油茶殼在工業硅冶煉中資源化利用研究*

劉憲超，羅勇兵，宋 娜，黃 河

(銅仁科學院，貴州 銅仁 554300)

科技的進步帶動世界經濟的發展，硅的使用范圍逐漸擴大，需求量也在逐漸增加。工業硅被廣泛應用于計算機、太陽能光伏發電、光纖通訊、化工、電力、汽車船舶、電子產品等行業，消耗量逐年增長。我國硅冶煉產量居世界首位，2018年我國工業硅總產量約240萬噸。生產工業硅的原材料為硅石、碳質還原劑，且對還原劑有非常嚴格的要求[1-2]，冶煉過程中對碳質還原劑的消耗量很大，占生產成本的25%～35%[3]。木炭是冶煉工業硅最優的碳質還原劑，據統計冶煉1 t硅需1.2～1.4 t木炭，5 t木材產生1 t木炭[4-5]。可見工業硅的生產對木材消耗極大，對森林資源造成嚴重破壞。近些年人們對森林資源保護意識的增強，國家出臺相關政策禁止或限額采伐樹木，木炭來源受限，產量下降，價格上漲，導致工業硅的生產成本也在上升。目前，尋找廉價和易得的木炭來源，已成為工業硅冶煉企業控制生產成本急需解決的問題。

油茶殼作為油茶加工過程當中產生的副產品，還沒有被有效處理利用，通常是被當做廢棄物直接丟棄或焚燒掉，造成一定程度的資源浪費[6]。將油茶殼制成機制木炭，提高了資源的利用率，實現廢棄作物的資源化利用，實現集約化生產[7-8]，也為油茶產業的發展提供技術方案。本文綜述了利用油茶果實的殼來加工制造木炭，用于工業硅生產的可靠性和主要工藝過程。

1 冶煉工業硅的碳質還原劑

1.1 碳質還原劑選擇的原則

工業硅的生產[9-10]，對碳質還原劑要求十分嚴格。工業硅生產屬于無渣冶煉，產品中主要元素金屬硅含量達98%以上，有的產品硅含量達99.99%，原材料的雜質含量對產品質量產生很大影響。工業硅是硅石和碳質還原劑在礦熱爐內冶煉成的產品，與硅石相比，碳質還原劑更容易代入雜質[11]。因此，碳質還原劑要有較高的固定碳、較低的灰分。且固定碳含量高，硅石消耗的還原劑量就減少，節約了生產成本。碳質還原劑的選擇原則是[3,12]：高固定碳(Higher Fixed Carbon)、低灰分(Lower Ash)、適中的揮發分含量(Volatiles matter)、較低的水分(Lower Moisture)；除此之外，還要求具有較好的反應活性、比電阻要高、石墨化程度要低、適宜的機械強度等理化學性能。

1.2 碳質還原劑——木炭

木炭作為還原劑，應用于工業硅的冶煉，被認為是效果最佳的碳質還原劑。木炭是以木材或者木質為原材料，在隔絕空氣的條件下經過不完全燃燒或熱解后所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料。木炭[13-16]主要含有的元素是碳元素，主要由固定碳、灰分、揮發分、水分組成，且固定碳含量高。木炭具有無定型排列的碳微晶，屬于非石墨化類物質，在高溫條件下石墨化程度低，還原能力強。樹木具有的纖維結構，炭化后致使木炭擁有天然的多孔結構(微孔、過渡孔 、大孔)，總的孔隙占木炭體積的70%以上，木炭的比表面積大就是因為存在較多的微孔和過渡孔，而反應物則通過大孔到達木炭的內表面，且這些孔隙縱向排列，端部敞開，易于氣體通過，使其在高溫條件下具有很強的反應活性，為工業硅冶煉提供了較好的動力學條件。木炭具有較大的比電阻電學性能好，化學活性強、高溫下不易石墨化，灰分低帶入雜質少等優點[17]，用于工業硅冶煉有利于爐況的穩定，電能消耗低，節約生產成本，對生產出高質量的產品起很大作用，是目前工業硅生產最佳還原劑。

2 油茶殼制備木炭的實驗研究

2.1 廢棄作物油茶殼

油茶[18-20]是我國特有的木本食用油料樹，屬于全世界四大木本油料植物之一。油茶屬山茶科山茶屬植物，為常綠小喬木或灌木，因其種子可以榨油而得名。油茶殼是將種子榨油，分離出來的副產品，通常被當做廢棄物直接丟棄，或者焚燒掉，造成資源的浪費，且對生態環境產生嚴重污染。油茶殼占油茶果實重量的 50%～60%，按照《全國油茶產業發展規劃(2009-2020年)》的目標要求，到2020年，我國茶油年產總量約250萬噸，將會產生大量的油茶殼，據估算，每年將產生約600萬噸的油茶枯和油茶殼等副產品，油茶殼資源十分豐富。將廢棄的油茶殼制成附加值高的產品，實現高效環保利用，增加種植戶的經濟收入，一直是油茶產業發展研究的重點。根據研究發現，油茶殼中[21]纖維素含量為 17.32%、木質素含量為31.35%、半纖維素含量為22.00%，還含有少量的灰分、粗脂肪、粗蛋白、還原糖、油茶皂素以及水分等物質。目前，國內外關于油茶殼的研究只集中在，油茶皂素、木糖醇的提取，用于生產洗滌劑及應用于醫療行業，研究油茶殼制備比表面積大、微孔發達的活性炭等產品。

2.2 機制木炭制備工藝

技術路線：

圖1 油茶殼制備機制木炭工藝流程圖

2.3 理化性能分析

按上述工藝流程制備機制木炭理化性指標如表1所示。

表1 油茶殼機制木炭理化指標檢測表

與工業硅冶煉碳質還原劑進行對比，主要指標如表2所示。

表2 碳質還原劑的要求及成分

從表2可知：油茶殼制成的機制木炭含有較高的固定碳，滿足工業硅冶煉對固定碳的要求。工業硅冶煉碳元素作為還原劑與硅石發生化學反應，同樣條件下，硅石量一定，固定碳含量越高，消耗的還原劑就越少，為企業生產降低成本。但是固定碳含量也不能太高，過高的固定碳，會增加石墨化結構的碳分子，影響反應活性，不利于工業硅冶煉。

油茶殼制成的機制木炭含有較低的灰分，灰分低還原劑帶入冶煉爐內的雜質減少，提高了產品的質量。工業硅冶煉的產品，屬于高純度產品，要嚴格控制雜質的帶入。灰分含量高會影響冶煉爐化渣，增加爐外精煉負擔，不僅會增加生產成本，還會影響產品的質量。因此，碳質還原劑的灰分越低越有利于生產。

研究發現木炭揮發分含量的多少主要取決于炭化時的溫度，揮發分在加熱的過程中會揮發出去。揮發分含量高，會使木炭的強度降低，容易破碎，影響工業硅冶煉爐內的透氣性。但是揮發分含量高，木炭的比電阻也會較高，比電阻高有利于提升冶煉爐內的溫度，保障爐內較高的熱量。因此，揮發分的含量適中就好，對于油茶殼制備機制木炭的揮發分是否有利于工業硅的冶煉還需進一步探索。

木炭的水分包括內水(結合水)和外水(游離水)，水分的蒸發會影響冶煉爐內的溫度，對爐況造成影響，不利于冶煉。因此，水分含量越低越好。對于油茶殼制成的機制木炭，我們可以通過控制運輸和貯藏等條件，進一步降低水分的含量。

2.4 效益分析

經濟效益：每噸木炭生產的成本費用包括：原料油茶殼2.8 t(每畝油茶林可生產0.15 t油茶殼)費共計1400元，生產使用電費成本約500元，人工成本費約700元，包裝費等其它費用共計200元，生產1 t木炭的成本費共計2800元整。而目前市場上銷售木炭的出廠價格約為4000元/t，利用油茶殼每生產1 t木炭，可創造1200元的利潤。

社會效益：油茶殼制作木炭，既能保護環境，實現廢棄資源的有效利用，又能增加種植戶的經濟收入，還滿足了工業硅生產對木炭的需求。

3 結 語

利用油茶殼加工成機制木炭，用于生產工業硅，解決了丟棄的油茶殼沒有得到有效利用的問題。把油茶殼加工制成機制木炭，提高了資源的利用率和油茶殼的附加值，實現廢棄作物的資源化利用，實現集約化生產，增加了種植戶的經濟收入，拓寬了油茶副產品深加工利用的途徑。

利用油茶殼加工成機制木炭，固定炭含量高達79.44%，灰分低為3.79%，揮發分為12.97%，水分為6.9%，作為還原劑用于工業硅生產具備一定技術可行性。

冶金行業工業硅的發展，充分利用廢棄作物，形成了環保型冶煉工藝技術，為工業硅企業綠色、環保、清潔生產，提供了技術路線，實現了工業硅企業的創新型發展。