[发明专利]制备工程碳的方法

说明书

公开了一种将硬木和竹子转化为工程碳的方法。将硬木和竹子的生物质原料放入固定罐中，然后将固定罐降低到可密封的反应器容器中。点燃生物质原料，并且计量过热蒸汽和/或水，或者通过将水引入过程中原位产生蒸汽。通过供应压缩空气和蒸汽或原位水，并释放工艺气体来控制工艺。该方法在缺氧状态下进行。在循环结束时注入蒸汽或原位水，以结束热转化并清洁所得工程碳。

相关申请

本申请要求受益于较早提交的2018年3月9日提交的美国临时申请号62/640,755，出于所有目的通过引用将其全部内容合并于此。

技术领域

本公开涉及从原始生物质生产工程碳的方法和设备。系统过程允许保留最大量的碳，从生物质中驱出碳氢化合物，并在整个工程碳中增加微，中观和宏观空隙分馏的发展，同时在特定的表面积范围内保持尺寸和其他各种特性。

背景技术

当今，许多高科技半导体器件都至少具有一个，通常是由高纯度硅芯片构成的几个集成电路。高纯度硅晶片的光刻处理可以将数十亿个晶体管压缩到指甲大小的空间中。生产这些器件需要高纯度硅。

可以通过用高纯焦炭还原石英岩或砂中的一种或两种来制得纯度为96-99％的硅。该还原过程可以在电弧炉中进行，其中炉中存在过量的SiO₂，以阻止产生不希望的碳化硅。主要涉及的反应是SiO₂+2C→Si+2CO和SiO₂+2SiC→3Si+2CO。

超细硅，通常用于集成电路和晶体管生产的晶片中，要求结晶硅中的杂质含量低于10¹⁰份，在特殊情况下，需要达到10¹²份以下的杂质含量。

纯度为96-99％的硅的生产是通过用高纯焦炭或碳还原石英岩或砂子来实现的。该过程可以在电弧炉中进行。通常，将石英岩/砂粒与碳源(例如煤、焦炭或木炭和硬木屑)一起放入电弧炉。碳源和木片形成还原性气氛，并产生可用的碳，这使得可以通过还原石英岩/砂中存在的硅来生产高纯度的硅金属。最近，使用木炭，特别是来自可再生资源的木炭的使用逐渐普及，以努力开发更具可持续性的原料。与煤相比，利用木炭的另一个优势是木炭通常具有低得多的杂质含量，例如硫或汞，因此减少了对大量下游设备从废气流中去除杂质的需求。

活性炭的另一种用途是在气体蒸汽回收工艺中，由于其高的孔体积和表面积，因此需要活性炭。通常，在气体蒸汽回收过程中使用的活性炭颗粒通常比在硅金属生产过程中使用的工程碳更小颗粒。

另一产品是生物基炭黑。通常，炭黑是通过天然气、煤油或石油的不完全燃烧而生成的，在此过程中会沉淀出炭黑。将工程碳平均研磨至5微米可提供更高硬度和结构的炭黑，这是高级炭黑所希望的。可持续性炭黑，例如公认的USDA Bio Preferred炭黑，是炭黑的一种优选形式。

木炭生产过程已经进行了数千年，直到最近几年才发生重大变化。当前，许多硅工厂正在使用由蜂巢和密苏里州窑生产的木炭。所得木炭产品的物理特性和反应特性与几千年来生产的木炭相似，没有显着变化。

最近的发展导致发现了新的独特形式的碳，例如石墨烯、单壁和多壁纳米管以及纳米球，仅举几例。这些新形式的工程碳在硅生产和气体蒸汽回收系统中的应用引起了研究人员的兴趣。

发明概述

用于硅制造市场和气体蒸气回收系统的工程碳，以及生物基炭黑，都可以从特殊制备的生物质原料(例如硬木和竹子)中获得。当前公开的方法涉及从生物质中除去游离水和结合水以及烃，增加孔隙率，着重于中孔，保持高碳含量，以及增加在用于硅生产的电弧炉中的可用相互作用。在增加工程碳的可用表面积的同时发展大孔结构允许使用较少的生物质原料并增加金属硅的产量和品位。在硅制造中使用工程碳将生产出更高纯度的硅，同时还减少了下游维护/排放。