一种多孔复合碳质还原剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔复合碳质还原剂的制备方法，属于工业硅冶炼技术领域。
背景技术
工业硅行业的快速发展，使得大量的木材消耗严重破坏了生态环境。因此寻找一种高效且环境友好的可替代木炭作为工业硅碳质还原剂成为科研工作者迫切需要解决的瓶颈问题。石油焦由于具有固定碳含量高、灰分含量低、机械强度高、成分稳定等优点，是许多工业硅生产企业常用的碳质还原剂之一。在工业硅高温冶炼过程中，由于石油焦是一种类石墨结构的碳材料，高温下石墨化程度高，造成还原反应活性较低，降低电炉的电效率以及热效率。因此在硅石碳热还原过程中，即使石油焦的固定碳含量高，也不能全部使用石油焦作为还原剂。
虽然采用木炭、低灰分烟煤等配合石油焦使用，可起到一定的补充固定碳作用，但是固定碳含量低、灰分含量高、透气率低，尤其是存在粒度小、灰分中含有有害杂质高。为了提高还原剂的粒度，将多种碳质还原剂混合造球是增大还原剂粒度的有效途径，可以增大炉料的透气性。在传统复合碳质还原剂制备过程中，主要是将煤、石油焦等多种碳质还原剂进行混合，加入粘结剂，将其压制成球团，干燥后使用。该还原剂存在反应活性和球团强度不能兼得的矛盾。为了提高还原剂的反应活性，在球团生产时不能添加过多的粘结剂，但是还原剂的强度不适合工业硅的冶炼需要。为了保证还原剂球团的强度，粘结剂的过量加入，又会造成反应活性达不到工业硅冶炼的要求。这已经成为制约复合碳质还原剂大规模利用的瓶颈。
发明内容
本发明针对复合碳质还原剂存在的反应活性和球团强度不能兼得的问题，提供一种多孔复合碳质还原剂的制备方法，本发明采用石油焦和煤作为主要的碳源，锯末起到造孔的作用，采用沥青或煤焦油作为粘结剂，干燥并经过灼烧锯末制备成多孔复合碳质还原剂；本发明依据原料特点调整配比、优化工艺流程及条件参数；在工业硅生产中，达到保证炉料透气性，保证产量的同时降低工业硅各项能耗以降低生产成本的目的，为工业硅碳质还原剂的选择和使用提供依据。
本发明将锯末与石油焦和煤通过粘结剂结合制备高效的多孔复合球团用于工业硅生产，不仅可以回收利用资源，减缓对森林资源的砍伐，还可以减少锯末焚烧带来的环境污染和资源浪费，大幅度提高经济效益。
一种多孔复合碳质还原剂的制备方法，具体步骤如下：
(1)石油焦和煤分别破碎至粒度为不大于2mm占60％以上；
(2)锯末筛分至粒度不大于3mm；
(3)粘结剂加热熔化至熔融液态；
(4)将步骤(1)石油焦和煤、步骤(2)锯末、步骤(3)熔融液态粘结剂混合均匀并造球得到还原剂球团前驱体；
(5)将步骤(4)还原剂球团前驱体干燥，灼烧还原剂球团前驱体内的锯末使还原剂球团前驱体内产生气孔，得到多孔复合碳质还原剂。
所述步骤(1)石油焦中固定碳的质量百分数为80％～90％，灰分的质量百分数小于1％，挥发分的质量百分数为5％～15％，水分的质量百分数不大于4％，比电阻不小于2000μΩ·m；煤中固定碳的质量百分数为65％～75％，灰分的质量百分数小于5％，挥发分的质量百分数为10％～30％，水分的质量百分数不大于5％。
所述粘结剂包括但不限于沥青、煤焦油或木质素等。
以石油焦和煤的总质量为100％计，所述石油焦占石油焦和煤的总质量的20％～60％，锯末加入量为5％～30％，粘结剂加入量为2-20％。
所述还原剂球团前驱体的球团直径为20～100mm，形状包括但不限于圆形、椭圆形或棒状。
所述步骤(5)灼烧温度为200～600℃，灼烧时间为30～120min。
所述步骤(5)干燥为弱氧环境，其中弱氧环境包括但不限于真空或惰性气体保护环境。
所述多孔复合碳质还原剂球团的固定碳含量大于80％，灰分小于4％，反应活性大于90％，冷强度大于8000N。
本发明所述多孔复合碳质还原剂作为工业硅碳质还原剂的应用。
本发明所述多孔复合碳质还原剂比电阻不小于3000μΩ·m，避免在工业硅冶炼过程中因比电阻低导致电极位置上移，进而导致电弧炉炉底温度降低，炉底上涨影响生产顺行和产量降低等危害。
本发明灼烧还原剂球团前驱体内的锯末使还原剂球团前驱体内产生气孔的原理：在还原剂球团中添加的锯末是均匀分布的，在还原剂的灼烧过程中，锯末在缺氧的过程中碳化，碳化产物的体积不及原体积的1/3，其它部分以空腔的形式存在，在复合还原剂球团内就形成了多孔结构，孔的数量和密度与锯末的添加量正相关。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法综合回收利用废弃产品，避免资源浪费；
(2)本发明的工业硅多孔复合碳质还原剂用于工业硅冶炼生产，减少了木炭的使用，缓解了大量森林砍伐带来的环境生态压力；
(3)本发明的工业硅多孔复合碳质还原剂，采用添加锯末作为造孔原料，通过燃烧造孔，增大了还原剂与硅石的接触面积，提高了还原剂的反应活性，可以提高硅石还原率，降低生产过程中5％～10％的各项能耗。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例中通用的主要实施步骤如下：
(1)石油焦和煤分别破碎至粒度为0.5mm～1mm占60％以上；其中石油焦中固定碳的质量百分数为85％，灰分的质量百分数为1％，挥发分的质量百分数为10％，水分的质量百分数为4％，比电阻为2000μΩ·m；煤中固定碳的质量百分数为55％，灰分的质量百分数为5％，挥发分的质量百分数为25％，水分的质量百分数为3％；
(2)锯末筛分至平均粒度为0.8mm；
(3)粘结剂(沥青)加热至温度为400℃熔化至熔融液态；
(4)将步骤(1)石油焦和煤、步骤(2)锯末、步骤(3)熔融液态粘结剂混合均匀并造球得到还原剂球团前驱体；其中，还原剂球团前驱体的球团直径为40mm，以石油焦和煤的总质量为100％计，所述石油焦占石油焦和煤的总质量的20％。
实施例1的不同之处在于：
锯末加入量为5％，粘结剂加入量为2％；
将步骤(4)还原剂球团前驱体置于真空条件下干燥，再在真空、温度为200℃条件下灼烧30min还原剂球团前驱体内的锯末，锯末通过灼烧分解，使还原剂球团前驱体内产生气孔，得到多孔复合碳质还原剂；
本实施例多孔复合碳质还原剂的比电阻为8000μΩ·m，多孔复合碳质还原剂球团的固定碳含量为85％，灰分为3％，反应活性92％，冷强度为9000N。
实施例2的不同之处在于：
锯末加入量为30％，粘结剂加入量为20％；
将步骤(4)还原剂球团前驱体置于真空条件下干燥，再在真空、温度为600℃条件下灼烧120min还原剂球团前驱体内的锯末，锯末通过灼烧分解，使还原剂球团前驱体内产生气孔，得到多孔复合碳质还原剂；
本实施例多孔复合碳质还原剂的比电阻为4000μΩ·m，多孔复合碳质还原剂球团的固定碳含量为82％，灰分为5％，反应活性90％，冷强度为10000N。
实施例3的不同之处在于：
锯末加入量为15％，粘结剂加入量为10％；
将通用步骤(4)还原剂球团前驱体置于真空条件下干燥，再在真空、温度为400℃条件下灼烧60min还原剂球团前驱体内的锯末，锯末通过灼烧分解，使还原剂球团前驱体内产生气孔，得到多孔复合碳质还原剂；
本实施例多孔复合碳质还原剂的比电阻为6000μΩ·m，多孔复合碳质还原剂球团的固定碳含量为86％，灰分为3％，反应活性95％，冷强度为8500N。
