工业硅冶炼用生物质炭还原剂的制备及其性能研究

发布时间：2020-06-26 21:20

【摘要】：碳质还原剂是工业硅生产中必不可少的原料,长期以来木炭都是用于工业硅冶炼最理想的还原剂。但木炭的获取是以消耗并不富裕的森林资源为代价的,而且木炭价格越来越高,严重影响了工业硅企业的经济效益。鉴于此,本文以储量丰富、生长周期短、可再生的农林生物质(甘蔗渣、核桃壳、松子壳、玉米芯)为原料,利用热解法制备生物质炭还原剂,进行了如下几个方面的研究。首先,利用热解法制备了生物质炭还原剂,探究了热解工序对四种生物质炭的产率、固定碳、挥发分和灰分含量以及电阻率的影响。同时,选择松木为对比原料,对其进行热解制备木炭(松木炭)。对不同温度段下制备的生物质炭电阻率变化规律、灰分中杂质含量、孔结构等进行研究,并与木炭的性能进行对比。实验结果表明,热解温度对生物质炭电阻率有显著的影响,700℃以前电阻率下降缓慢,700℃～1000℃内电阻率迅速下降,之后随着热解温度升高而缓慢下降并趋于平坦。其次,利用热重分析对生物质热解动力学进行研究,研究发现生物质原料热解过程的失重速率呈现先增加后减小的的趋势。在233～353℃的热解温度范围内,平均升温速率10、20、30℃/min对应的表观活化能分别为68.15、68.62、80.83kJ/mol。在353～533℃的热解温度范围内,三个升温速率对应的表观活化能分别为37.25、38.82、12.10kJ/mol。机理函数f(α)=(1-α)1.5较好的符合两个温度段下生物质的热解过程。最后,利用FT-IR和XRD等技术对生物质炭电阻率变化机理进行研究,结果表明随着热解温度的升高,生物质炭内部的羰基和脂肪族官能团被破坏,生物质炭内部分子结构发生重排,(002)和(100)峰逐渐变得尖锐,炭内部的两个晶格之间的夹层间距(d002)逐渐减小,结晶程度、芳构化程度和有序化程度增强,从而导致生物质炭电阻率的减小。SEM表征表明生物质炭具有发达的孔洞结构,生物质炭表面随热解温度升高出现了明显的烧蚀现象,高温使生物质炭表面孔隙遭受了一定程度的破坏。基于工业分析和各项性能综合对比得出,四种生物质炭适合用做工业硅还原剂的优先顺序为：松子壳炭核桃壳炭玉米芯炭甘蔗渣炭。生物质炭具有发达的孔洞结构和较高的比表面积,500～700℃C热解温度段下获取的生物质炭平均产率24%、平均电阻率5600μΩ·m、固定碳80%、热值30MJ/kg、挥发分适中、灰分低,部分指标接近或优于木炭,有望用作还原剂替代木炭冶炼工业硅。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6

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