质还原剂之一，在硅石的冶炼中起着决定性的作用。但是，国内木炭基本都是土窑生产，规模小，干馏温度凭借经验判断，烧炭产生大量烟气，造成空气污染，因而生产受到严格限制，部分窑厂为缩短焖窑时间，后期注入大量的水降低炭温，造成木炭含水量极不稳定，木炭的化验结果显示，全水分含量极不稳定，平均值为44％，不但造成配料的大幅波动，影响了产品品质，同时增加了生产能耗。近年来，由于国家实施生态建设，控制林木砍伐，保护森林资源，已成大家的共识。目前一些地区明文规定，禁止伐林烧炭，有的地区还规定了停止使用木炭的具体时间，木炭的来源就更加有限。我国硅产量大省依次为新疆、云南、四川。除新疆外，云南和四川同时又是竹材(诸如毛竹)的产地，储量十分丰富。传统的大湖捕鱼和农作物大棚需要大量的毛竹，现在大湖捕鱼被限制，农作物大棚以钢结构代替毛竹支撑，其他轻工业制品如凉席、竹筷等需求量也降低，使得毛竹价格跌幅严重，并且毛竹加工废料、边角料、山间枯竹等难以利用，直接废弃。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提供了一种采用竹材制备硅的系统及方法。此工艺可解决竹材产能过剩的问题，同时将竹材进行充分的资源化利用，结合竹炭的反应活性强、固体炭含量高、灰分含量低、比电阻高、石墨化程度低、成本低等优势，将其作为硅生产的碳质还原剂，可大大提高硅的产品品质。本发明提供的采用竹材制备硅的系统，包括：竹材热解单元，设有竹材入口、竹炭出口和热解油气出口；配料单元，设有硅石入口、石油焦入口、烟煤入口、竹炭入口和混合料出口，所述竹炭入口与所述竹材热解单元的竹炭出口相连；硅生产单元，设有混合料入口、冷却水入口、液体硅出口和回水出口，所述混合料入口与所述配料单元的混合料出口相连；硅精炼单元，设有气体入口、液体硅入口和铸锭硅出口，所述液态硅入口与所述硅生产单元的液体硅出口相连；冷却水循环单元，包括：冷却装置，设有热解油气入口、回水入口、油水出口和可燃气出口，所述热解油气入口与所述竹材热解单元的热解油气出口相连，所述回水入口与所述硅生产单元的回水出口相连；油水分离装置，设有油水入口、热解油出口和冷却水出口，所述油水入口与所述冷却装置的油水出口相连，所述冷却水出口与所述硅生产单元的冷却水入口相连。在本发明的一些实施例中，所述系统还包括发电单元，所述发电单元设有可燃气入口和发电机组，所述可燃气入口与所述冷却装置的可燃气出口相连。在本发明的一些实施例中，所述发电单元与所述硅生产单元相连，所述硅生产单元所需的电能来自所述发电单元。在本发明的一些实施例中，所述发电单元还设有冷却水入口和回水出口，所述发电单元的冷却水入口与所述油水分离单元的冷却水出口相连，所述发电单元的回水出口与所述冷却装置的回水入口相连。本发明提供的利用上述系统采用竹材制备硅的方法，包括如下步骤：将竹材送入所述竹材热解单元进行热解，获得竹炭和热解油气；将硅石、石油焦、烟煤和所述竹炭送入所述配料单元进行配料，获得混合料；将所述混合料送入所述硅生产单元进行反应，获得液体硅；将所述液体硅送入所述硅精炼单元，并通入空气或氧气，进行氧化精炼除去所述液体硅中的铝和钙，获得铸锭硅；将所述热解油气送入所述冷却装置进行冷却分离，获得可燃气和油水；将所述油水送入所述油水分离装置进行分离，获得热解油和冷却水；将所述冷却水送入所述硅生产单元，用于冷却所述硅生产单元，获得回水；将所述回水送入所述冷却装置用于冷却所述热解油气。在本发明的一些实施例中，将所述可燃气用于发电。在本发明的一些实施例中，将所述可燃气发电产生的电能用于为所述硅生产单元供电。在本发明的一些实施例中，所述石油焦、所述烟煤、所述竹炭的重量比为(60-70)：(5-10)：(20-40)。在本发明的一些实施例中，所述竹材的热解温度为500℃-800℃。在本发明的一些实施例中，所述硅石中sio2含量≥99wt％、fe2o3≤0.015wt％、al2o3≤0.03wt％、cao≤0.20wt％、p2o5≤0.02wt％、mgo≤0.20wt％。本发明采用廉价的竹材为原料，制得的竹炭的反应活性为木炭的3倍，大大提高了硅的生产效率和品质，同时了降低硅的生产成本，保护了森林资源。此外，本发明将竹材的热解、产电及硅生产工艺耦合在一起，整个系统能耗低，制得的硅质量好。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明图1为本发明实施例中的一种采用竹材制备硅的系统的结构示意图。图2为本发明实施例中的一种采用竹材制备硅的工艺流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。本发明中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。本发明采用廉价的竹材为原料，竹材热解后，得到的竹炭与石油焦、烟煤一起作为碳质还原剂用以与硅石反应制备硅，得到的热解油气经过冷却、分离后变为可燃气、热解油和冷却水，其中，冷却水用于冷却系统中的设备。本发明提供的采用竹材制备硅的系统，包括：竹材热解单元，设有竹材入口、竹炭出口和热解油气出口；配料单元，设有硅石入口、石油焦入口、烟煤入口、竹炭入口和混合料出口，竹炭入口与竹材热解单元的竹炭出口相连；硅生产单元，设有混合料入口、冷却水入口、液体硅出口和回水出口，混合料入口与配料单元的混合料出口相连；硅精炼单元，设有气体入口、液体硅入口和铸锭硅出口，液态硅入口与硅生产单元的液体硅出口相连；冷却水循环单元，包括：冷却装置，设有热解油气入口、回水入口、油水出口和可燃气出口，热解油气入口与竹材热解单元的热解油气出口相连，回水入口与硅生产单元的回水出口相连；油水分离装置，设有油水入口、热解油出口和冷却水出口，油水入口与冷却装置的油水出口相连，冷却水出口与硅生产单元的冷却水入口相连。本发明可解决竹材产能过剩的问题。同时将竹材进行充分的资源化利用，结合竹炭的反应活性强、固体炭含量高、灰分含量低、比电阻高、石墨化程度低、成本低等优势，将其作为硅生产的碳质还原剂，可大大提高硅的产品品质。此外，本发明将竹材热解后得到的热解水用于冷却系统中的硅生产单元，不仅节约了水资源、减少了对环境的污染，而且降低了整个工艺的成本。在本发明的一些实施例中，上述系统还包括发电单元，该发电单元设有可燃气入口和发电机组，可燃气入口与冷却装置的可燃气出口相连。在本发明的另一些实施例中，该发电单元与硅生产单元相连，硅生产单元所需的电能来自发电单元。将可燃气发电，并将产生的电能用于供给硅生产单元，降低了整个工艺的成本。发电单元的变压器也需要冷却水进行冷却，在本发明的一些实施例中，发电单元还设有冷却水入口和回水出口，发电单元的冷却水入口与油水分离单元的冷却水出口相连，发电单元的回水出口与冷却装置的回水入口相连。图1所示为本发明采用竹材制备硅的系统的优选实施例，其中，竹材热解单元为旋转床1，配料单元为配料仓2，硅生产单元为埋弧电炉3，硅精炼单元为硅包4，冷却装置为冷却塔5，油水分离装置为油水分离器6，发电单元为燃气轮机7。此外，图1所示的系统还包括贮存冷却水的循环水池8和用于往硅包4中吹气的空压机9。旋转床1设有竹材入口101、竹炭出口102和热解油气出口103。配料仓2设有硅石入口201、石油焦入口202、烟煤入口203、竹炭入口204和混合料出口205。其中，竹炭入口204与旋转床1的竹炭出口102相连。埋弧电炉3设有混合料入口301、液体硅出口302、冷却水入口303、回水出口304和电能入口305。其中，混合料入口301与配料仓2的混合料出口205相连。硅包4设有气体入口401、液体硅入口402和铸锭硅出口403。其中，液体硅入口402与埋弧电炉3的液体硅出口302相连。冷却塔5设有热解油气入口501、回水入口502、油水出口503和可燃气出口504。其中，热解油气入口501与旋转床1的热解油气出口103相连，回水入口502与埋弧电炉3的回水出口304相连。油水分离器6设有油水入口601、热解油出口602和冷却水出口603。其中，油水入口601与冷却塔5的油水出口503相连。燃气轮机7设有可燃气入口701、冷却水入口702、回水出口703和电能出口704。其中，可燃气入口701与冷却塔5的可燃气出口504相连，回水出口703与冷却塔5的回水入口502相连，电能出口704与埋弧电炉3的电能入口305相连(即将燃气轮机7产生的电能输送至埋弧电炉3)。循环水池8设有循环水入口801、第一循环水出口802和第二循环水出口803。其中，循环水入口801与油水分离器6的冷却水出口603相连，第一循环水出口802与埋弧电炉3的冷却水入口303相连，第二循环水出口803与燃气轮机7的冷却水入口702相连。空压机9设有气体入口901和气体出口902。其中，气体出口902与硅包4的气体入口401相连。图2所示为本发明提供的一种采用竹材制备硅的方法，包括如下步骤：将竹材送入竹材热解单元进行热解，获得竹炭和热解油气；将硅石、石油焦、烟煤和竹炭送入配料单元进行配料，获得混合料；将混合料送入硅生产单元进行反应，获得液体硅；将液体硅送入硅精炼单元，并通入空气或氧气，进行氧化精炼除去液体硅中的铝和钙，获得铸锭硅；将热解油气送入冷却装置进行冷却分离，获得可燃气和油水；将油水送入油水分离装置进行分离，获得热解油和冷却水；将冷却水送入硅生产单元，用于冷却硅生产单元，获得回水；将回水送入冷却装置用于冷却热解油气。竹材的含水率和大小影响热解的效率，在本发明优选的实施例中，竹材的含水率在10wt％(重量百分含量)-15wt％左右，并且，在热解前先将竹材破碎至10mm-100mm的块状。热解温度影响竹材的热解效果，在本发明优选的实施例中，竹材的热解温度为500℃-800℃，在此温度下，能降低竹材热解单元的能耗。当使用旋转床1进行热解时，当热解的温度低于600℃，比电阻≥2000ω·cm，当热解温度大于700℃，比电阻≤10ω·cm，因此，为保证竹炭具有较高的比电阻，最佳的热解温度为600℃-700℃。旋转床1在热解时为无氧环境，热解产生的热解油气中甲烷含量＞10v/v％(体积百分含量)，一氧化碳含量＞30v/v％，其他烃类＞10v/v％，热值达5000kcal/m3以上，可见，竹材热解产生的热解油气具有较高的利用价值。在硅生产过程中，需将硅石和碳质还原剂进行配比，为了保证熔炼过程中不会出现sic和sio2剩余、含碳过少导致sio2反应不完全和含碳过多导致sic大量生成等情况出现，需严格控制碳质还原剂中的c和硅石中的sio2分子比为2。选择碳质还原剂除了考察固定碳和灰分的含量外，还要求具有反应活性好、比电阻高、高温下不易发生石墨化、粒度适宜、具有一定的机械强度，本发明使用的碳质还原剂包括石油焦、烟煤和竹炭，三种碳质还原剂的性能见表1。表1硅生产中碳质还原剂特性对比为了保证最终制得的硅的质量，在本发明优选实施例中，石油焦、烟煤、竹炭的重量比为(60-70)：(5-10)：(20-40)。进一步地，为了得到质量较好的硅，石油焦、烟煤和竹炭的粒径的成分及粒度要求如表2所示。表2碳质还原剂成分及粒度要求名称挥发分/wt％灰分/wt％固定碳/wt％粒度/mm竹炭25-30<5＞8510-80石油焦12-16<0.582-921-15烟煤<30<8--1-13硅石中sio2含量越高，制得的硅越好，sio2含量应大于98％，在本发明更优选实施例中，所用的硅石中sio2含量≥99wt％、fe2o3≤0.015wt％、al2o3≤0.03wt％、cao≤0.20wt％、p2o5≤0.02wt％、mgo≤0.20wt％，其余≤0.535wt％。此外，硅石的粒径也不宜过大或过小，在本发明优选的实施例中，硅石的粒径为8mm-80mm。热解油气冷却后得到可燃气和油水，其中，可燃气的产率＞30％，热值在5000kcal/m3左右。油水分离后得到热解油和冷却水，其中，冷却水的产率＞30％，温度约为7℃-12℃。冷却水冷却硅生产单元和/或发电单元后得到的回水温度＞80℃。多余的冷却水可作为杀菌剂、除虫剂使用。得到的热解油可作为环工原料外售，也可经雾化后作为燃气轮机7的补充燃料。图2所示的工艺中，可燃气用于发电。将可燃气发电产生的电能用于为硅生产单元供电。多余的电量可用于工业园区生活用电或按照生物质发电并入电网。当采用埋弧电炉3生产硅时，其能耗约为10080千瓦时/吨，比利用木炭生产硅的装置节能约16％。本发明制得的硅质量好，而且制备工艺过程简单，硅烧损率低。下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述
发明内容中所示，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。实施例本实施例采用图1所示的系统与图2所示的工艺流程制备硅，具体如下：热解：将竹材送入旋转床1进行热解，获得竹炭和热解油气。其中，所用的竹材为毛竹，首先破碎成10mm-100mm的块状物料，在空气中自然风干20天左右，含水率降至15wt％以下。旋转床1内为绝氧环境，炉膛的温度为700℃，物料热解温度为600℃，毛竹热解后产生少量的热解油、30％左右的热解气、30％左右的热解炭及大量的热解水。制得的竹炭的工业分析及元素分析如表3，碘值：400mg/g-500mg/g，600℃热解温度下，比电阻为2155ω·cm-2356ω·cm。表3竹炭的元素分析与工业分析表配料：将硅石、石油焦、烟煤和竹炭送入配料仓2进行配料，获得混合料。硅石的sio2含量为98.7wt％，粒径为8mm-80mm。石油焦：竹炭：烟煤＝12:7:1；碳质还原剂中的c和硅石中的sio2分子比为2；石油、竹炭和烟煤的成分及粒度要求如表2所示。制备硅：将混合料送入埋弧电炉3进行反应，获得液体硅；将液体硅送入硅包4，并由空压机9通入空气或氧气，进行氧化精炼除去液体硅中的铝和钙，获得铸锭硅。竹炭定价3000元/t，固定碳含量85wt％，木炭定价2800元/t，固定碳含量为70wt％。生产1吨铸锭硅消耗0.5t木炭，在满足固定碳需求的情况下，生产1吨铸锭硅仅消耗0.4t竹炭，则每生产1吨铸锭硅可节省200元。本实施例生产的铸锭硅纯度为99.99％，达到了化学级硅的水平，可用于有机硅产品的原料。冷却水循环：将热解油气送入冷却塔5进行冷却分离，获得可燃气和油水；将油水送入油水分离器6进行分离，获得热解油和冷却水；将冷却水收集至循环水池8，然后分别送入埋弧电炉3和燃气轮机7，用于冷却埋弧电炉3和燃气轮机7，获得回水；将回水送入冷却塔5用于冷却热解油气。制得的冷却水的温度为7℃，回水为85℃。发电：将可燃气送入燃气轮机7用于发电，获得的电能用于为埋弧电炉3供电。燃气轮机7的发电效率为35％-45％。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。当前第1页12