SE461037B

SE461037B - COATED BY COAL AND SILICON Dioxide CONTINUOUSLY MAKING LIQUID SILICONE IN A REACTOR

Info

Publication number: SE461037B
Application number: SE8703895A
Authority: SE
Inventors: J Feinman
Original assignee: Skf Plasma Tech
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1987-10-09
Publication date: 1989-12-18
Also published as: NO884496L; NO884496D0; FR2621575B1; FR2621575A1; AU616181B2; SE8703895D0; JPH01115811A; AU1699188A; BR8804291A; SE8703895L

Description

461 10 15 20 057 Det uppfinningsenliga sättet erbjuder sålunda en process vari de ovan nämnda förlusterna av SiO reduceras eller elimineras, och halten resterande SiC i produkten mini- mefâs. 461 10 15 20 057 The method according to the invention thus offers a process in which the above-mentioned losses of SiO are reduced or eliminated, and the content of residual SiC in the product is minimized.

Det uppfinningsenliga sättet kan illustreras på följande vis.The method according to the invention can be illustrated in the following way.

I det första steget, genomföras en karbotermisk reduktion av SiO2 i en första zon innehållande ett överskott av kol till bildning av SiC enligt S102 + 2C > 2 SiOg + 2 CO (1) 2 SiOg + 4C --9 2 SiCS + 2CO (2) eller totalt 2 SiOz + 6C~---> 2 SiCs + 4CO (3).In the first step, a carbothermal reduction of SiO2 is carried out in a first zone containing an excess of carbon to form SiC according to S102 + 2C> 2 SiO 2 + 2 CO (1) 2 SiO 2 + 4C - 9 SiCS + 2CO (2 ) or a total of 2 SiO 2 + 6C ~ ---> 2 SiCs + 4CO (3).

I det andra steget, utnyttjas den SiC som producerats i det första steget till att reducera ytterligare SiO2 en- ligt SiO2 + SiCs --ö Sil + S109 + CO (4), och SiO + SiC --à 2 Si + CO (5), eller g s l totalt SiO2 + 2SiCS > 3 Sil + 2CO (6).In the second step, the SiC produced in the first step is used to further reduce SiO2 according to SiO2 + SiCs - δ Sil + S109 + CO (4), and SiO + SiC - δ 2 Si + CO (5 ), or gsl total SiO2 + 2SiCS> 3 Sil + 2CO (6).

Den totala reaktionen för de två kombinerade stegen (ek- vation (3) plus ekvation (6) är 3SiO + 6C > 3Si + GCO (7). 2 l ,. .-.ﬂnwwwuu 10 15 20 25 30 3 461 057 Det uppfinningsenliga sättet genomförs med fördel i en schaktugn som hålles fylld med styckeformigt kolmaterial.The total reaction for the two combined steps (equation (3) plus equation (6) is 3SiO + 6C> 3Si + GCO (7). 2 l,. .-. Fl nwwwuu 10 15 20 25 30 3 461 057 The invention according to the invention the method is advantageously carried out in a shaft furnace which is kept filled with piece-shaped carbon material.

Denna reaktor har lämpligen upptill ett matningsorgan för styckeformigt kolmaterial, samt en ledning för avdragning av gaser som produceras och introduceras i systemet. Vid en övre nivå av reaktorn finns anordningar för inmatning av kiseldioxid och värmeenergi i en första reaktionszon.This reactor suitably has at the top a feed means for piece-shaped carbon material, as well as a line for drawing gases produced and introduced into the system. At an upper level of the reactor there are devices for feeding silica and heat energy into a first reaction zone.

Vid en andra lägre nivå i reaktorn finns organ för inmat- ning av kiseldioxid och värmeenergi för genomförande av det andra reaktionssteget. Reaktorns undre del är utfor- mad på konventionellt vis för att medge avtappning av bil- dat kisel, och kan med fördel vara utformad för att medge temporär uppsamling av flytande kisel för satsvis avtapp- ning därav från reaktorn.At a second lower level in the reactor, there are means for feeding in silica and heat energy for carrying out the second reaction step. The lower part of the reactor is designed in a conventional manner to allow draining of formed silicon, and can advantageously be designed to allow temporary collection of liquid silicon for batchwise draining thereof from the reactor.

Organen för tillförsel av värmeenergi är anordningar för tillförsel av förbränningsoberoende energi, nämligen plasmageneratorer varvid partikelformigt SiO 2 injiceras vid dessa.The means for supplying heat energy are devices for supplying combustion-independent energy, namely plasma generators in which particulate SiO 2 is injected thereon.

Den uppfinningsenliga processen enligt de ovan angivna stökiometriska ekvationerna kommer nu att närmare beskri- vas i anslutning till den bilagda enda ritningsfiguren, som schematiskt visar en apparat för genomförande av det uppfinningsenliga sättet.The process according to the invention according to the above-mentioned stoichiometric equations will now be described in more detail in connection with the appended single drawing figure, which schematically shows an apparatus for carrying out the method according to the invention.

Den schematiskt på ritningen visade apparaten innefattar en schaktugn 1 som är försedd med åtminstone en plasmagene- rator 2 på en övre nivå, och åtminstone en plasmagenerator 3 på en undre nivå. Ugnen uppvisar dessutom vid överdelen 9 en konventionell sluss 4 för inmatning av styckeformigt kol, samt en ledning 7 för avdragning av gaser som produ- ceras och introduceras i ugnen. Vidare visas injicerings- anordningar 5 respektive 6 för injicering av partikelfor- migt SiO2 vid varje plasmagenerator. Vidare visas avtapp- 10 15 20 25 30 461 037 ningsanordningar 8 vid ugnens botten för periodisk avdrag- ning av produkten, flytande kisel.The apparatus shown schematically in the drawing comprises a shaft furnace 1 which is provided with at least one plasma generator 2 on an upper level, and at least one plasma generator 3 on a lower level. The furnace also has at the upper part 9 a conventional lock 4 for feeding piece-shaped carbon, as well as a line 7 for drawing gases which are produced and introduced into the furnace. Furthermore, injection devices 5 and 6, respectively, are shown for injecting particulate SiO2 at each plasma generator. Furthermore, drainage devices 8 are shown at the bottom of the furnace for periodic removal of the product, liquid silicon.

Den övre delen av schaktugnen l utnyttjas för genomförande av processens första steg och omfattar plasmageneratorerna 2 vid den Övre nivån samt ugnsvolymen ovanför denna övre nivå. Denna ugnsvolym är fylld med styckeformigt kol som matas genom överdelen 9. Plasmagas som kan vara recirkule- rad fràngas eller annan lämplig gas, samt partikelformig SiO2 som injiceras i plasmagasen, inkommer i kolbädden och reagerar enligt reaktionerna (1) och (2) till bildning av SiC och CO. Temperaturen i denna reaktionszon efter väsent- ligen fullständig omsättning kommer att vara åtminstone l90OOC och företrädesvis högre,och denna temperatur kommer att minska till omkring l300°C vid schaktugnens överdel då det styckeformiga kol som där inmatas rör sig nedåt och vär- mes av de uppàtgàende gaserna till reaktionstemperaturen.The upper part of the shaft furnace 1 is used for carrying out the first step of the process and comprises the plasma generators 2 at the upper level and the furnace volume above this upper level. This furnace volume is filled with lumpy carbon fed through the upper part 9. Plasma gas which may be recycled from other gas or other suitable gas, as well as particulate SiO2 which is injected into the plasma gas, enters the carbon bed and reacts according to reactions (1) and (2) to form of SiC and CO. The temperature in this reaction zone after substantially complete reaction will be at least 190 DEG C. and preferably higher, and this temperature will decrease to about 300 DEG C. at the top of the shaft furnace as the piece of charcoal fed there moves downwards and is heated by the rising the gases to the reaction temperature.

Det är helt klart att en väsentlig del av denna kolförvärm- ning kommer ätt åstadkommas i den övre delen av reaktorvo- lymen så att större delen av volymen ovanför den övre plas- mageneratornivàn 2 kommer att befinna sig vid eller nära reaktionszonstemperaturen. Dessa förhållanden kommer att gynna fullständig reduktion av all SiOg enligt reaktion (2). Den SiC som produceras i detta första steg kommer att röra sig nedåt tillsammans med eventuellt icke omsatt kol ned i den undre delen av schaktugnen 1, vilken del innefattar plasmageneratorerna vid den undre nivån 3 samt anordningarna för uppsamling och avdragning av Sil, och denna undre del utnyttjas för genomförande processens and- ra steg. I detta andra steg inmatas på den undre nivån ytterligre SiO2 tillsammans med plasmagas från plasmage- neratorerna på denna nivå och kommer att reagera med nedåt strömande SiC och icke omsatt kol till bildning av Sil och CO enligt reaktionerna (4), (5) och eventuellt Siog + C > Sil + Co (8). . al.. .www-www 10 15 20 25 30 5 461 037 Producerad Sil kommer att ansamlas i ugnsvolymen vid dess botten och periodiskt avlägsnas genom tappning på konven- tionellt sätt. Enligt en föredragen form av uppfinningen startas ugnen genom fyllning av dess undre del med stycke- formigt SiC och fyllning av dess övre del med styckefor- migt kol som skulle kunna vara grafit eller koks. Därefter kan plasmageneratorerna på nivåerna 2 och 3 drivas med lämplig inert plasmagas för värmning av systemet till reak- tionstemperaturen. En kontinuerlig produktion av Sil kan sedan startas genom injicering av SiO2 vid plasmagenera- torerna 2 och 3, för genomförande av de tidigare angivna ekvationerna. Ett exempel på drift av processen enligt upp- finningen under utnyttjande av relativtrenareakuæmerges i följande tabell, för ett produktionsflöde av ett ton kisel per timme.It is quite clear that a significant part of this carbon preheating will be effected in the upper part of the reactor volume so that most of the volume above the upper plasma generator level 2 will be at or near the reaction zone temperature. These conditions will favor complete reduction of all SiO 2 according to reaction (2). The SiC produced in this first step will move downwards together with any unreacted coal down into the lower part of the shaft furnace 1, which part comprises the plasma generators at the lower level 3 and the devices for collecting and subtracting Sil, and this lower part used for the second step of the implementation process. In this second step, additional SiO2 is fed to the lower level together with plasma gas from the plasma generators at this level and will react with downflowing SiC and unreacted carbon to form Sil and CO according to reactions (4), (5) and optionally Siog + C> Sil + Co (8). . al .. .www-www 10 15 20 25 30 5 461 037 Produced Sil will accumulate in the kiln volume at its bottom and be periodically removed by tapping in a conventional manner. According to a preferred form of the invention, the furnace is started by filling its lower part with piece-shaped SiC and filling its upper part with piece-shaped carbon which could be graphite or coke. Thereafter, the plasma generators at levels 2 and 3 can be operated with suitable inert plasma gas to heat the system to the reaction temperature. A continuous production of Sil can then be started by injecting SiO2 at the plasma generators 2 and 3, to carry out the previously stated equations. An example of operation of the process according to the invention using relative trainer accumulators is given in the following table, for a production flow of one tonne of silicon per hour.

I exemplet upprätthölls reaktionszontemperaturer av cirka 19oo°c.In the example, reaction zone temperatures of about 190 ° C were maintained.

Exempel på drift vid en produktion av 1 ton Si per timme, per ton Si Kolförbrukning, kg 855 Kiseldioxid, kg 2139 till första steget 1426 till andra steget 713 Elektricitet, kWh 7924 till första steget 4546 till andra steget 3378 Plasmagas, kmol 49 till första steget 34 till andra steget 15 Utgående gas, kmol* 125 CO, molfraktion 0,938 N2, molfraktion 0,062 Frångas Temperatur OC aa 1250 461 037 6 * Plasmagasen är i detta driftexempel recirkulerad ut- gående gas.Example of operation at a production of 1 ton Si per hour, per ton Si Carbon consumption, kg 855 Silica, kg 2139 to first stage 1426 to second stage 713 Electricity, kWh 7924 to first stage 4546 to second stage 3378 Plasma gas, kmol 49 to first step 34 to the second step 15 Outgoing gas, kmol * 125 CO, mole fraction 0.938 N2, mole fraction 0.062 Frangas Temperature OC aa 1250 461 037 6 * The plasma gas in this operating example is recycled outgoing gas.

Claims

10 15 20 25 7 461 037 P a t e n t k r a v

A method of continuously producing liquid silicon from carbon and silica in a reactor, wherein in a first step a first proportion of the silica is reacted with carbon during the supply of heat energy to form silicon carbide and in a second subsequent step a second The proportion of silica is reacted with the silicon carbide produced in the first stage with the supply of heat energy to form liquid silicon, characterized in that the first stage is carried out by introducing plasma gas and SiO in the reactor to form a first reaction zone located at a level above a second reaction zone arranged in the reactor containing primary silicon carbide formed in the first zone, the second step being carried out in the second zone during introduction of plasma gas with silicon dioxide injected therein. .

2. A method according to claim 1, characterized in that the first proportion of silica is selected to be approximately 2/3 and that the second proportion of silica is thus selected to be approximately 1/3.

3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature in the first stage is maintained at at least 1900 ° C.

A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature in the second stage is maintained at at least 19 ° C.

5. A method according to any one of claims 1 - 4, wherein the reactor vessel is charged with carbon in its upper part. k ä n n e t e c k - k ä n n e t e c k - 461 037

6. A method according to any one of claims 1 - 5, characterized in that the reactor is initially filled with particulate carbon in its upper part and with SiC in its lower part at the top of the first zone, and that inert plasma gas is injected into the two initially filled the reaction zones until the operating temperature condition is reached in the reactor, after which SiO2 and plasma gas are injected into the zones for continuous production of liquid silicon.