Quality of Eucalyptus charcoal for use in silicon production

Abstract

Replacing the use of fossil reductants with charcoal in silicon production has a great potential with respect to reducing CO 2 emissions, increasing silicon quality and yield. Nevertheless, charcoals can be produced from different raw materials and under various process conditions, and have different properties influencing further applications. This study aimed to evaluate the charcoal properties of three Eucalyptus spp. produced under different carbonization parameters for use in silicon production. In carbonization, the final temperature of carbonization (380 and 460 °C) and residence time (2 and 8 hours) were evaluated. A metallurgical coke was used for comparison purpose. Basic density, chemical composition and anatomy of wood were determined. Carbonizations in a laboratory kiln were done and the proximate and elemental analysis, porosity, apparent density, elemental composition, morphological characterization of pores and fibers, BET surface area, functional chemical groups and reactivity towards SiO gas of the charcoal were determined. The reactivity test was performed in an electric furnace with vertical reactor, at 1650 °C, in an inert atmosphere for 120 minutes. In the reactor, agglomerates made of a mixture of quartz (SiO 2 ) and silicon carbide (SiC) and charcoal sample were used. The results reveal that there is wood variability between the clones evaluated and strong correlations among wood and charcoal properties. The SiO reactivity test developed in this study was a useful tool to classify charcoal for silicon use. All charcoals had significantly higher SiO-reactivity than coke. The charcoal reactivity was influenced mainly by the apparent density and functional chemical groups on charcoal. Based on the parameters investigated and under the experimental conditions, the charcoal CL-3, the 380 °C final temperature of carbonization and the 8 h residence are most suitable to produce charcoal for use in silicon production process.A substituição de redutores fósseis pelo carvão vegetal na produção de silício tem grande importância no que diz respeito a redução de emissões de CO 2 , aumento da qualidade do silício e rendimento. Carvões, no entanto, podem ser produzidos a partir de diferentes matérias-primas e sob várias condições de pirólise e ter diferentes propriedades que influenciam distintas aplicações. O objetivo deste estudo foi avaliar as propriedades do carvão vegetal de três clones de Eucalyptus spp. produzidos sob diferentes condições de carbonização para uso na produção de silício. Na carbonização, foram avaliados a temperatura final de carbonização (380 e 460 °C) e o tempo de residência (2 e 8 horas). Um coque metalúrgico foi utilizado para fins de comparação. O estudo das propriedades da madeira foi realizado a partir da densidade básica, relação cerne/alburno, análise morfológica de fibras e poros, análise química estrutural e análise elementar. A carbonização foi realizada em um forno de laboratório, e então determinados a composição elementar e imediata, densidade aparente, caracterização morfológica dos poros e fibras, área superficial BET, grupos químicos funcionais e reatividade do carvão vegetal ao gás SiO. O teste de reatividade foi realizado em um forno elétrico com reator vertical, a 1650° C, sob atmosfera inerte por 120 min. No reator, utilizou-se aglomerados feito de uma mistura de quartzo (SiO 2 ) e carbeto de silício (SiC) e o carvão vegetal. Os resultados mostram que há variabilidade da madeira entre os clones avaliados e fortes correlações entre as propriedades de madeira e carvão. O teste de reatividade desenvolvido no presente estudo foi uma ferramenta útil para classificar o carvão vegetal para uso na produção de silício. Todos os carvões tiveram reatividade significativamente maior do que o coque. A reatividade do carvão vegetal foi influenciada principalmente pela densidade aparente e grupos químicos funcionais do carvão vegetal. Com base nos dados investigados e sob condições experimentais, o clone 3, a temperatura final de carbonização de 380 °C e o tempo de residência de 8 h são mais adequados para produzir carvão vegetal para uso na produção de silício.