工业硅生产废渣复合球团反应活性研究

The existing industrial silicon production has two main problems, the low resource utilization and low thermal efficiency of the semi-closed submerged arc furnace. The effective solution for the above two problems is to agglomerate the wastes containing silicon or carbon and return to the furnace. Since the current study of the reaction behavior characteristics of agglomerate components is still unclear, the theoretical basis for the evaluation of agglomerates is insufficient. This project uses high-precision and high-temperature thermogravimetric furnace combined with furnace gas composition analyzer to explore the reactivity of various components in the agglomerate, and analyze and study the kinetic parameters of solid-solid and gas-solid reaction, then clarifies the behavioral mechanism between the binder and each agglomerate component, revealing the mapping relationship between each influencing factor and the reactivity. Based on the above results, establishing and developing practical and reliable composite agglomerate reactivity test theory and method, then fulfill the evaluation of composite agglomerate reactivity and regulation of agglomerate performance, providing a theoretical basis for the practical application of composite agglomerate. Promoting the application of composite agglomerate in industrial silicon production, providing theoretical support for the efficient use of resources in industrial silicon enterprises and the improvement of silicon recovery and thermal efficiency of submerged arc furnaces.

现有工业硅生产存在资源利用率低，半封闭式矿热炉热效率低下两大问题。将工业硅生产过程中产生的含硅含碳废渣制成复合球团后再入炉，是解决上述两个问题的有效方案，由于目前对复合球团各组分之间反应行为特征仍不明晰，因此缺少对球团评价的理论基础。本项目主要利用高精度高温热重反应炉结合炉气成分分析仪，通过探索复合球团内各组分反应活性，并分析研究固-固、气-固反应动力学特征参数，考察研究粘结剂高温反应行为，阐明粘结剂与各球团物料之间行为机理，旨在揭示反应活性与各影响因素之间的映射关系。基于以上研究，建立和发展实用且准确的复合球团组分反应活性测试理论与方法，实现对复合球团反应活性评价和反应性能调控，为复合球团实践应用提供理论依据，推动复合球团在工业硅生产中的应用，为实现工业硅企业内资源高效利用和提高硅回收率、矿热炉热效率提供理论支持。

硅能源是我国能源转型的重要支柱，作为硅能源体系重要原料，工业硅的生产过程中产生大量含硅、含碳废料。随着中国工业硅产量逐年增加，上述废料总量也逐步增加。本研究旨在研究含硅、含碳废料回用于工业硅生产过程的关键技术，实现高品质资源循环利用的同时，还能降低生产能耗。本研究从不同粘结剂对碳硅复合球团强度的影响着手，并使用光学接触角/表界面张力测量仪研究了粘结剂与原料之间的润湿性能，为碳硅复合球团寻找适合的工业粘结剂提供科学依据。采用单一因子变量法，研究了成型压力、水分、粒度、陈化时间等因素对球团抗压强度及落下强度的影响，选择出最佳的工艺条件。最后进行了碳硅复合球团高温反应性研究。.实验结果表明：粘结剂A均能提高球团的冷、热强度，当粘结剂A含量为3%时，球团的热强度明显高于冷强度，并随含量的增加球团的热强度达到11.4 MPa；粘结剂B和粘结剂C均能提高球团的抗压强度和落下强度，但当两种粘结剂含量超过5%时，球团抗压强度有下降趋势，并且球团抗碎率减小，粉化率增加。.四种粘结剂与硅石粉均表现出良好的润湿性；而淀粉、粘结剂B与煤粉在室温条件下不润湿，其接触角均大于90 °；粘结剂A与煤粉润湿良好；粘结剂C与煤粉的初始接触角大于90 °，但0.4 s后表现为润湿。淀粉在预热的条件下转化为糊化淀粉，其接触角相比室温增加；粘结剂A、粘结剂B、粘结剂C三种粘结剂在预热时与硅石粉和煤粉的的接触角相比常温时要小，其扩散作用也越强，由扩散产生的粘合力也越高。.选择1%淀粉、1%粘结剂B和3%粘结剂A为复合粘结剂，当成型压力为20 MPa，水分含量为8%，原料粒度为-75 μm时，球团冷热强度分别为30.68 MPa和12.59 MPa，抗碎率为97.42%，粉化率为0.51%，满足工业冶炼要求。.碳硅复合球团高温反应性研究表明，化学反应后，球团的主要成分为β-SiC。球团中原料的SiO2-C和SiO-C的反应活性和球团内碳含量，同时影响着球团的反应性。球团中复合粘结剂的加入使球团最大反应速率提高了40%，反应时间减少。.