专家分享：工业硅生产过程中固废的绿色资源化利用【SMM硅业峰会】

在(第十二届)硅产业峰会上，东北大学冶金学院院长、博士生导师幸鹏飞介绍了工业硅生产过程中固体废弃物绿色资源化利用相关议题。

工业硅行业固体废弃物种类

工业硅用途十分广泛，是基础工业原料，主要用于生产有机硅及多晶，广泛应用于航天、航空电子、有机化工、冶炼、隔热及耐火材料等工业和领域。

碎硅石的绿色资源利用

碎硅石的来源

碎硅又称硅粉或硅尾矿，是工业硅的原料石英砂在选矿过程中产生的，每吨石英砂会产生22-27%的碎硅。

破碎二氧化硅成分：

SiO2含量95～98wt％；

Fe2O3含量高于工业硅冶炼的炉料要求；

其它杂质多为金属氧化物杂质：CaO、MgO、Al2O3等。

碎硅石的特点是稳定性高、硬度高、纯度高、保温性能好。

应用：

1、混合水泥生产：在水泥中添加粉碎硅石，以提高抗压强度和流动性；

2、作为耐火材料添加剂：加入破碎的二氧化硅起骨架作用，提高耐火材料的抗压强度。

低温烧结碎硅制备金属

硅渣绿色资源化利用

工业硅渣是金属硅钢包炉精炼过程中产生的冶金渣，我国每年工业硅产量达220万吨，每年会产生30万吨硅渣，其中约有15%-30%的金属硅难以回收利用，如果能将这些废弃硅渣回收利用，不仅能解决环境问题，还能实现资源再利用。

硅渣的应用

研究了硅渣的物理化学性质,利用工业硅渣为原料制备玻璃陶瓷,并通过重熔回收硅渣中的单质硅。

针对硅渣粘度较大的特点，采用添加熔剂及鼓风搅拌的方法，更有效地回收硅渣中的金属硅；

利用工业硅渣制备硅铝钙合金的研究国内外尚未见报道，以此方式冶炼制备硅铝钙合金不仅能减轻环境压力，还能促进硅工业环境友好、可持续发展。

电弧炉冶炼合金制备

研究思路：提出利用工业硅渣制备铝钙合金的新思路，实现工业硅渣的高值化利用，为工业硅渣的资源化利用提供新途径。

研究思路可行性：工业硅渣主要由铝钙复合氧化物组成，利用碳热还原法，可将其中的金属元素还原为单质，并形成合金。

意义：

工业硅渣价格低廉，一般作为铺路料，制备高价值的硅铝钙合金，增加了硅工业的经济效益。

解决了工业硅渣作为固体废物倾倒造成的环境污染问题。

硅铝钙合金用途：

可用作脱氧剂、还原剂、合金剂。

微硅粉绿色资源化利用

微硅粉产量

每生产一吨工业硅，产生20-30%的微硅粉；

2021年约200万吨，2022年约220万吨；

工业硅固废中微硅粉的产生量每年以10%的速度增加。

微硅粉形貌

粒径：D50=6.5μm；形貌：规则球形。

微硅粉成分

SiO2含量81～95wt％；

K2O含量较高，为2～7wt%；

其中还含有金属氧化物杂质（CaO、MgO、Fe2O3等）和非金属杂质（S、C等）。

微硅粉特性

密度小、易起尘：堆积密度

微硅粉用途：

1.增强混凝土性能：

在混凝土中添加少量的微硅粉，可以提高混凝土的抗压、抗折、抗拉强度，同时可以降低混凝土的孔隙率和吸水率，提高混凝土的耐久性。

2.作为水泥填料：

微硅粉具有火山灰活性，是一种很有潜力的胶凝材料，可以添加到水泥中制备水泥填料，在填料中添加微硅粉可以降低养护温度，提高低温强度。

3. 介孔吸附剂的制备：

微硅粉具有粒径小、活性高、二氧化硅含量高等特点，是制备介孔吸附材料的良好原料，也是实现介孔吸附材料高值化利用的途径。

4、电子级微粉的制备：

微硅粉本身粒径较小，形状为球形，经过提纯改性后可制成芯片封装用的电子级微粉，可降低电子级微粉的生产成本。

电弧炉冶炼微硅粉制备工业微硅

将微硅粉与石油焦混合、制成颗粒后，放入电弧炉进行冶炼，冶炼完成后对产品进行分析，得到较多的单质硅金属，对得到的单质硅进行EDS面扫描可知其中杂质较少。

通过对微硅粉制备碳化硅粉的研究发现，冶炼SiC的最佳碳源为石油焦，冶炼SiC的最佳碳配比为：石油焦：SiO2微粉=1：2；

最佳冶炼时间为45min;最佳冶炼温度为1750℃。

通过对碳化硅粉末制备过程中添加剂的研究发现，Fe2O3能促进低温下SiC的形成，而FeSi合金在SiC的形成过程中起着催化作用。

最佳NaCl添加剂添加量为7%，产率为93.32%→94.5%。

研究前景及展望

工业硅固废：

（1）工业硅固体废弃物主要包括破碎硅石、硅渣、微硅粉

（2）目前工业硅固废的利用还比较基础，绿色资源利用研究和工业应用相对较少。

（3）将工业硅固废资源化回收利用、充分发挥其价值是绿色发展的要求。

硅渣：

（1）硅回收率低：目前，硅渣中所含大量元素硅的提取还需进一步研究。

（2）全元素回收：将硅渣中的元素综合利用，实现全成分回收利用。

微硅粉：

（1）有价元素的回收：原料中含有大量的K、Fe、Al等元素，将其回收利用，不仅可以提高微硅粉的纯度，而且可以产生附加值。

（2）高值利用：提纯后的微硅粉可以重新利用，制取高纯硅，也可以直接应用于电子工业。

破碎二氧化硅：

(1)研究少：目前对碎硅的研究大多局限于其作为水泥、混凝土等的添加剂，其价值相对较低。