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TW202428513A - 用於矽生產的低碳排放製程 - Google Patents

用於矽生產的低碳排放製程 Download PDF

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TW202428513A
TW202428513A TW112135933A TW112135933A TW202428513A TW 202428513 A TW202428513 A TW 202428513A TW 112135933 A TW112135933 A TW 112135933A TW 112135933 A TW112135933 A TW 112135933A TW 202428513 A TW202428513 A TW 202428513A
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TW112135933A
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艾里 沙瓦第
皮耶樂 卡拉賓
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加拿大商匹若堅尼斯加拿大股份有限公司
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Abstract

本發明揭露一種透過二氧化矽的碳熱還原生產矽的製程，其具有低碳足跡、低NO x排放量、以及減少的碳形式的資源使用量。並且，本發明還揭露一種碳捕捉方法，用於透過二氧化矽的碳熱還原生產矽的製程，其中，該碳捕捉方法結合使用CO(g)的熱電漿和高壓歧化反應。

Description

用於矽生產的低碳排放製程
本發明的標的係關於元素矽的生產，並且，更具體地，係關於電弧爐中的元素矽的生產。
元素矽有許多工業應用，例如鋼、汽車、微電子和太陽能工業。矽酸鹽形式的矽佔地殼的90%，是地殼中含量第二豐富的元素。然而，矽酸鹽形式的矽無法直接應用於工業用途。例如石英、SiO 2形式中的矽必須被還原成其元素形式，即Si。
用於工業應用的元素矽可以具有範圍廣泛的純度。例如，作為鋼中的合金元素，通常使用純度為95%到99%之間的矽。這稱為冶金級矽。對於高階應用，例如微電子應用，需要高純度的矽，通常為99.9999999%。
元素矽的生產依賴冶金級矽的生產，冶金級矽的生產透過二氧化矽的碳熱還原進行，而二氧化矽的碳熱還原透過電弧熔煉製程進行。在此過程中，透過在電弧爐中將石英SiO 2加熱至超過1800°C的高溫，石英SiO 2在煤、石油焦或木炭等碳源的存在下被還原成矽。
在此過程中，碳與二氧化矽SiO 2中的氧反應以產生氣態一氧化碳和元素矽。生成矽的總化學計量反應如下。 SiO 2(s) + 2 C(s) = Si(l) + 2 CO(g)
此過程使用過量的二氧化矽進行，以防止碳化矽SiC的產生。 2 SiC + SiO 2+ SiC = 2 Si + 2 CO
這些反應為高度吸熱反應並發生在超過1800度的高溫。由於吸熱性質和高溫需求，此過程需要大量電能，在工業規模下生產每公斤的矽需要13至15 kWh的電能。
此製程在電弧爐中（EAF）進行，其中，能量由埋電弧提供（submerged electric arc），這代表電弧在石英和碳的反應負載物（reacting load）中產生並維持。
在爐中的最高溫遠高於2000°C，這可以在電弧於負載物內部深處維持的位置觀察到。在爐中的該點處，二氧化矽的還原反應產生了CO(g)，CO(g)向上移動並在1000至1300°C的升高的溫度下離開負載物 [文獻1]。
由於此類型的爐的尺寸和複雜性，其頂部建造為開放式，這代表空氣可以輕鬆地滲透到爐中，並且空氣中的氧氣在高溫過程中與CO(g)反應以產生CO 2(g)。藉由與氧氣的反應，空氣中的氮氣被加熱至其反應狀態，從而產生NO x。CO 2(g)和NO x這兩種副產物對環境而言是汙染物，其中，CO 2(g)大幅導致全球暖化，因為其為強力的溫室氣體；NO x導致酸雨、優養化、光化學空氣汙染、以及臭氧層的損耗，並且有害於人體健康 [文獻2]。
在商業矽工廠中，每生產一公斤的矽，CO 2(g)的直接排放量可高達五公斤。每生產一公斤的矽，由矽生產產生的全球CO 2足跡為11.3 kg e。
除了CO 2(g)形式的碳的製程排放之外，初始碳是一種不可再生的資源，其透過二氧化矽的碳熱還原被消耗。在矽製造工業中常見的碳源有：煤、煤焦、石油焦（petcoke）、木屑以及木炭。前三者可以分類為化石碳材料，其餘稱為生物來源材料。在矽工廠中，使用上述碳源的混合物是常見的做法，其中大部分（＞60wt.%）為化石類型，即煤、煤焦和石油焦。平均而言，為了在爐中製造一公斤的矽，有大約1.5公斤的碳被不可逆地消耗。
因此，需要發展減少二氧化碳CO 2排放、氮氧化物NO x排放及減少不可再生碳的使用的矽生產製程。
透過選擇性催化還原製程（SCR）或選擇性非催化還原製程（SNCR）在廢氣料流中捕捉NO x可以減少工業製程的NO x排放。然而，由於來自工業製程所使用的開放式爐頂的高度稀釋氣體，NO x減量塔變得過於龐大和昂貴。
可以使用例如胺製程從矽製造爐中捕捉CO 2。然而，由於空氣中高度稀釋的CO 2，該製程在經濟上變得不可行。目前用於從工業氣體流中吸收CO 2的最先進的煙道氣捕捉溶劑是胺的水溶液，特別是單乙醇胺的水溶液。即使在最好的情況下，從富胺料流中去除CO 2所需的主要能量（115至140 kJ/mol CO 2）也主導了製程的能量需求 [文獻5]。這種製程的主要限制為：高能量強度，也稱為能量損失；以及吸收劑的損失，因為進入汽提塔的所有吸收劑都無法再生 [文獻6]。乙醇胺也存在某些健康風險，因為乙醇胺會對肝臟和腎臟造成傷害，當高度暴露於乙醇胺時，也會對神經系統造成傷害。並且，所捕捉的CO 2必須被隔離、儲存或在異地使用，從而導致在運輸過程中額外的CO 2排放、洩漏和低效率。
為了減少來自矽生產製程的CO 2排放，已經制定數種工業新措施。例如，已經提出用由熱裂解產生的生物碳取代不可再生的碳，並且使用封閉式電弧爐，從而限制CO氧化成CO 2。CO隨後可以用於其他工業應用 [文獻7]。
生物碳的使用具有許多缺點，包含：由生物質例如木頭生產生物碳所需的高能量需求、地球生產生物質的能力有限、用於農業的有用土地被取代、以及生物碳的碳熱還原最終導致CO 2被釋放到大氣中的事實。
作為世界上主要的矽製造商之一，Elkem正在與國立臺灣師範大學（NTNU）以及SINTEF合作研究廢氣再循環，作為藉由增加廢氣中CO 2的濃度以改善碳捕捉製程 [文獻8] 的可行方法。在傳統的矽生產製程中，CO 2的濃度相對較低，其只有幾個百分點，使得CO 2捕捉製程在經濟上是不可行的。透過將廢氣再循環回到爐中，CO 2的濃度可以增加超過20%，從而使傳統的CO 2製程在經濟上可負擔。然而，尚不清楚如何在使用開放式埋電弧爐的矽熔煉爐中避免空氣滲透。一個提議是可以使用封閉式電弧爐，其如下參照PCT公開第WO 2020/243812 A8號中所描述。但是，即使CO 2被有效地捕捉並且經濟上可行，其仍無法使用在矽生產製程，並且需要被隔離和儲存。
在美國專利第4,860,096號中提出了一種安裝有轉移弧電漿電弧焊炬的封閉式爐，以從傳統原料生產矽。該發明人主張使用轉移弧焊炬代替石墨電極是有利的，因為理論上相比於轉移電漿電弧，將SiO 2碳熱還原成Si所需的能量較少。此外，該發明人主張，因為避免了石墨電極的使用，有望獲得更高品質的矽產物。然而，使用此製程將SiO 2還原為Si的實際產率未知，與之相反，經過充分驗證的埋電弧製程產生85至90%的轉化率。此產率參數對於估算製程的能量效率是非常重要的。這種爐的另一個缺點是需要用水冷卻來操作轉移電漿電弧焊炬。水冷卻可能會導致水從焊炬洩漏到熔融的矽浴上，這可能造成災難性的蒸汽錘和爆炸。此外，擴大這種爐的規模的潛力受到質疑，因為市售的轉移電弧焊炬的額定功率最多只有幾兆瓦，比全規模矽生產所需的約為數百兆瓦的功率低得多。
封閉式電弧爐（EAF）例如在先前提到的PCT公開第WO 2020/243812 A8號中已提出，其中描述了一種消耗性電極真空電弧爐，更具體地，描述了一種直流電消耗性電極真空電弧爐，其中，通常不需要水冷卻來冷卻爐的電極或任何其他部件，包含爐的殼體、凸緣端口和電連接。
此類型的封閉式爐藉由使滲入爐中的空氣最少化，以使爐氣富含CO(g)，從而使CO 2(g)的形成最少化。
處於其原始形式的CO(g)被認為是許多有用的化學物質的基礎材料，所述化學物質包含但不限於甲醇、乙醇和甲酸。因此，從環境的觀點來看，此種封閉式電弧爐相比於開放式電弧爐的主要優點是：封閉式電弧爐允許回收作為矽生產製程的碳熱還原的主要副產物的CO(g)。然而，從全球經濟和市場需求的觀點來看，這第一步驟沒有針對低碳排放矽製程提供可行的解決方法，因為此方法產生的CO(g)只能用於其他工業製程或二次製程。例如，為了透過催化合成製造有用的化學物質如甲醇，在CO(g)的品質、可用性和消耗率方面提出嚴格的要求。因此，在這種方法下，生產矽所產生的CO(g)需要被儲存並需要進一步提升等級，直到其可以隨時隨地根據市場需求及CO(g)短缺用於二次製程。因此，也可以預期CO(g)需要透過依賴燃燒化石燃料的傳統運輸方式運送到二次製程場所，然而燃燒化石燃料又會排放CO 2(g)。另外，CO(g)在轉化成有用的化學物質的二次製程中會損失，因為此種工業製程的產率沒有達到100%，從而造成更高的碳足跡。
由於對矽以及以非永續的方式使用化石碳的需求不斷增加，需要一種透過碳熱還原生產矽的循環製程，其中，碳被捕捉並返回到製程中。
因此，需要一種對環境友善的矽生產製程，其具有低碳足跡、減少了有限自然資源的消耗，並且具有低污染物排放料量，如低NO x排放量。
因此，需要提供一種新穎的矽生產製程。
本文所描述的實施例在一種態樣中提供一種透過二氧化矽的碳熱還原生產矽的製程，其具有低碳足跡、低NO x排放量、以及減少的碳形式的資源使用量。
並且，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種碳捕捉方法，用於透過二氧化矽的碳熱還原生產矽的製程，該碳捕捉方法結合使用CO(g)的熱電漿和高壓歧化反應。
此外，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種結合CO(s)的熱電漿分解-超快速淬火-歧化反應以生成固體碳的製程，其中，所述CO(s)透過使用封閉式電弧爐將二氧化矽碳熱還原為矽而生成。
此外，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種透過將二氧化矽碳熱還原成矽以生產高濃度CO(g)料流的製程。
另外，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供在一種封閉式電弧爐用於在將二氧化矽碳熱還原為矽的過程中，為了捕捉碳而將過量的空氣及/或氧氣的存在最少化的用途。
並且，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種由純或濃縮的CO(g)料流形成電漿氣體流，以經由熱分解形成固體碳的製程。
此外，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種由電漿炬產生的CO(g)電漿的超快速淬火製程，其中，該製程使用縮擴噴嘴將電漿氣體的熱能轉化為動能以快速降低其溫度，從而將固體形式的碳的形成和回收最大化。
另外，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種惰性及/或還原性淬火氣體用於在縮擴噴嘴之後避免碳與氧的逆反應，以增加CO(s)電漿流中的碳回收率的用途。
並且，本文所描述的實施例在另一個態樣中提供一種使用或不使用催化劑將CO(g)進行歧化反應為固體碳的高壓/中等溫度製程。
此外，本文所描述的實施例在另一種態樣提供一種透過二氧化矽的碳熱還原在矽生產中回收碳的製程，其中，該製程透過對碳（所述碳從來自封閉式電弧爐的CO(g)料流中捕捉）和含有二氧化矽的材料進行造粒來進行。
上述缺點可以透過本發明的標的至少部分地克服，本發明的標的在矽生產中，透過以傳統碳熱還原的方法將二氧化矽還原為矽，使用兩步驟製程進行碳的捕捉和再利用。在第一步驟中，提供了由碳熱還原爐製造乾淨的CO(g)的方法。在第二步驟中，提供了從CO(g)中回收碳，然後將所述碳送回至碳熱還原步驟的方法。
參照圖1，其顯示了利用碳回收來生產矽的製程的示意圖，其中，將二氧化矽201和碳202連續供給至封閉式電弧爐（CEAF）203。CEAF 203可以在真空狀態、大氣壓狀態下操作，或曝露在抽氣通風中以避免向環境的逸散性排放。在需要非常低的NO x和CO 2排放的情況下，特別是在碳熱還原製程開始時，為了在透過電弧施加能量之前以及在施加負操作壓力（即，低於大氣壓力）的操作過程中允許將爐內的殘餘氧氣最少化，真空額定的CEAF是較佳的。
CEAF 203透過將滲入爐內的氣體最少化以使爐氣富含CO(g)，從而將CO 2(g)的形成最少化，這意味著來自爐內的碳熱還原過程的CO(g)不可以被來自周圍環境的空氣中的氧氣氧化。
CEAF 203中的反應環境是由使空氣的滲入最少化的封閉結構控制，這意味著來自爐內環境中的空氣的氮氣的存在已最少化至零。這會抑制來自空氣的氮氣和氧氣在高溫下反應形成NO x。
不含NO x的CO(g)料流含有大量的矽灰形式的顆粒，矽灰是SiO 2到Si的不完全還原反應的副產物。為了進一步加工CO(g)，顆粒物在除塵步驟204被濾除。
現在不含顆粒的CO(g)料流進入脫碳過程，透過脫碳過程，固體碳被回收並可返回矽工廠以與二氧化矽重新反應。回收CO(g)的第一步驟與從CO(g)中提取碳的第二步驟相結合，允許了在矽生產製程中實現現場循環碳利用。
為了從CO(g)中捕捉碳，有兩種方法可以使用。
第一種方法發生在電漿反應器205中，其中，CO(g)供給至可以導通電流的電漿中，並且，所述電漿可以將CO(g)的溫度升高至C和O可以以其元素形式共存的程度。總反應可以寫成如下。 CO(g) = C(g) + O(g)
第二種方法發生在歧化反應器206中，其中，CO(g)分子在升高的溫度和壓力下反應，以從2莫耳的CO(g)中提取1莫耳的固體形式的C。總反應可以寫成如下。 CO(g) + CO(g) = C(s) + CO 2(g)
每種方法都可以單獨（獨自）使用或組合使用，以最大化碳回收率。
從兩種方法（205和206）獲得的碳在與二氧化矽201混合之前會經過碳收集及造粒步驟207，然後其可以供給回CEAF 203以產生額外的矽。
剩餘的廢氣208經由排氣管離開此製程。
參照圖2，其顯示了利用碳捕捉來生產矽的新穎製程的示例性示意圖。例如石英形式的二氧化矽以及例如煤、煤焦、木炭和木屑及/或它們的混合物的形式的碳，透過輸送帶1輸送至用於臨時批量儲存的開放式進料斗2。接著，碳與二氧化矽的混合物可以進料至封閉式進料斗4，封閉式進料斗4經由氣密閥3如閘閥與開放環境隔離。
封閉式進料斗4連接到真空幫浦5並與CEAF 9隔離，真空幫浦5用於去除封閉式進料斗4中的殘餘空氣。
為了在製程開始時將NO x的形成最少化，一旦使用真空幫浦5對封閉式進料斗4和CEAF 9進行除氣，則藉由打開閥8從來源7注入氬氣，一旦CEAF 9內部的壓力達到大氣壓程度，閥8就會關閉。
這種除氣過程需要重複進行，以確保殘餘空氣被從系統內移除。
為了裝載CEAF 9，氣密閥3打開以將碳與二氧化矽的混合物卸載到封閉式進料斗4中，然後關閉。然後，真空幫浦5運轉，以透過除氣過程將困在封閉式進料斗4中的空氣移除，該除氣過程透過經由閥8的開啟和關閉向封閉式進料斗4回填來自來源7的氬氣來進行。
接著，閥6打開以將諸如石英和碳的原料混合物卸載到CEAF 9中。
例如石英形式的二氧化矽與碳源的碳熱還原在CEAF 9中在不存在空氣的情況下發生，這使得來自製程的NO x的排放量低，並形成富含熱CO(g)的料流。
富含熱CO(g)的料流帶著來自二氧化矽與碳的不完全還原反應的細氧化矽顆粒離開CEAF 9。熱氣體流中的大部分細顆粒物經由熱旋風器10清除，例如允許處理熱氣體的耐火內襯旋風器。
離開熱旋風器10的氣體被引導至熱交換器11，在熱交換器11中氣體溫度降低，例如低於150°C。接著，可透過高效過濾系統12，例如可與HEPA過濾器組合的袋式集塵過濾器，來清除冷卻後的氣體中未被熱旋風器10捕捉的殘餘顆粒物，以將顆粒去除效率最大化。
現在不含顆粒物之富含CO的氣體流由抽風機（ID）風扇13驅動。ID風扇13確保操作過程的壓力保持略低於大氣壓力，以避免任何CO(g)逸散排放到周圍環境，並且確保操作人員的安全。
氣體壓縮機14將富含CO(g)的料流的壓力增加到足夠高的中等程度，例如高達10 atm，以使得電漿炬16能夠適當操作。
在電漿炬16的操作期間，需要緩衝槽15來維持CO(g)的壓力。加壓後的CO(g)進入電漿炬16，在其中分解為C(g)和O(g)。含有C(g)的電漿進入能高效防止C(g)和O(g)向CO(g)的逆反應的淬火系統17，從而使CO(g)的還原最少化。此淬火系統17的另一個作用是將電漿氣體的溫度降低至碳氣體C(g)冷凝成其固體形式C(s)的點。
一旦形成，C(s)在淬火的氣體流中保持穩定並進入冷旋風器18，透過冷旋風器18，大部分的C(s)透過氣流的氣旋效應與氣體流分離。
離開冷旋風器18的氣體應由熱交換器19進一步冷卻，並且至足夠冷，例如低於150°C，以透過可在過濾系統20如袋式除塵器中使用的市售過濾材料進行過濾，袋式除塵器可與HEPA過濾器結合以將從氣體流中去除剩餘的C(s)的效率最大化。
從C(s)中清除的殘餘CO(g)料流由鼓風機21驅動進入氣體壓縮機22，以將其壓力增加到選定的值，例如從（下文）表1中的選定值，以將其進一步處理進入CO(g)歧化反應器23中，該反應器23可以在高達100 atm以及在高溫例如800°C下運行，以將一部分的CO(g)轉化為C(s)。例如，如果CO(g)的轉化率需要為75%，以使C(s)的回收率為30%，則反應器23需要在25 atm和800°C的溫度下操作。為了加強反應過程並減少這樣的歧化過程的能量需求，可以使用例如鐵的催化劑材料。
離開歧化反應器23的熱氣體在被排放至大氣前由熱交換器24冷卻。為了避免有害的CO(g)排放至大氣中，可以透過熱氧化劑將剩餘的CO(g)氧化成CO 2(g)。此時，濃縮的CO 2(g)料流可以進一步被濃縮並於異地再利用，以用於有用的工業或商業用途。
然後，將從歧化反應器23收集的C(s)與從冷旋風器18和過濾系統20收集的C(s)一起轉移到壓塊/造粒單元25以與石英混合，使得來自將二氧化矽還原成矽的主要碳熱還原的一部分的碳返回到該製程中，從而在該製程中實現循環碳利用。
熱電漿可以透過本領域專家已知的幾種方法形成，包含但不限制於交流電電弧和直流電電弧、射頻電感耦合源（RF-IC）、以及微波。在這些方法中，電弧和RF-IC是受到關注的，因為它們已用於工業熱電漿炬，它們可以處理高流量的氣體，並且更重要的是，它們可以產生此製程的電漿炬16所需的非常高溫的電漿。理想地，電漿炬16可以提升大量CO(g)的溫度至8000°C，以最大化CO(g)到C(g)的解離率，並且該溫度不低於5000°C以維持C(g)。兩種或更多種的熱電漿產生方法的組合也是可行的。例如，可以將電弧所產生的電漿與RF-IC源結合，以增加氣體體積及/或CO(g)在熱電漿區域中的滯留。
參照圖3，其顯示了用於第一步驟碳捕捉的電漿炬16和淬火系統17的示例性垂直剖面示意圖。電漿炬101由電源102施加電能，並且CO(g)料流103在一個或多個位置進入電漿炬101，例如在使用直流（DC）電弧炬的情況下，經由氣體分配器104進入電漿炬101，其中，可以透過更高流量的電漿氣體來增加電弧的電壓以增強功率位準。
透過氣體分配器105注入防護氣體（shield gas），例如氬氣。防護氣體與形成氣體的電漿的比率可以低至10%或甚至更低。對於採用例如由銅製成的管狀電極配置或同軸電極配置的電弧電漿炬，不需要使用防護氣體。這是有利的，因為氣體流保持富含CO(g)的狀態。電漿炬106的前端是水冷式凸緣，該凸緣可以直接連接至具有漸縮-漸擴形狀的淬火模組107，該漸縮-漸擴形狀允許熱電漿氣體在漸擴區域110中達到超過1馬赫的速率。進入淬火模組107的電漿氣體被壓縮到漸縮區域108中，使氣體速度在通過區域109中達到1馬赫。一旦其進入漸擴區域110，電漿氣體在達到超過1馬赫的速度時會膨脹，使其熱能轉換為動能。大於5×10 7°C/s的冷卻速率 [文獻9] 確保在電漿中的C(g)轉化為C(s)。由於電漿CO(g)在淬火中的滯留時間因其高速度而受到限制，因此CO(g)到C(s)的部分轉化是可預期的。為了更進一步加強淬火過程，諸如惰性氣體（例如，Ar、He、N 2）的淬火氣體、或諸如CO(g)、H 2(g)或CH 4(g)的還原性氣體、或是氣體的組合，應該經由氣體分配器111注入。冷的淬火氣體與從漸擴區域110排出的氣體接觸，使得氣體的總溫度下降，進一步避免C(s)與氧氣的逆反應。使沒有轉化為C(s)的剩餘CO(g)進一步進行如前所述的歧化反應，以將總碳捕捉率最大化。
透過兩個示例進一步呈現如何在電漿反應器205和歧化反應器23中由氣態CO生產固體碳。
方法 1 ：用於碳捕捉的 CO 電漿。假設熱電漿達到局部熱力學平衡，可以使用吉布斯自由能最小化方法來預測一氧化碳的電漿組成。然後，可以在廣泛的溫度範圍內計算C-O熱力學平衡組成。使用HSC商用軟體v. 8計算一氧化碳電漿組成，並且結果顯示在圖4a至圖6。為了預測CO的電漿狀態溫度，定義電漿是有必要的。對於被視為電漿的氣體，應該有足夠的電離物質存在。一般來說，如果氣體有至少1%電離（電離度），則其可以視為電漿（考慮到高導電性）。電離度可以寫成如下。 其中，n i和n n分別為離子和中性物質的數量密度。
為了計算電離度，必須計算CO氣體在不同溫度下的粒子數量密度。圖5顯示在大氣壓力下所計算的CO電漿的粒子數量密度。有了粒子的數量密度，便可以根據上述的方程式估算在不同溫度下的電漿的電離度。該計算結果如圖6所示。
如圖6所示，在低於6000°C時，電離度非常低（＜0.05%）。在7800°C時，CO電漿的電離度達到1%。因此，可以說CO電漿在高於7800°C的溫度形成。
然而，CO在低得多的溫度下開始解離為單原子物質（即，C和O），該溫度約為3000°C，此時它們的數量密度變成大於1016 m -3。如圖6所示，在超過8000°C的溫度下，CO原子化為游離的O(g)和C(g)原子。在10000°C以上，電漿的組成主要是原子的氧和碳。如果可以達到非常高的淬火速率，則碳可以直接轉化成固相並被捕捉。在較低溫下的淬火速率應該高於CO形成動力學的速率。
如圖4a和圖4b所示，在較低溫度（＜ 2100°C） 下形成碳在熱力學上是有利的，碳可能透過此反應形成：CO + CO = C + CO 2。這意味著在由CO所組成的反應系統中，碳和CO 2(g)的形成在熱力學上是有利的，並且，CO(g)應該衰變為這些物質。
方法 2 ：用於碳捕捉的 CO 解離。由2莫耳的CO到1莫耳的碳和1莫耳的CO 2的歧化反應顯示CO到碳的解離是可行的。 CO(g) + CO(g) = CO 2(g) + C(s)
如果該反應是可行的，則由於氣體反應物的體積減少（2莫耳的CO(g)轉化為1莫耳的CO 2(g)），預期該反應應在高壓下進行，並且為了減緩C與CO 2的逆反應，低溫應是有利的。事實上，如圖7所示，熱力學計算的結果與此預期相符。
根據圖7所顯示的結果，從熱力學角度來看，在低溫時CO傾向於轉化為CO 2和C。然而，預期此反應會非常緩慢。為了提高反應速率，如果壓力增加，則可以在更高的溫度下進行CO到CO 2的轉化。例如，在超過100 atm的壓力下，如果反應溫度從400°C升高到800°C，則可以獲得幾乎相同的碳轉化率。
表1總結了在800°C和不同的操作壓力下的C-O系統的熱力學平衡計算結果。簡而言之，反應壓力越高，則碳轉化率就越高。 表1 - 在800°C下的C-O系統的熱力學平衡組成*
物質（莫耳） 壓力（atm）
1 5 10 25 50 100
CO 0.7955 0.5063 0.3834 0.2539 0.1825 0.1302
CO 2 0.1022 0.2468 0.3083 0.3730 0.4078 0.4349
C 0.1022 0.2468 0.3083 0.3730 0.4087 0.4349
* FACTSAGE WEB CODE v. 7.1
因此，理論上證明，可以透過使用非轉移直流電漿炬從CO(g)中提取固體形態的碳，然後對剩餘的CO(g)進行極端淬火和高壓-中等溫度催化處理，以捕捉更多的碳。
儘管以上說明已提供實施例的示例，惟應當理解，在未脫離所述實施例之操作精神及原則的情況下，仍可修改所述實施例之某些特徵及/或功能。因此，上文中已描述的內容旨在說明所述實施例，而非予以限制，並且所屬技術領域中具有通常知識者亦將理解，在未脫離所附申請專利範圍所界定之實施例的範圍的情況下，亦可做出其他變化及修改。
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本申請案主張於2022年9月20日提交之目前待審中的美國臨時申請第63/408,442號的優先權權益，上述案件透過引用併入本文中。
1:輸送帶 2:開放式進料斗 3:氣密閥 4:封閉式進料斗 5:真空幫浦 6:閥 7:來源 8:閥 9:封閉式電弧爐（CEAF） 10:熱旋風器 11:熱交換器 12:高效過濾系統 13:抽風機風扇（ID風扇） 14:氣體壓縮機 15:緩衝槽 16:電漿炬 17:淬火系統 18:冷旋風器 19:熱交換器 20:過濾系統 21:鼓風機 22:氣體壓縮機 23:歧化反應器 24:熱交換器 25:壓塊/造粒單元 101:電漿炬 102:電源 103:CO(g)料流 104:氣體分配器 105:氣體分配器 106:電漿炬 107:淬火模組 108:漸縮區域 109:通過區域 110:漸擴區域 111:氣體分配器 201:二氧化矽 202:碳 203:封閉式電弧爐（CEAF） 204:除塵步驟 205:電漿反應器 206:歧化反應器 207:碳收集及造粒步驟 208:廢氣
為了更好地理解本文所描述的實施例並且更清楚的顯示實施例是如何實施，現在將僅透過示例的方式參照所附圖式，所附圖式至少顯示一個示例性實施例，並且其中： 圖1是根據一個示例性實施例利用碳回收來生產矽的製程的示例性示意圖； 圖2是根據一個示例性實施例利用碳捕捉來生產矽的製程的示例性示意圖； 圖3是根據一個示例性實施例用於第一步驟碳捕捉的電漿炬和淬火模組的示例性垂直剖面示意圖； 圖4a和圖4b是顯示CO(g)在範圍廣泛的溫度（100至10000°C）下的熱力學平衡組成的兩張曲線圖，其中，圖4a的Y軸為kmol，X軸的單位為溫度（°C），圖4b的Y軸的單位為Log（kmol），X軸為溫度（°C）； 圖5是顯示在1 atm下的CO電漿的組成的曲線圖； 圖6是顯示在1 atm下的CO電漿的電離度的曲線圖； 圖7a、圖7b、圖7c和圖7d是分別依序顯示在400、600、800和1000°C和1至200 bar的壓力範圍下的C-O反應系統的熱力學平衡的四張曲線圖。
201:二氧化矽
202:碳
203:封閉式電弧爐(CEAF)
204:除塵步驟
205:電漿反應器
206:歧化反應器
207:碳收集及造粒步驟
208:廢氣

Claims (10)

  1. 一種透過二氧化矽的碳熱還原生產矽的製程，其具有低碳足跡、低NO x排放量、以及減少的碳形式的資源使用量。
  2. 一種碳捕捉方法，用於透過二氧化矽的碳熱還原生產矽的製程，其中，該碳捕捉方法結合使用CO(g)的熱電漿和高壓歧化反應。
  3. 一種結合CO(s)的熱電漿分解-超快速淬火-歧化反應的以生成固體碳的製程，其中，所述CO(s)透過使用封閉式電弧爐將二氧化矽碳熱還原為矽而生成。
  4. 一種透過將二氧化矽碳熱還原成矽以生產高濃度CO(g)料流的製程。
  5. 一種封閉式電弧爐用於在將二氧化矽碳熱還原為矽的過程中，為了捕捉碳而將過量的空氣及/或氧氣的存在最少化的用途。
  6. 一種由純或濃縮的CO(g)料流形成電漿氣體流以經由熱分解形成固體碳的製程。
  7. 一種由電漿炬產生的CO(g)電漿的超快速淬火製程，其中，該製程使用縮擴噴嘴將電漿氣體的熱能轉化為動能以快速降低其溫度，從而將固體形式的碳的形成和回收最大化。
  8. 一種惰性及/或還原性淬火氣體用於在縮擴噴嘴之後避免碳與氧的逆反應以增加CO(s)電漿流中的碳回收率的用途。
  9. 一種使用或不使用催化劑將CO(g)進行歧化反應為固體碳的高壓/中等溫度製程。
  10. 一種透過二氧化矽的碳熱還原在矽生產中回收碳的製程，其中，該製程透過對碳（所述碳從來自封閉式電弧爐的CO(g)料流中捕捉）和含有二氧化矽的材料進行造粒來進行。
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