SE435370B - Sett att framstella kisel - Google Patents

Description

8106179-8 heterna att använda högrena råvaror. Härför måste dess- utom kiseldioxidpartiklarna agglomereras med hjälp av någon form av bindemedel, för att kunna användas. Detta fördyrar processerna ytterligare.

Ljusbâgsugnstekniken är vidare känslig för râvarornas elektriska egenskaper, vilket försvårar användningen av reduktionsmedel med låga föroreningshalter. Genom att man som utgångsråvara måste använda styckeformigt gods er- hålles under processen en lokalt sämre kontakt mellan kiseldioxid och reduktionsmedel, vilket ger upphov till SiO-avgång. Denna avgång ökar dessutom genom att det lo- kalt förekommer mycket höga temperaturer vid denna pro- cess. Vidare är det svårt att vidmakthålla absolut re- ducerande betingelser i gasrummet i en ljusbågsugn, vilket därför leder till att bildad SiO återoxideras till SiO2.

Ovan beskrivna förhållanden förorsakar den större delen av vid detta förfarande erhållna förluster, vilket också kan utläsas ur den vid detta kända förfarande uppmätta elförbrukningen, som uppgår till 25-45 MWh/ton mot en be- räknad teoretisk elförbrukning av 9 MWh/ton. Slutligen resulterar SiO-avgângen och den ovannämnda âteroxidationen av SiO till SiO2 i svåra driftsstörningar genom att gas- kanaler sättes igen. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja ovannämnda nackdelar samt att åstadkomma en process som medger framställning av högren kisel i ett enda steg och som medger användning av pulverformiga råvaror.

Detta åstadkommas vid det i inledningen angivna sättet medelst den enligt uppfinningen föreslagna lösningen, var- vid det väsentligt nya ligger i att det pulverformiga ki- seldioxidhaltiga materialet eventuellt tillsammans med ett reduktionsmedel med hjälp av en bärgas injiceras i en av en plasmfgenerator genererad plasmaqas varefter den sålunda 8106179-8 upphettade kiseldioxiden tillsammans med reduktionsmedlet och den energirika plasmagasen införes i ett reaktionsrum, som är i huvudsak allsidigt omgivet av ett fast styckeformigt reduktionsmedel.

Denna processutformning gör det möjligt att koncentrera hela reaktionsförloppet till en mycket begränsad reaktions- zon i omedelbar anslutning till forman, varigenom högtem- peraturvolymen i processen kan göras mycket begränsad.

Detta är en stor fördel framför hittills kända processer, där reduktionsreaktionerna sker successünzutspridda över en stor ugnsvolym.

Genom att processen utformats sä, att samtliga reaktioner sker i en reaktionszon i koksstapeln omedelbart framför plasmageneratorn, kan reaktionszonen hållas på en mycket hög och kontrollerbar temperaturnivà, varigenom reaktionen: SiO2 + 2 C ---> Si + 2 CO gynnas.

I reaktionszonen befinner sig samtliga reaktanter (SiO2, SiO, SiC, Si, C, CO) samtidigt, varför de i mindre mängder bildade produkterna SiO och SiC omedelbart reagerar enligt nedan: SiO + C ---> Si + CO SiO + SiC ~--> 2Si + CO 2SiC + SiO2 ---> 3Si + 2C0 De slutprodukter som lämnar reaktionszonen blir således i samtliga fall flytande Si och gasformigt CO.

Genom den enligt uppfinningen föreslagna användningen av pulverformiga råvaror underlättas och förbilligas valet av högrena kiseldioxidrâvaror. Den enligt uppfinningen föreslagna processen är vidare okänslig för råmaterialets swoefl-wv-s elektriska egenskaper, vilket underlättar valet av redukt- tionsmedel.

Det injicerade reduktionsmedlet kan vara t.ex. kolväten såsom naturgas, kolpulver, träkolspulver,.kimrökf“ petroleumkoks som -eventuellt kan vara renad, och koks- grus.

Den för processen nödvändiga temperaturen.kan lätt styras med hjälp av tillförd elektrisk energimängd per enhet plasmagas, varigenom optimala förhållanden för minsta möjliga SiO-avgång kan vidmakthållas.

Genom att reaktionsrummet är i huvudsak allsidigt omgivet av styckeformigt reduktionsmedel förhindras också en åter- oxidation av Si0 på ett effektivt sätt.

Enligt en lämplig utföringsform av uppfinningen tillföres det fasta styckeformiga reduktionsmedlet kontinuerligt till reaktionszonen i den mån det förbrukas.

Lämpligen kan man som fast styckeformigt reduktionsmedel använda koks, träkol, petroleumkoks och/eller carbon black och den vid processen använda plasmagasen kan lämpligen utgöras av från reaktionszonen recirkulerad processgas.

Det fast styckeformiga reduktionsmedlet kan vara ett pul- ver överfört till styckeform med hjälp av ett bindemedel sammansatt av C och H och eventuellt också O, t.ex. sucrose.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen utgöres den använda plasmabrännaren av en s.k. induktiv plasma- brännare, varigenom ev. föroreningar frånelädïukuna ned- bringas till ett absolut minimum.

Det enligt uppfinningen föreslagna sättet kan med fördel användas för framställning av högren kisel, avsett som 8106179-8 råvara till solceller och/eller halvledare, varvid högren kiseldioxid och reduktionsmedel med mycket låga förorenings- halter kan användas som råvaror.

Ytterligare kännetecken hos uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till några utföringsexempel. Reaktionerna utföres företrä- desvis i en schaktugns-liknande reaktor, som upptill konti- nuerligt beskickas med ett fast reduktionsmedel genom exem- pelvis ett uppsättningsmål_uppvisande jämnt fördelade och slutna matningsrännor eller en ringformad matningsspalt i anslutning till schaktets periferi.

Det eventuellt förreducerade kiselhaltiga pulverformiga ma- terialet inblåses nedtill i reaktorn genom formor med hjälp av en inert eller reducerande gas. Samtidigt kan kolväten inblåsas och enventuellt även syrgas, företrädesvis genom samma formor.

I nederdelen av det med ett styckeformigt reduktionsmedel fyllda schaktet förefinns ett reaktionsutrymme, som all- sidigt omgives av nämnda styckeformiga reduktionsmedel.

I denna reduktionszon sker reduktionen av kiseldioxiden och smältning momentant.

Den utgående reaktorgasen, som består av en blandning av koloxid och väte i hög koncentration, kan recirkuleras och användas som bärgas för plasmagasen.

För att ytterligare belysa uppfinningen redogöres nedan för två genomförda försök. 8166179-8 Exemgel 1 Ett försök genomfördes i halvstor skala. Som kiselrâvara användes krossad kvarts av bergkristalltyp med en för- oreningshalt understigande 100 ppm och med en partikel- storlek av cirka 0,1 mm. "Reaktionsrummet" bestod av briketterad carbon black. Som reduktionsmedel användes propan (gasol) och som bärgas och plasmagas användes tvättad reduktionsgas bestående av CO och H2.

Den inmatade elektriska effekten var 1.000 kWh, 2,5 kg S102/minut inmatades som råvara och som reduktionsmedel inmatades 1,5 kg propan per minut.

Vid försöket producerades totalt cirka 300 kg högren Si. Den genomsnittliga elförbrukningen var cirka 15 kWh/ kg producerad Si.

Försöket kördes i liten skala, varför värmeförlusten blev stor. Med gasâtervinning kan elförbrukningen sänkas yt- terligare och värmeförlusterna minskar också betydligt i en större anläggning.

Exemgel 2 Under i övrigt samma betingelser som i Exempel 1 fram- ställdes högren kisel med hjälp av pulverformig carbon black som reduktionsmedel. 1,2 kg carbon black per minut tillfördes. vid detta försök producerades 200 kg högren Si. Den genom- snittliga elförbrukningen var cirka 13,5 kWh/kg producerad Si.

Claims (9)

s1oa179-s E a_t e n_t k r a v

1. , Sätt att framställa kisel ur pulverformigt kisel- dioxidhaltigt material, som upphettas medelst plasma, k ä n n e t e c k n a t av att det pulverformiga kiseldioxidhaltiga materialet tillsammans med ett re- duktionsmedel med hjälp av en bärgas injiceras i en plasmagas, varefter det sålunda upphettade kiseldioxid- materialet tillsammans med reduktions- medlet och den energirika plasmagasen införes i ett reaktionsrum omgivet av fast styckeformigt reduktions- medel, varigenom nämnda kiseldioxid bringas till smält- ning och reduktion till flytande kisel.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att plasmagasen genereras genom att en gas får passera en elektrisk ljusbâge i en s.k. plasmagenerator.

3. Sätt enligt krav 1 och 2, k ä n n e t e c k n a t av att ljusbågen i plasmageneratorn genereras induk- tivt.

4. Sätt enligt krav 1-3, k ä n n e t e c k n a t av att det fasta styckeformiga reduktionsmedlet tillföras reaktionszonen kontinuerligt.

5. Sätt enligt krav 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att det fasta styckeformiga reduktionsmedlet utgöres av träkol eller koks.

6. Sätt enligt krav 1-5, k ä n n e t e c k n a t av att plasmagasen utgöres av från reaktionszonen recirku- lerad processgas, som bringatsatt passera plasmagenera- torn.

7. Sätt enligt krav 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att för framställning av högren kisel, avsedd som råvara 8196179-8 till solceller och/eller halvledare, som det kisel- dioxidhaltiga materialet väljes ett material med en föroreningsgrad understigande 0,1 viktsprocent.

8. Sätt enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att det fasta styckeformiga reduktionsmedlet valts ur en grupp bestående av briketterad kimrök, bri- ketterad petroleumkoks, briketterat träkolspulver och styckeformigt träkol.

9. Sätt enligt krav 7 och 8, k ä n n e t e c k n a t av att det injicerade reduktionsmedlet valts ur en grupp bestående av pulverformig kimrök, träkols- pulver, petroleumkoks, kolväten i gas- och vätskeform, såsom naturgas, propan, lättbensin. s1os179-s S a m m a¿¿¿L; a g Föreliggande uppfinning avser sätt för framställ- ning av kisel ur pulverformigt kiseldioxidhaltigt material. Detta material injiceras eventuellt till- sammans med ett reduktionsmedel med hjälp av en bär- gas i en plasmagas. Härefter införes det sålunda upp- hettade kiseldioxidmaterialet tillsammans med det even- tuella reduktionsmedlet och den energirika plasmagasen i ett reaktionsrum, som är omgivet av fast stycke- formigt reduktionsmedel, varigenom nämnda kiseldi- oxid bringas till smältning och reduktion till fly- tande kisel. Plasmagasen genereras företrädesvis med hjälp av en elektrisk ljusbåge i en plasmagenerator. Med denna process kan i ett enda steg framställas högren kisel, med en föroreningshalt som uppgår till högst 100 ppm.