近日，德國(guó)弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所（IKTS）開(kāi)發(fā)出一種環(huán)保的，把工業(yè)副產(chǎn)碳化硅和回收料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量碳化硅的RECOSiC工藝。對(duì)于工業(yè)碳化硅這種能源密集型產(chǎn)品而言，RECOSiC除了增加產(chǎn)能，同時(shí)意味著降低了對(duì)碳化硅供應(yīng)的依賴。

RECOSiCC工藝是在封閉的高科技熔爐中將艾奇遜（Acheson）工藝的碳化硅廢料和副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為高純度碳化硅。該過(guò)程的產(chǎn)品是粉末狀SiC。

新舊工藝對(duì)比

工業(yè)碳化硅通常采用艾奇遜工藝生產(chǎn)，將石英砂（二氧化硅）和石油焦（碳）在圓柱形爐中加熱至約2000℃進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，生成碳化硅以及一氧化碳和二氧化碳。在這過(guò)程中，每生產(chǎn)一噸碳化硅，就會(huì)釋放2.4噸溫室氣體；另外需要7.15MWh/t（兆瓦時(shí)/噸）的巨大電力消耗，這意味著每噸碳化硅又會(huì)釋放1.8噸二氧化碳（火電）。而艾奇遜工藝還會(huì)因熔爐邊緣溫度不足而導(dǎo)致很大一部分主要原材料——石英砂和石油焦無(wú)法完全反應(yīng)形成碳化硅。

對(duì)此，IKTS非氧化物陶瓷部門(mén)負(fù)責(zé)人J?rg Adler評(píng)價(jià)，“艾奇遜工藝已有將近130年的歷史，是經(jīng)典的、骯臟的工業(yè)工藝之一，已不再與我們的時(shí)代同步”，RECOSiCC工藝正由他的團(tuán)隊(duì)和他們的行業(yè)合作伙伴ESK-SiC GmbH開(kāi)發(fā)推出——與艾奇遜工藝相比，高科技熔爐產(chǎn)生的廢物和副產(chǎn)品非常少。雜質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中被分離或蒸發(fā)。在高溫下，鐵等金屬會(huì)結(jié)塊，可以用機(jī)械方法去除，其生成的碳化硅純度等級(jí)為99%甚至更高。反之，新工藝的能量需求比艾奇遜低80%，顯著降低了碳排放。

生產(chǎn)規(guī)格和純度可控

為了高質(zhì)量生產(chǎn)，Fraunhofer IKTS的研究人員需要對(duì)基礎(chǔ)材料進(jìn)行初步分析、預(yù)處理和化學(xué)計(jì)量補(bǔ)充，也就是說(shuō)將原材料以所需的確切比例混合，以在化學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生具有所需性能的化合物。除了必要的添加劑，還需要配置熔爐的工藝參數(shù)，包括峰值溫度、持續(xù)時(shí)間和整個(gè)過(guò)程中溫度發(fā)展的控制，以此保證碳化硅的性能，如粒度和純度等級(jí)。

研究人員還致力于在未來(lái)使用有缺陷或用過(guò)的陶瓷基組件作為原料來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量的SiC

這種創(chuàng)新的方法不僅處理艾奇遜工藝的副產(chǎn)品，還包括有缺陷或使用過(guò)的陶瓷基部件，如柴油顆粒過(guò)濾器和垃圾焚燒爐的墻磚等——通常，任何SiC含量為50%或以上的材料都適合回收成高質(zhì)量的碳化硅。

小結(jié)

ESK-SiC GmbH的董事總經(jīng)理Matthias Hausmann表示，“RECOSiCC工藝對(duì)艾奇遜工藝的改進(jìn)，使碳化硅生產(chǎn)變得清潔、環(huán)保，是邁向可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要一步。”同時(shí)，初級(jí)原材料利用率的提高也減少了對(duì)外國(guó)原材料供應(yīng)商的依賴和日益脆弱的供應(yīng)鏈。ESK SiC GmbH于2023年第二季度開(kāi)始運(yùn)營(yíng)工業(yè)規(guī)模的原型工廠，目前正在計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能。

編譯整理 YUXI

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