[发明专利]一种利用有色金属冶炼废渣制备高纯硅的方法

说明书

本发明公开了一种利用有色金属冶炼废渣制备高纯硅的方法，包括以下步骤：(1)将含有锌与硅的有色金属冶炼废渣进行氯化焙烧，分区收集氯化焙烧过程中产生的氯化物烟气得到氯化锌烟尘和液态四氯化硅；(2)还原焙烧处理步骤(1)中得到的氯化锌烟尘，得到金属锌；(3)将步骤(1)中得到的液态四氯化硅与步骤(2)中得到的金属锌混合，再进行热处理，得到粗硅；(4)将步骤(3)中得到的粗硅进行蒸馏处理得到高纯硅。本发明利用有色金属冶炼废渣制备高纯硅的方法，该方法可以由有色金属冶炼废渣得到高纯硅和渣中其他有价组分，实现有色金属冶炼废渣的资源化利用。

技术领域

本发明属于冶金渣资源利用领域，尤其涉及一种利用冶金渣制备高纯硅的方法。

背景技术

有色金属是社会经济发展的基础性材料，是国防军工和新科技革命的战略性物资。2020年，我国十种有色金属产量达到6168万吨，位居世界第一。我国作为有色金属生产大国，每年产生数千万吨的有色金属冶炼废渣。这些渣中富含硅、铁、铝等元素，是重要的二次矿产资源。目前，我国缺乏高效且环保的废渣利用技术，主要通过露天堆置的方法处理废渣，会严重污染环境。有色金属冶炼废渣结构稳定且成分复杂，常规方法难以解离，渣中元素分离富集难度大。因此，研发无害化、资源化水平高的有色金属冶炼废渣资源利用技术，将推动循环经济的发展。

硅材料具有优异的理化性能，是一种应用广泛的元素半导体，在半导体工业、微电子工业和太阳能光伏工业中起到关键作用。而各类有色金属冶炼废渣中含有可观的硅含量，从有色金属冶炼废渣中高效回收硅组分具有重要经济意义。如CN110540207A公开了“一种利用工业废料制备高纯纳米硅材料的方法”，该发明首先对工业固废氯化钠进行电解，得到氯气和氢氧化钠，将所得氢氧化钠熔融电解制备金属钠，然后将氯气与硅物料进行还原反应制得四氯化硅，最终将四氯化硅与金属钠进行高温还原反应，制得纳米硅材料。上述现有的利用有色金属冶炼废渣制备高纯硅的方法具有废渣利用率不高、回收产物单一、工艺流程复杂等问题。有色金属冶炼废渣中含有多种有价元素，利用废渣中的金属元素(如锌)直接还原制备高纯硅将提升废渣资源化利用水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种利用有色金属冶炼废渣制备高纯硅的方法，该方法可以由有色金属冶炼废渣得到高纯硅和渣中其他有价组分，实现有色金属冶炼废渣的资源化利用。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种利用有色金属冶炼废渣制备高纯硅的方法，包括以下步骤：

(1)将含有锌与硅的有色金属冶炼废渣进行氯化焙烧，分区收集氯化焙烧过程中产生的氯化物烟气得到氯化锌烟尘和液态四氯化硅，焙烧结束后，得到焙烧渣；上述不同氯化物烟气在焙烧过程中，通过炉内不同温区段实现分段收集；其他温区段收集的氯化物烟尘可作为附加产品回收利用；

(2)还原焙烧处理步骤(1)中得到的氯化锌烟尘，得到金属锌和气态氯化氢(附属产品)；可将上述金属锌研磨成细粉，提高后续与液态四氯化硅的接触面积以提高还原效果；

(3)将步骤(1)中得到的液态四氯化硅与步骤(2)中得到的金属锌混合，再进行热处理，得到粗硅；收集上述热处理过程中产生的烟气得到四氯化硅，焙烧结束后，由于四氯化硅挥发，最终得到含有硅单质、锌单质(微量)、氯化锌的粗硅；

(4)将步骤(3)中得到的粗硅进行蒸馏处理得到5N高纯硅，蒸馏过程中收集产生的烟气回用。可直接将步骤(3)中未经冷却的粗硅进行蒸馏处理以节约能耗。

一般来说，有色金属冶炼废渣中除了Zn以外，可能还有Cu、Pb等金属成分可以用于还原制Si，本发明利用氯化锌与四氯化硅相互作用最终得到高纯硅是基于以下考虑：Zn金属的沸点较低(907℃)容易蒸馏去除，而Cu和Pb沸点较高，分别为2562℃和1740℃，不易蒸馏去除。步骤(4)中粗硅蒸馏处理时，Zn更加容易与硅分离，硅的纯度更高。