油茶壳在工业硅冶炼中资源化利用研究*

刘宪超，罗勇兵，宋 娜，黄 河

(铜仁科学院，贵州 铜仁 554300)

科技的进步带动世界经济的发展，硅的使用范围逐渐扩大，需求量也在逐渐增加。工业硅被广泛应用于计算机、太阳能光伏发电、光纤通讯、化工、电力、汽车船舶、电子产品等行业，消耗量逐年增长。我国硅冶炼产量居世界首位，2018年我国工业硅总产量约240万吨。生产工业硅的原材料为硅石、碳质还原剂，且对还原剂有非常严格的要求[1-2]，冶炼过程中对碳质还原剂的消耗量很大，占生产成本的25%～35%[3]。木炭是冶炼工业硅最优的碳质还原剂，据统计冶炼1 t硅需1.2～1.4 t木炭，5 t木材产生1 t木炭[4-5]。可见工业硅的生产对木材消耗极大，对森林资源造成严重破坏。近些年人们对森林资源保护意识的增强，国家出台相关政策禁止或限额采伐树木，木炭来源受限，产量下降，价格上涨，导致工业硅的生产成本也在上升。目前，寻找廉价和易得的木炭来源，已成为工业硅冶炼企业控制生产成本急需解决的问题。

油茶壳作为油茶加工过程当中产生的副产品，还没有被有效处理利用，通常是被当做废弃物直接丢弃或焚烧掉，造成一定程度的资源浪费[6]。将油茶壳制成机制木炭，提高了资源的利用率，实现废弃作物的资源化利用，实现集约化生产[7-8]，也为油茶产业的发展提供技术方案。本文综述了利用油茶果实的壳来加工制造木炭，用于工业硅生产的可靠性和主要工艺过程。

1 冶炼工业硅的碳质还原剂

1.1 碳质还原剂选择的原则

工业硅的生产[9-10]，对碳质还原剂要求十分严格。工业硅生产属于无渣冶炼，产品中主要元素金属硅含量达98%以上，有的产品硅含量达99.99%，原材料的杂质含量对产品质量产生很大影响。工业硅是硅石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼成的产品，与硅石相比，碳质还原剂更容易代入杂质[11]。因此，碳质还原剂要有较高的固定碳、较低的灰分。且固定碳含量高，硅石消耗的还原剂量就减少，节约了生产成本。碳质还原剂的选择原则是[3,12]：高固定碳(Higher Fixed Carbon)、低灰分(Lower Ash)、适中的挥发分含量(Volatiles matter)、较低的水分(Lower Moisture)；除此之外，还要求具有较好的反应活性、比电阻要高、石墨化程度要低、适宜的机械强度等理化学性能。

1.2 碳质还原剂——木炭

木炭作为还原剂，应用于工业硅的冶炼，被认为是效果最佳的碳质还原剂。木炭是以木材或者木质为原材料，在隔绝空气的条件下经过不完全燃烧或热解后所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。木炭[13-16]主要含有的元素是碳元素，主要由固定碳、灰分、挥发分、水分组成，且固定碳含量高。木炭具有无定型排列的碳微晶，属于非石墨化类物质，在高温条件下石墨化程度低，还原能力强。树木具有的纤维结构，炭化后致使木炭拥有天然的多孔结构(微孔、过渡孔 、大孔)，总的孔隙占木炭体积的70%以上，木炭的比表面积大就是因为存在较多的微孔和过渡孔，而反应物则通过大孔到达木炭的内表面，且这些孔隙纵向排列，端部敞开，易于气体通过，使其在高温条件下具有很强的反应活性，为工业硅冶炼提供了较好的动力学条件。木炭具有较大的比电阻电学性能好，化学活性强、高温下不易石墨化，灰分低带入杂质少等优点[17]，用于工业硅冶炼有利于炉况的稳定，电能消耗低，节约生产成本，对生产出高质量的产品起很大作用，是目前工业硅生产最佳还原剂。

2 油茶壳制备木炭的实验研究

2.1 废弃作物油茶壳

油茶[18-20]是我国特有的木本食用油料树，属于全世界四大木本油料植物之一。油茶属山茶科山茶属植物，为常绿小乔木或灌木，因其种子可以榨油而得名。油茶壳是将种子榨油，分离出来的副产品，通常被当做废弃物直接丢弃，或者焚烧掉，造成资源的浪费，且对生态环境产生严重污染。油茶壳占油茶果实重量的 50%～60%，按照《全国油茶产业发展规划(2009-2020年)》的目标要求，到2020年，我国茶油年产总量约250万吨，将会产生大量的油茶壳，据估算，每年将产生约600万吨的油茶枯和油茶壳等副产品，油茶壳资源十分丰富。将废弃的油茶壳制成附加值高的产品，实现高效环保利用，增加种植户的经济收入，一直是油茶产业发展研究的重点。根据研究发现，油茶壳中[21]纤维素含量为 17.32%、木质素含量为31.35%、半纤维素含量为22.00%，还含有少量的灰分、粗脂肪、粗蛋白、还原糖、油茶皂素以及水分等物质。目前，国内外关于油茶壳的研究只集中在，油茶皂素、木糖醇的提取，用于生产洗涤剂及应用于医疗行业，研究油茶壳制备比表面积大、微孔发达的活性炭等产品。

2.2 机制木炭制备工艺

技术路线：

图1 油茶壳制备机制木炭工艺流程图

2.3 理化性能分析

按上述工艺流程制备机制木炭理化性指标如表1所示。

表1 油茶壳机制木炭理化指标检测表

与工业硅冶炼碳质还原剂进行对比，主要指标如表2所示。

表2 碳质还原剂的要求及成分

从表2可知：油茶壳制成的机制木炭含有较高的固定碳，满足工业硅冶炼对固定碳的要求。工业硅冶炼碳元素作为还原剂与硅石发生化学反应，同样条件下，硅石量一定，固定碳含量越高，消耗的还原剂就越少，为企业生产降低成本。但是固定碳含量也不能太高，过高的固定碳，会增加石墨化结构的碳分子，影响反应活性，不利于工业硅冶炼。

油茶壳制成的机制木炭含有较低的灰分，灰分低还原剂带入冶炼炉内的杂质减少，提高了产品的质量。工业硅冶炼的产品，属于高纯度产品，要严格控制杂质的带入。灰分含量高会影响冶炼炉化渣，增加炉外精炼负担，不仅会增加生产成本，还会影响产品的质量。因此，碳质还原剂的灰分越低越有利于生产。

研究发现木炭挥发分含量的多少主要取决于炭化时的温度，挥发分在加热的过程中会挥发出去。挥发分含量高，会使木炭的强度降低，容易破碎，影响工业硅冶炼炉内的透气性。但是挥发分含量高，木炭的比电阻也会较高，比电阻高有利于提升冶炼炉内的温度，保障炉内较高的热量。因此，挥发分的含量适中就好，对于油茶壳制备机制木炭的挥发分是否有利于工业硅的冶炼还需进一步探索。

木炭的水分包括内水(结合水)和外水(游离水)，水分的蒸发会影响冶炼炉内的温度，对炉况造成影响，不利于冶炼。因此，水分含量越低越好。对于油茶壳制成的机制木炭，我们可以通过控制运输和贮藏等条件，进一步降低水分的含量。

2.4 效益分析

经济效益：每吨木炭生产的成本费用包括：原料油茶壳2.8 t(每亩油茶林可生产0.15 t油茶壳)费共计1400元，生产使用电费成本约500元，人工成本费约700元，包装费等其它费用共计200元，生产1 t木炭的成本费共计2800元整。而目前市场上销售木炭的出厂价格约为4000元/t，利用油茶壳每生产1 t木炭，可创造1200元的利润。

社会效益：油茶壳制作木炭，既能保护环境，实现废弃资源的有效利用，又能增加种植户的经济收入，还满足了工业硅生产对木炭的需求。

3 结 语

利用油茶壳加工成机制木炭，用于生产工业硅，解决了丢弃的油茶壳没有得到有效利用的问题。把油茶壳加工制成机制木炭，提高了资源的利用率和油茶壳的附加值，实现废弃作物的资源化利用，实现集约化生产，增加了种植户的经济收入，拓宽了油茶副产品深加工利用的途径。

利用油茶壳加工成机制木炭，固定炭含量高达79.44%，灰分低为3.79%，挥发分为12.97%，水分为6.9%，作为还原剂用于工业硅生产具备一定技术可行性。

冶金行业工业硅的发展，充分利用废弃作物，形成了环保型冶炼工艺技术，为工业硅企业绿色、环保、清洁生产，提供了技术路线，实现了工业硅企业的创新型发展。