Silicon Production with use of Natural Gas

Silisium fremstilles i smelteovner ved hjelp av kvarts (SiO2) som silisiumkilde og forskjellige karbonmaterialer som kull, trekull og flis, som reduksjonsmateriale. Vanligvis kan 80 % av silisiuminnholdet i kvartsen utvinnes som tappet silisium fra ovnen (Si utbytte), mens 20 % tapes som SiO2-røyk i avgassen fra ovnen. Formålet med SING er å utvikle et nytt råstoff for silisiumproduksjon fremstilt av naturgass og kvarts. Det nye materialet vil være karbon-silika agglomerater som har potensial for delvis å erstatte kull som reduksjonsmaterial i prosessen. Bruk av dette nye råstoff har til hovedfordeler: 1) Økt Si utbytte 2) Redusert spesifikt CO2- forbruk. Det økte Si utbyttet oppnås ved endrede kjemiske reaksjonsmønstre i ovnen. Dersom det nye materialet anvendes opp mot 25 % av karbonbehovet, er det antatt at Si utbyttet vil øke med 5%, som er ekvivalent med 5 % økt energieffektiviteten. Bruk av det naturgass-baserte råstoffet som delvis vil erstatte kull, vil redusere CO2- utslippene fra silisiumproduksjon, og da spesielt utslippene av fossilt CO2. Bruk av 25 % av det nye materialet ved å delvis erstatte kull, vil redusere CO2 -utslipp med rundt 10 %. Det nye råmaterialet fra SiNG prosjektet vil kunne brukes industriell med dagens silisium ovnsteknologi. Dette skiller seg fra andre forskningsinitiativ som bruker naturgass som reduksjonsmiddel på silisiumproduksjon hvor en ny prosess teknologi må utvikles. SiNG er delt inn i ulike arbeidspakker: 1) Undersøkelse av hvordan karbon-silika agglomerater for silisiumproduksjon kan produseres fra naturgass og kvarts. 2) Studie på hvordan bruken av disse agglomerater vil forandre de kjemiske reaksjonsmønstre, slik at økt Si utbytte kan oppnås. 3) Undersøkelser i laboratorieskala for å verifisere resultatene og utvikle en industriell driftsstrategi for bruk av denne type av råvarer. Prosjektet har i 2017 hovedsakelig fokusert på undersøkelse av reaktiviteten til det produserte SiO2-C materialet og rapportering av tidligere arbeid. Dette prosjektet har bare fokusert på laboratorieundersøkelser for å forstå prosessen best mulig før man skalerer opp. I 2017 avsluttet PhD studenten sitt eksperimentelle arbeid og skrev sin PhD avhandlingen. Han disputerte 5 oktober 2017. Etter dette begynte han å arbeide i Elkem, hvor han fortsetter FoU arbeidet for å industrialisere resultatene. En master student tok doktorgrad i WP1 i 2014-15.

SiNG will develop a new raw material for silicon (Si) and ferrosilicon (FeSi) production from natural gas and quartz. The new material will be a carbon-silica agglomerate that partly will replace coal as reduction material in the process. Use of this new agglomerate in the raw material mix will increase the Si yield for the production significantly. This is achieved by a change in the chemical reaction patterns in the furnace. By using the new material accounting for 25% of the carbon needed, the Si yield is supposed to increase from todays 80% to 85%. The increased production represent a value of more than 200 MNOK NOK/year if it is implemented on Elkem?s Norwegian furnaces. The increased Si yield will lower the specific energy consumption from around 1 2.0 MWh/t to 11.4 MWh/t for Si, equivalent to 5 % increased energy efficiency, corresponding to 110 GWh/year for Elkem in Norway. This will reduce the production cost by 2 %; approximately 200 NOK/t. Elkems annual silicon production in Norway is around 10 0.000 t, and the reduction in the energy consumption accounts for 20 MNOK/year. The use of a natural gas based raw material by substituting partly coal will reduce the CO2 emissions from the production, and especially fossil CO2 emissions. A typical coal used contains around 40% volatiles that will be driven off at the furnace top. Use of the 25% of the new material in the raw material mix by reducing coal from 80 to 55%, will reduce the specific CO2 emission by 0.5 t CO2/t Si, corresponding to a reducti on by around 10%. Taken all Elkem?s production capacity into account, this corresponds to a reduction of fossil CO2 emissions of 50.000 t CO2/year. Industrial implementation of the SiNG results start at the end of the project period, and can be used in Si and FeSi production at the present furnace technology. This differs from other research initiatives using natural gas as reductant on Si/FeSi production where a new process technology has to be developed.