1.云南省科学技术院 昆明 650000；2.西双版纳电研新能源科技开发有限公司 西双版纳傣族自治州 666100
摘要：使用烟杆、稻壳、玉米秸秆等废弃农作物，对生物质炭进行制备，并运用到工业硅冶炼当中，不仅可以实现废弃农作物资源化利用，还能够减少工业硅冶炼对森林资源的消耗，所生产的工业硅产品也体现出产量稳定、能耗较低、质量较高等特点，极大推动了工业硅冶炼健康可持续发展。本文联系工业硅冶炼工艺现状，对生物质炭代替伐木炭开展工业硅冶炼的试验进行细致分析，并从能源消耗、工业硅产量、产品质量等方面入手，详尽探讨生物质炭在工业硅冶炼中的应用效果，希望所阐述内容能够为工业硅生产实践提供参考。
关键词：生物质炭；工业硅；冶炼；应用；分析
随着农业生产不断发展，农业废弃物也呈现出逐年上升趋势，这些废弃农作物若得不到有效回收与利用，就会引发严重环境问题和资源浪费，而工业硅冶炼对木炭的需求量比较高，但是过度砍伐森林会对生态环境造成极大破坏，加强工业硅冶炼木质还原剂代替技术创新迫在眉睫，同时也是工业硅清洁生产和可持续发展的根本需要。在工业硅冶炼中使用废弃农作物制备的生物质炭，不仅具有含碳量高、化学活性好等性能优势，所产生工业硅产品质量也会得到明显提高，进而同时解决废弃农作物有效处理和工业硅绿色生产问题[1]。鉴于此，对生物质炭在工业硅冶炼中的应用展开分析和探讨。
1工业硅冶炼工艺现状
目前，开展工业硅生产工作，其主要原料为硅石，炭质原料为还原剂，通过矿热炉熔炼制取而成，在实际冶炼过程中，对还原剂的要求非常严格，而选择炭质原料作为还原剂的主要原因在于，炭质还原剂除了有固定的碳和灰分含量以外，还具有较高的反应活性、高温下不易挥发、机械强度高等性能[2]。然而长时间以来，工业硅生产都是使用木炭作为主要还原剂，由于木炭的孔隙率比较大，因此具有较高的比电阻和反应能力，实际使用可以促进工业硅高效生产，但是木炭生产需要消耗较多自然森林资源，具体表现为每生产1t工业硅木炭的消耗量为1.4t，烧制1t木炭则需要耗费3.75m3林木资源，由于林木生长具有一定周期，大量的砍伐林木资源势必会对生态环境造成一定破坏，与当前提出的构建低碳社会和发展循环经济要求不相契合，需要积极探寻适合工业硅冶炼的新型还原剂，以代替木炭应用于工业硅生产，在妥善解决工业硅生产对木炭依赖问题的同时，也能够为工业硅清洁化生产和可持续发展提供有力支持[2-3]。
2生物质炭制备与性能
表1 生物质炭主要指标（%）
.png)
对生物质炭进行制备，所使用材料多为农业生产废弃物，如：核桃壳、玉米杆、烟杆、甘蔗渣等，在制备之前由于部分原料具有较高的含水量，因此在入炉炭化之前要做好杆茎粉碎和烘干脱水工作[3]。由于生物质炭是废弃农作物经过热裂解炭化以后产生的一类高度芳香化和难溶性的固态物质，其固定碳、灰分等指标见表1，透过这些指标数值，可以发现生物质炭具有以下特性：（1）经过热裂解后的生物质炭成分存在较大差别，与木炭相比较，稻壳、蕨叶所制备的生物质炭固定碳已经超过70%，挥发分和灰分也明显低于木炭，可以有效满足工业硅冶炼对还原剂提出的要求；（2）工业硅冶炼温度比较高，在高温状态下还原剂也更加容易被活化，特别是蕨叶、稻壳制备而成的还原剂，孔隙结构更加发达，能够符合工业硅冶炼要求；（3）与普通木炭相比较，生物质炭比表面积更大，并且碳组分高度芳香化以后，生物化学和温度稳定性会更好，可以成为工业硅冶炼的优良还原剂[3-4]。
3生物质炭在工业硅冶炼中的应用探析
3.1生物质炭生产工业硅试验
由于工业硅是矿热炉使用低灰分炭质还原剂还原高纯硅石所得，实际生产要对硅石进行洗选、筛分和干燥，然后按照不同比例进行配料，通过送料系统直接进入到矿热炉中，经过电极加热到一定稳定以后，就会形成Si-O-C体系和发生多相还原反应，经过还原以后的硅呈现为液态，这时候就要对硅液进行精炼除杂、铸锭破碎，最后将之包装成为工业硅成品[4]。
3.2试验配比及工艺流程
开展生物质炭代替木炭生产工业硅试验，需要将制备的生物质炭进行破碎，并按照一定比例，将生物质炭、现有木炭等还原剂配入到硅石当中，经过均匀混合以后加入到矿热炉中，进行金属硅生产，操作中要注意对生物质炭配比控制在10%~15%以内。实际试验尽量选择大容量矿热炉，先将制备好的生物质炭、木炭和硅石按照一定比例进行混合，然后投入到矿热炉中使之发生还原反应，待放出液体硅以后再加入精炼剂进行炉外精炼，最后通过铸锭、冷却等工序得到工业硅产品。
3.3生物质炭应用效果分析
3.3.1能源消耗
.png)
图1 生物质炭配比与电耗及电极消耗之间的关系
在工业硅冶炼过程中，对还原剂中生物质炭的配比进行调整，可以发现电耗和电极消耗会出现较大改变，通过生物质炭配比与电耗和电极消耗的关系（图1），可以发现工业硅冶炼还原剂生物质炭配比不断增大，电极单耗也会呈现不断下降趋势，并且在生物质炭配比为13%的时候，电单耗幅值最小[5]。
3.3.2工业硅产量
.png)
图2 试验前后工业硅生产量变化情况
选择生物质炭配比为13%进行工业硅生产，可以发现工业硅产量会得到明显提升，并且从总体来看产量保持较为平稳，究其原因在于生物质炭含碳量更高，硅石在炉内发生还原反应效果也更好，相应工业硅产量也就会得到明显提升，试验前后工业硅产量变化见图2所示。
3.3.3产品质量
工业硅生产出现杂质主要以Fe、Ca等为主，并且这些杂质出现主要来源为还原剂，而生物质炭作为还原剂在工业硅生产中进行应用，与传统木炭相比较，生物质炭无论是灰分，还是挥发分，都要明显优于木炭，并且在矿热炉中发生还原反应，涉及到的CaO、Al2O3等杂质也会被还原，其他杂质则在高温状态下有效挥发，剩余部分则进入到硅液和硅锭当中，因此将生物质炭应用到工业硅生产中，可以显著提高产品质量[5-6]。
结语：
本文是基于对生物质炭在工业硅冶炼中应用的分析，伴随着社会经济不断发展，对工业清洁化生产也提出更高要求，并且在农业生产不断发展背景下，每年产生农作物废弃物量也不断增加，大量堆积和焚烧处理，只会导致环境污染和造成资源浪费，若将这些废弃农作物制备成为生物质炭，使之作为还原剂应用到工业硅冶炼当中，既实现了废弃农作物资源化利用，又促进了工业硅生产工艺优化，在减少能源消耗、提高产量和保证质量的同时，自然生态环境也得到了有效保护，通过生物质炭代替木炭生产工业硅试验，也证实了生物质炭作为还原剂配比保持为13%，可使电耗和电极消耗降低，工业硅产量和质量也会得到明显提高，极大满足了工业硅冶炼对还原剂的要求，同时也为生物质炭在工业硅冶炼中进行实践应用提供积极经验，并推动工业硅生产更好发展。
参考文献：
[1]苏佳廷.废弃生物质水热碳化制备炭质材料及其应用[D].辽宁：大连理工大学，2019.
[2]张彦.生物质炭制粉、成型及烘干工艺研究[J].再生资源与循环经济，2019，12(7)：33-35.
[3]黄士英.工业锅炉生物质燃烧利用技术研究[J].百科论坛电子杂志，2019(8)：255-256.
[4]白淑坤，陈科彤，包崇军.废弃农作物在工业硅冶炼中资源化利用的思考[J]. 云南冶金，2014，43(5)：85-89.
[5]白淑坤，陈科彤，周涛，等.生物质炭在工业硅冶炼中的应用研究[J].有色金属（冶炼部分），2015(2)：42-44.