生产工业硅的方法及工业硅生产系统与流程

1.本发明属于工业硅生产技术领域，具体涉及一种生产工业硅的方法及工业硅生产系统。


背景技术：

2.工业硅作为有机硅、光伏、硅合金等领域的核心原材料，在我国经济社会发展中具有重要地位。目前工业硅的生产是将硅石及碳基还原剂在电弧炉内加热，硅石被碳基还原剂还原生成工业硅液体和一氧化碳(co)气体，co气体通过料层逸出。同时在硅水包底部通入氧气、空气混合气体，以除去钙、铝等其他杂质。工业硅液体经铸锭、破碎、分级后得到成品。
3.生产1吨工业硅大约需消耗2.7-3吨硅石、2-2.5吨碳基还原剂以及0.08-0.13吨石墨电极，耗电1.2-1.5万度。所以工业硅同属于高耗能产业和高碳排放产业，工业硅生产以水电为能源时，单吨碳排放为5.32吨二氧化碳当量，而以火电为能源时，单吨碳排放达15.91吨二氧化碳当量。
4.工业硅生产过程中二氧化碳排放的管控压力逐年增压，现阶段工业硅生产极度依赖碳基还原剂，减排目标的实现存在较大困难。钢铁行业也在面临着相同的问题，目前使用氢气代替碳基还原剂降低二氧化碳排放量已经成为钢铁冶金领域新的发展方向。但是相较于金属氧化物，二氧化硅稳定性更高。在高温下(＞1200℃)氢气还原二氧化硅的反应产物是一氧化硅，直接还原生成单质硅的条件极为苛刻，理论反应温度超过4500℃，工业领域上难以实现。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种生产工业硅的方法及系统，针对工业硅现有生产技术能耗高、碳排放量大的缺点，采用本发明方法可显著降低生产过程中的二氧化碳排放量，同时本发明除水外无其他副产物，水可用于电解制氢并循环利用，是一种近零排放的工业硅生产方法。
6.解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种生产工业硅的方法，包括以下步骤：
7.1)向二氧化硅中通入氢气，加热反应，生成氧化亚硅和水；
8.2)通过等离子体发生器对氢气进行电离形成氢等离子体，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。
9.优选的是，所述步骤1)中的加热温度为1200～1700℃。
10.优选的是，所述步骤1)中二氧化硅的粒径不超过10mm。
11.优选的是，所述步骤1)中通入氢气的流量为1-100000nm3/h。
12.优选的是，所述步骤2)中的等离子体发生器的功率为0.1-4mw。
13.本发明还提供一种上述的生产工业硅的方法所用的系统，包括：
14.反应器，包括：反应器本体、设置于反应器本体内的气体分布板，气体分布板将反应器本体分隔为反应腔室、布风室，气体分布板上设置有用于分布气体的气体分布孔，反应腔室上设置有用于通入二氧化硅的反应器进料口、反应器出料口，布风室上设置有用于通入氢气的布风室进风口，在反应腔室内，二氧化硅与氢气加热反应，生成氧化亚硅和水；
15.等离子体发生器，设置于反应腔室内，等离子体发生器用于对氢气进行电离形成氢等离子体，在反应腔室内，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。
16.优选的是，等离子体发生器包括：内电极、外电极，外电极设置于反应腔室内壁上，外电极的外壁贴合于反应腔室内壁上，内电极设置于外电极内壁以内的区域。
17.优选的是，内电极为圆柱形；
18.外电极沿着与其轴向垂直的方向的截面为闭合的环形；或者，外电极包括至少两个子外电极，外电极沿着与其轴向垂直的方向的截面为由子外电极围成的环形，任意两个子外电极对接处之间的距离为预设的距离。
19.优选的是，外电极包括依次连接的开口端、中间段、出口端，反应器进料口、布风室进风口在开口端一侧，反应器出料口在出口端一侧，其中开口端的截面积大于中间段的截面积，出口端的截面积大于中间段的截面积。
20.优选的是，反应器为流化床反应器。
21.优选的是，所述的工业硅生产系统，还包括：
22.收集器，与反应器连接，收集器为滤筒除尘器，收集器用于收集反应产物，通过过滤得到硅；
23.收料仓，与收集器连接，收料仓用于收集硅。
24.优选的是，所述的工业硅生产系统，还包括：
25.制氢装置，与布风室连接，制氢装置用于制备氢气；
26.换热装置，包括：管程、壳体，管程设置于壳体内，管程与壳体换热，壳体上设置有第一进气口、第一出气口，管程上设置有第二进气口、第二出气口，第一进气口与收集器出风口连接，第一出气口与混气罐连接，第二进气口与制氢装置连接，第二出气口与混气罐连接；
27.混气罐，与换热装置连接；
28.气体加热器，与混气罐连接，气体加热器用于对气体加热，气体加热器还与布风室连接。
29.优选的是，所述的工业硅生产系统，还包括：
30.储料仓，用于储存原料二氧化硅；
31.原料缓冲罐，原料缓冲罐的入口与储料仓连接，原料缓冲罐的出口与反应器进料口连接，原料缓冲罐用于对原料二氧化硅缓冲。
32.与现有技术相比，本发明中的生产工业硅的方法及系统具有以下优点：
33.(1)本工艺使用氢气代替现有技术中石油焦、煤炭等碳基还原剂，反应尾气中除氢气、水蒸气外基本无其他成分，且氢气、水蒸气可循环利用，显著降低了工业硅生产过程温室气体排放量，是一种绿色环保的工业硅生产工艺。
34.(2)本发明设计的工业硅生产系统采用了新的工业硅生成反应路径，即在初始阶段使用电加热或微波加热的方式，使硅石与氢气反应生成气态一氧化硅，气-固反应的反应
速率远高于现有工艺固-固(硅石-碳)反应。在生产单质硅阶段使用等离子工艺将氢气生成氢等离子，进一步提高氢气的还原性，无需在高温高压环境下即可还原得到硅单质，降低设备要求同时提高了系统安全性。
35.(3)本发明设计的工业硅生产系统所生产的工业硅成品为粉末状，无需二次粉碎，降低了生产能耗，同时避免破碎过程引入杂质。
附图说明
36.图1是本发明实施例2中的生产工业硅的方法所用的系统的结构示意图；
37.图2是本发明实施例2中的等离子体发生器结构示意图；
38.图3是本发明实施例3中的等离子体发生器结构示意图。
39.图中：1-制氢装置；2-换热装置；3-混气罐；4-气体加热器；5-储料仓；6-原料缓冲罐；7-反应器；8-收集器；9-收料仓；101-氢气出口；201-第一进气口；202-第一出气口；203-冷凝水出口；204-第二进气口；205-第二出气口；301-混气罐进气口；302-混气罐出气口；401-气体加热器进气口；402-气体加热器出气口；601-原料缓冲罐进料口；602-原料缓冲罐出料口；701-布风室；702-第一反应段；703-第二反应段；704-布风室进风口；705-气体分布板；706-反应器进料口；707-外电极；7071-子外电极；708-内电极；709-反应器出料口；801-收集器进风口；802-收集器出风口；803-底部收料口。
具体实施方式
40.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
41.下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
42.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
43.在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
44.实施例1
45.本实施例提供一种生产工业硅的方法，包括以下步骤：
46.1)向二氧化硅中通入氢气，加热反应，生成氧化亚硅和水；
47.2)通过等离子体发生器对氢气进行电离形成氢等离子体，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。
48.本实施例还提供一种上述的生产工业硅的方法所用的系统，包括：
49.反应器，包括：反应器本体、设置于反应器本体内的气体分布板，气体分布板将反
应器本体分隔为反应腔室、布风室，气体分布板上设置有用于分布气体的气体分布孔，反应腔室上设置有用于通入二氧化硅的反应器进料口、反应器出料口，布风室上设置有用于通入氢气的布风室进风口，在反应腔室内，二氧化硅与氢气加热反应，生成氧化亚硅和水；
50.等离子体发生器，设置于反应腔室内，等离子体发生器用于对氢气进行电离形成氢等离子体，在反应腔室内，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。
51.与现有技术相比，本实施例中的生产工业硅的方法及系统具有以下优点：
52.(1)本工艺使用氢气代替现有技术中石油焦、煤炭等碳基还原剂，反应尾气中除氢气、水蒸气外基本无其他成分，且氢气、水蒸气可循环利用，显著降低了工业硅生产过程温室气体排放量，是一种绿色环保的工业硅生产工艺。
53.(2)本实施例设计的工业硅生产系统采用了新的工业硅生成反应路径，即在初始阶段使用电加热或微波加热的方式，使硅石与氢气反应生成气态一氧化硅，气-固反应的反应速率远高于现有工艺固-固(硅石-碳)反应。在生产单质硅阶段使用等离子工艺将氢气生成氢等离子，进一步提高氢气的还原性，无需在高温高压环境下即可还原得到硅单质，降低设备要求同时提高了系统安全性。
54.(3)本实施例设计的工业硅生产系统所生产的工业硅成品为粉末状，无需二次粉碎，降低了生产能耗，同时避免破碎过程引入杂质。
55.实施例2
56.如图1所示，本实施例提供一种工业硅生产系统，包括：
57.反应器7，包括：反应器本体、设置于反应器本体内的气体分布板705，气体分布板705将反应器本体分隔为反应腔室、布风室701，气体分布板705上设置有用于分布气体的气体分布孔，反应腔室上设置有用于通入二氧化硅的反应器进料口706、反应器出料口709，布风室701上设置有用于通入氢气的布风室进风口704，在反应腔室内，二氧化硅与氢气加热反应，生成氧化亚硅和水；
58.等离子体发生器，设置于反应腔室内，等离子体发生器用于对氢气进行电离形成氢等离子体，在反应腔室内，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。
59.如图2所示，优选的是，等离子体发生器包括：内电极708、外电极707，外电极707设置于反应腔室内壁上，外电极707的外壁贴合于反应腔室内壁上，内电极708设置于外电极707内壁以内的区域。
60.优选的是，内电极708为圆柱形；
61.外电极沿着与其轴向垂直的方向的截面为闭合的环形。具体的，本实施例中内电极与电源正极连接，外电极与电源负极连接。
62.优选的是，外电极707包括依次连接的开口端、中间段、出口端，反应器进料口706、布风室进风口704在开口端一侧，反应器出料口709在出口端一侧，其中开口端的截面积大于中间段的截面积，出口端的截面积大于中间段的截面积。
63.优选的是，反应器7为流化床反应器7。
64.优选的是，所述的工业硅生产系统，还包括：
65.收集器8，与反应器7连接，收集器8为滤筒除尘器，收集器8用于收集反应产物，通过过滤得到硅；
66.收料仓9，与收集器8连接，收料仓9用于收集硅。
67.优选的是，所述的工业硅生产系统，还包括：
68.制氢装置1，与布风室701连接，制氢装置1用于制备氢气；
69.换热装置2，包括：管程、壳体，管程设置于壳体内，管程与壳体换热，壳体上设置有第一进气口201、第一出气口202，管程上设置有第二进气口204、第二出气口205，第一进气口201与收集器出风口802连接，第一出气口202与混气罐3连接，第二进气口204与制氢装置1连接，第二出气口205与混气罐3连接；
70.混气罐3，与换热装置2连接；
71.气体加热器4，与混气罐3连接，气体加热器4用于对气体加热，气体加热器4还与布风室701连接。
72.优选的是，所述的工业硅生产系统，还包括：
73.储料仓5，用于储存原料二氧化硅；
74.原料缓冲罐6，原料缓冲罐6的入口与储料仓5连接，原料缓冲罐6的出口与反应器进料口706连接，原料缓冲罐6用于对原料二氧化硅缓冲。
75.本实施例中的工业硅生产系统包括：氢气系统、换热系统、加热系统、供料系统、还原系统、收料系统。
76.具体的，本实施例中的氢气系统为制氢装置1，制氢装置1用于生产氢气，制氢装置1可以是电解制氢、天然气裂解制氢等，制氢装置1设有氢气出口101。
77.具体的，本实施例中换热系统由换热装置2和混气罐3所组成，换热装置2为管式换热器，换热装置2上还设置有冷凝水出口203，管程的两端设有第二进气口204和第二出气口205。混气罐3设有混气罐进气口301、混气罐出气口302，混气罐进气口301分别与换热装置2的第一出气口202、第二出气口205连接。
78.具体的，本实施例中加热系统为气体加热器4，气体加热器4设有气体加热器进气口401、气体加热器出气口402，气体加热器进气口401与混气罐出气口302连接。
79.具体的，本实施例中供料系统由储料仓5、原料缓冲罐6所组成。原料缓冲罐6顶部设有原料缓冲罐进料口601，与储料仓5底部连接，原料缓冲罐6底部设有原料缓冲罐出料口602，并与反应器7连接。可选的，供料系统设有预热装置，预热装置设在原料缓冲罐6上或独立设置，预热装置独立设置指的预热装置设置于储料仓5、原料缓冲罐6之间，预热装置分别与储料仓5、原料缓冲罐6连接，预热装置的热源为电加热装置、微波加热装置或者尾气换热装置。
80.具体的，本实施例中的预热装置为微波加热装置。
81.具体的，本实施例中还原系统包括反应器7，反应器7为流化床反应器7，流化床反应器7由下到上依次分为布风室701、第一反应段702、第二反应段703三个区域。布风室701底部设有布风室进风口704，气体加热器4上设置有气体加热器出气口402，布风室进风口704与气体加热器出气口402连接。布风室701顶部设有气体分布板705，用于支承物料层,同时使气体分布均匀。第一反应段702加热方式为电加热或微波加热，第一反应段702侧壁设有至少一个反应器进料口706，与原料缓冲罐6底部原料缓冲罐出料口602连接。第二反应段703设有等离子体发生器，由环形外电极707和圆柱形内电极708构成，内电极708、外电极707之间形成沙漏型收口。第二反应段703顶部设有反应器出料口709。
82.具体的，本实施例中的第一反应段702的加热方式为微波加热。
83.具体的，本实施例中收料系统由收集器8、收料仓9所组成。收集器8的收集器进风口801与反应器出料口709连接，收集器8的收集器出风口802与换热器的第一进气口201连接，收集器8的底部收料口803与收料仓9连接。可选的，收集器8可以是滤筒过滤器、旋风除尘器、静电除尘器等种的一种或组合。
84.本实施例提供一种生产工业硅的方法，包括以下步骤：
85.1)向二氧化硅中通入氢气，加热反应，生成氧化亚硅和水；
86.2)通过等离子体发生器对氢气进行电离形成氢等离子体，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。
87.优选的是，所述步骤1)中的加热温度为1200～1700℃。
88.优选的是，所述步骤1)中二氧化硅的粒径不超过10mm。
89.具体的，本实施例提供一种使用上述工业硅生产系统进行的生产工业硅的方法，包括以下步骤：
[0090]ⅰ、使用惰性气体置换工业硅生产系统内空气。利用制氢装置1生产氢气；
[0091]ⅱ、将生产的氢气通入换热器的管程，与壳程内的尾气换热，尾气中的水蒸气被冷凝排出，随后管程与壳程内的氢气通入混气罐3内进行混合。将混合后的氢气通入气体加热器4，控制加热功率使氢气温度为900℃，加热后通入流化床反应器7。
[0092]ⅲ、向储料仓5内加入二氧化硅原料，粒径为100μm-300μm。将二氧化硅原料注入原料缓冲罐6，开启原料缓冲罐6的微波加热系统对原料进行预热至800℃。储料仓5内的二氧化硅原料经原料缓冲罐6进入流化床反应器7的第一反应段702；
[0093]ⅳ、开启第一反应段702的微波加热系统，进行加热，将原料加热至1500℃；
[0094]
ⅴ
、将混气罐3内的气体通入气体加热器4，加热后通入流化床反应器7，通入到流化床反应器7内的氢气的流量为80000nm3/h，氢气在布风室701内通过气体分布板705后均匀进入第一反应段702，氢气与原料二氧化硅在第一反应段702发生初步还原反应，生成中间产物氧化亚硅和水，之后形成的中间产物与氢气上升进入第二反应段703；
[0095]ⅵ、开启第二反应段703的等离子体发生器，等离子体发生器的功率为4mw，通过等离子体发生器的内外电极对氢气进行电离形成氢等离子体，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅，中间产物氧化亚硅被氢等离子体进一步还原生成工业硅，工业硅为单质硅颗粒；
[0096]ⅶ、生成的工业硅、尾气进入收集器8，其中单质硅颗粒被过滤收集后进入收料仓9，经检测硅单质含量大于98mas％、粒径小于150μm，硅的产率为98％。尾气进入换热器与制氢装置1供应的氢气进行换热，氢气随后在工业硅生产系统内循环，冷凝的水蒸气被收集。
[0097]
ⅷ
、关闭生产系统，使用惰性气体置换收料仓9内的氢气，使用气力输送的方式运输硅粉到下游使用，保证运输和下游使用安全。具体的，本实施例中的惰性气体为氮气。
[0098]
在上述步骤中，尾气与制氢装置1生产的氢气发生换热后引起的温度变化到100℃以内，冷凝水出口203与制氢装置1连接，尾气内的水蒸气冷凝后经冷凝水出口203流出进入到制氢装置1内循环利用。
[0099]
在上述步骤中，氢气经气体加热器4加热后的温度为700-1100℃，氢气流量具体与反应器7尺寸、硅石粒径、处理量的选择有关。运行时工业硅生产系统内压力高于环境压力，避免空气进入系统内部引起安全事故。
[0100]
在上述步骤中，第一反应段702的加热系统可以是微波加热、电加热或者微波/电
混合加热，原料温度被加热至1200-1700℃。
[0101]
在上述步骤中，二氧化硅原料为石英石、硅石等经选矿破碎后形成的颗粒，粒径为0-10mm。
[0102]
在上述步骤中，二氧化硅原料颗粒可以直接输送进第一反应段702，也可以经过预热装置预热后在进入，预热温度为500-1000℃。
[0103]
在上述步骤中，在第一反应段702内，氢气与二氧化硅原料在1200-1700℃的条件下反应生成气态一氧化硅，具体反应方程为:
[0104]
h2(g)+sio2(s)
→
h2o(g)+sio(g)(1)
[0105]
在上述步骤中，在第二反应段703内，氢气通过内外电极之间形成氢等离子体(h
+
、h
2+
、h
3+
)，氢等离子体的还原电位远高于氢气分子，可以进一步将气态一氧化硅还原为硅单质。
[0106]
在上述步骤中，通入到反应器7内的氢气的流量为80000nm3/h。
[0107]
在上述步骤中，等离子体发生器的功率为4mw。
[0108]
在上述步骤中，可以通过调节内外电极的形状来改变氢等离子形成区的大小，进而控制气体流速与混合效果。
[0109]
在上述步骤中，收集器8类型根据系统生产的工业硅粒径进行选择。
[0110]
在上述步骤中，置换氢气所使用惰性气体可以是氮气、氦气、二氧化碳等。
[0111]
与现有技术相比，本实施例中的生产工业硅的方法及系统具有以下优点：
[0112]
(1)本工艺使用氢气代替现有技术中石油焦、煤炭等碳基还原剂，反应尾气中除氢气、水蒸气外基本无其他成分，且氢气、水蒸气可循环利用，显著降低了工业硅生产过程温室气体排放量，是一种绿色环保的工业硅生产工艺。
[0113]
(2)本实施例设计的工业硅生产系统采用了新的工业硅生成反应路径，即在初始阶段使用电加热或微波加热的方式，使硅石与氢气反应生成气态一氧化硅，气-固反应的反应速率远高于现有工艺固-固(硅石-碳)反应。在生产单质硅阶段使用等离子工艺将氢气生成氢等离子，进一步提高氢气的还原性，无需在高温高压环境下即可还原得到硅单质，降低设备要求同时提高了系统安全性。
[0114]
(3)本实施例设计的工业硅生产系统采用流化床作为主体还原反应器7，相较于高温电弧炉，流化床可连续加料，内部传热传
[0115]
质速率较高，可提高生产效率。
[0116]
(4)本实施例设计的工业硅生产系统所生产的工业硅成品为粉末状，无需二次粉碎，降低了生产能耗，同时避免破碎过程引入杂质。
[0117]
实施例3
[0118]
如图3所示，本实施例提供一种工业硅生产系统，与实施例2中的区别为：
[0119]
外电极707包括至少两个子外电极7071，外电极707沿着与其轴向垂直的方向的截面为由子外电极7071围成的环形，任意两个子外电极7071对接处之间的距离为预设的距离。
[0120]
具体的，本实施例中内电极708与电源正极连接，各个子外电极7071分别与电源负极连接。
[0121]
本实施例提供一种使用实施例2中的工业硅生产系统的生产工业硅的方法，与实
施例2中的方法的区别为：
[0122]
步骤ⅱ中，通过气体加热器将氢气预热到700℃；
[0123]
步骤ⅲ中，向储料仓内加入二氧化硅原料，粒径为3～5mm，开启原料缓冲罐的微波加热系统对原料进行预热至1000℃。
[0124]
步骤ⅳ中，开启第一反应段的微波加热系统，进行加热，将原料加热至1700℃。
[0125]
步骤
ⅴ
中，通入到反应器内的氢气的流量为60000nm3/h。
[0126]
步骤ⅵ中，等离子体发生器的功率为0.5mw。
[0127]
步骤ⅶ中，生成的工业硅、尾气进入收集器，其中单质硅颗粒被过滤收集后进入收料仓，经检测硅单质含量大于95mas％、粒径小于160μm，硅的产率为92％。
[0128]
与现有技术相比，本实施例中的生产工业硅的方法及系统具有以下优点：
[0129]
(1)本工艺使用氢气代替现有技术中石油焦、煤炭等碳基还原剂，反应尾气中除氢气、水蒸气外基本无其他成分，且氢气、水蒸气可循环利用，显著降低了工业硅生产过程温室气体排放量，是一种绿色环保的工业硅生产工艺。
[0130]
(2)本实施例设计的工业硅生产系统采用了新的工业硅生成反应路径，即在初始阶段使用电加热或微波加热的方式，使硅石与氢气反应生成气态一氧化硅，气-固反应的反应速率远高于现有工艺固-固(硅石-碳)反应。在生产单质硅阶段使用等离子工艺将氢气生成氢等离子，进一步提高氢气的还原性，无需在高温高压环境下即可还原得到硅单质，降低设备要求同时提高了系统安全性。
[0131]
(3)本实施例设计的工业硅生产系统采用流化床作为主体还原反应器，相较于高温电弧炉，流化床可连续加料，内部传热传质速率较高，可提高生产效率。
[0132]
(4)本实施例设计的工业硅生产系统所生产的工业硅成品为粉末状，无需二次粉碎，降低了生产能耗，同时避免破碎过程引入杂质。
[0133]
实施例4
[0134]
本实施例提供一种使用实施例2中的工业硅生产系统的生产工业硅的方法，与实施例2中的方法的区别为：
[0135]
步骤ⅱ中，通过气体加热器将氢气预热到1100℃；
[0136]
步骤ⅲ中，向储料仓内加入二氧化硅原料，粒径为8～10mm，开启原料缓冲罐的微波加热系统对原料进行预热至500℃。
[0137]
步骤ⅳ中，开启第一反应段的微波加热系统，进行加热，将原料加热至1200℃。
[0138]
步骤
ⅴ
中，通入到反应器内的氢气的流速为20000nm3/h。
[0139]
步骤ⅵ中，等离子体发生器的功率为1mw。
[0140]
步骤ⅶ中，生成的工业硅、尾气进入收集器，其中单质硅颗粒被过滤收集后进入收料仓，经检测硅单质含量大于94mas％、粒径小于180μm，硅的产率为96％。
[0141]
与现有技术相比，本实施例中的生产工业硅的方法及系统具有以下优点：
[0142]
(1)本工艺使用氢气代替现有技术中石油焦、煤炭等碳基还原剂，反应尾气中除氢气、水蒸气外基本无其他成分，且氢气、水蒸气可循环利用，显著降低了工业硅生产过程温室气体排放量，是一种绿色环保的工业硅生产工艺。
[0143]
(2)本实施例设计的工业硅生产系统采用了新的工业硅生成反应路径，即在初始阶段使用电加热或微波加热的方式，使硅石与氢气反应生成气态一氧化硅，气-固反应的反
应速率远高于现有工艺固-固(硅石-碳)反应。在生产单质硅阶段使用等离子工艺将氢气生成氢等离子，进一步提高氢气的还原性，无需在高温高压环境下即可还原得到硅单质，降低设备要求同时提高了系统安全性。
[0144]
(3)本实施例设计的工业硅生产系统采用流化床作为主体还原反应器，相较于高温电弧炉，流化床可连续加料，内部传热传质速率较高，可提高生产效率。
[0145]
(4)本实施例设计的工业硅生产系统所生产的工业硅成品为粉末状，无需二次粉碎，降低了生产能耗，同时避免破碎过程引入杂质。
[0146]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种生产工业硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)向二氧化硅中通入氢气，加热反应，生成氧化亚硅和水；2)通过等离子体发生器对氢气进行电离形成氢等离子体，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。2.根据权利要求1所述的生产工业硅的方法，其特征在于，所述步骤1)中的加热温度为1200～1700℃。3.根据权利要求1所述的生产工业硅的方法，其特征在于，所述步骤1)中二氧化硅的粒径不超过10mm。4.根据权利要求1所述的生产工业硅的方法，其特征在于，所述步骤1)中通入氢气的流量为1-100000nm3/h。5.根据权利要求1～4任意一项所述的生产工业硅的方法，其特征在于，所述步骤2)中的等离子体发生器的功率为0.1-4mw。6.一种权利要求1～5任意一项所述的生产工业硅的方法所用的工业硅生产系统，其特征在于，包括：反应器，包括：反应器本体、设置于反应器本体内的气体分布板，气体分布板将反应器本体分隔为反应腔室、布风室，气体分布板上设置有用于分布气体的气体分布孔，反应腔室上设置有用于通入二氧化硅的反应器进料口、反应器出料口，布风室上设置有用于通入氢气的布风室进风口，在反应腔室内，二氧化硅与氢气加热反应，生成氧化亚硅和水；等离子体发生器，设置于反应腔室内，等离子体发生器用于对氢气进行电离形成氢等离子体，在反应腔室内，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。7.根据权利要求6所述的工业硅生产系统，其特征在于，等离子体发生器包括：内电极、外电极，外电极设置于反应腔室内壁上，外电极的外壁贴合于反应腔室内壁上，内电极设置于外电极内壁以内的区域。8.根据权利要求7所述的工业硅生产系统，其特征在于，内电极为圆柱形；外电极沿着与其轴向垂直的方向的截面为闭合的环形；或者，外电极包括至少两个子外电极，外电极沿着与其轴向垂直的方向的截面为由子外电极围成的环形，任意两个子外电极对接处之间的距离为预设的距离。9.根据权利要求7或8所述的工业硅生产系统，其特征在于，外电极包括依次连接的开口端、中间段、出口端，反应器进料口、布风室进风口在开口端一侧，反应器出料口在出口端一侧，其中开口端的截面积大于中间段的截面积，出口端的截面积大于中间段的截面积。10.根据权利要求6所述的工业硅生产系统，其特征在于，反应器为流化床反应器。11.根据权利要求6所述的工业硅生产系统，其特征在于，还包括：收集器，与反应器连接，收集器为滤筒除尘器，收集器用于收集反应产物，通过过滤得到硅；收料仓，与收集器连接，收料仓用于收集硅。12.根据权利要求11所述的工业硅生产系统，其特征在于，还包括：制氢装置，与布风室连接，制氢装置用于制备氢气；换热装置，包括：管程、壳体，管程设置于壳体内，管程与壳体换热，壳体上设置有第一进气口、第一出气口，管程上设置有第二进气口、第二出气口，第一进气口与收集器出风口
连接，第一出气口与混气罐连接，第二进气口与制氢装置连接，第二出气口与混气罐连接；混气罐，与换热装置连接；气体加热器，与混气罐连接，气体加热器用于对气体加热，气体加热器还与布风室连接。13.根据权利要求6、7、8、10、11、12任意一项所述的工业硅生产系统，其特征在于，还包括：储料仓，用于储存原料二氧化硅；原料缓冲罐，原料缓冲罐的入口与储料仓连接，原料缓冲罐的出口与反应器进料口连接，原料缓冲罐用于对原料二氧化硅缓冲。

技术总结
本发明公开了一种生产工业硅的方法及工业硅生产系统，该方法包括以下步骤：1)向二氧化硅中通入氢气，加热反应，生成氧化亚硅和水；2)通过等离子体发生器对氢气进行电离形成氢等离子体，氧化亚硅与氢等离子体反应生成硅。本方法使用氢气代替现有技术中石油焦、煤炭等碳基还原剂，反应尾气中除氢气、水蒸气外基本无其他成分，且氢气、水蒸气可循环利用，显著降低了工业硅生产过程温室气体排放量，是一种绿色环保的工业硅生产工艺。通过硅石与氢气反应生成气态一氧化硅，气-固反应的反应速率远高于现有工艺固-固反应。在生产单质硅阶段使用等离子工艺将氢气生成氢等离子，进一步提高氢气的还原性，无需在高温高压环境下即可还原得到硅单质。到硅单质。到硅单质。


技术研发人员：王三跃 吴万里 银波 刘兴平 冯留建
受保护的技术使用者：新疆晶硕新材料有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/7