The Use of Biocarbon in the Acheson Process for Production of Silicon Carbide

Abstract

Den største andelen silisiumkarbid (SiC) produseres gjennom Acheson-prosessen, noe som forårsaker høye klimautslipp. For å motvirke dette kan biokarbon brukessom erstatning av petroleumskoks, som er den mest brukte karbonkilden i industrien.

Biokarbon, i form av trekull, ble brukt i blanding med petroleumskoks for produsere SiC i en pilotovn. Ovnen ble fylt med en karbonkilde-blanding av 30% trekull og 70% petroleumskoks. En referanseovn med 0% trekull ble også kjørt for å gi et sammenligningsgrunnlag. Kvaliteten og utbyttet av produsert SiC ble sammenlignet med referanseovnen og de interne tandardene til FIVEN. Egenskapene til karbonkildene, som bulk og absolutt tetthet, og morfologi ble også testet for å støtte funnene.

Det ble funnet at SiC-produksjon i en Acheson ovn med den spesifiserte kabonkilde-blandingen er mulig, men med et lavere utbytte enn referanseovnen. SiC produsert med trekull hadde en høyere andel metalliske urenheter, som Ti, Fe,V, og Ca, men disse var fortsatt innenfor bedriftens spesifikasjoner. Gjennom XRD-analyse ble det funnet at den dominante polytypen av SiC produsert med trekull var α-SiC, noe som samsvarte med refereanseovnen. Det var også en høyere andel α-SiC i «firesand»-området av ovnen enn i referansen.

Karakterisering av karbonkildene ble gjort ved å måle bulk og absolutt tetthet. Det ble funnet at det brukte biokarbonet hadde lavere bulktetthet, men høyere absolutt tetthet enn petroleumskoks. Dette kan skyldes en større mengde åpen porøsitet i trekullet, noe som krever mer forskning. Mens produksjon av SiC med en blanding av trekull og petroleumskoks er mulig, er ikke utbyttet bra nok. Det er mange faktorer som påvirkerdette utbyttet, nemlig typen biokarbon, ovnsmassens tetthet, partikkelstørrelse, fuktighet, partikkelfordeling, porøsitet, og overflateareal av partiklene. Disse faktorene forskes videre på for å kunne støtte storskala etablering av biokarbon i industrien.

The largest fraction of silicon carbide (SiC) is produced through the Acheson process which generates large amounts of climate emissions. To combat this, biocarbon may be used to replace the fossil carbon sources which are most used in the industry, such as petroleum coke.

Biocarbon in the form of charcoal, was used in combination with petroleum coke to produce SiC in a pilot furnace. The furnace was charged with a carbon source mixture of 30% charcoal, and 70% petroleum coke. A reference furnace with 0% charcoal was also fired to function as a point of comparison. The quality and yield of the produced SiC was compared with that of the reference furnace, as well as internal standards at FIVEN. Furthermore, properties of the carbon sources, such as bulk and absolute density, as well as morphology were investigated to support the findings.

It was found that SiC production in a pilot Acheson furnace using the specified carbon source mixture was possible, but with a lower yield compared to a reference furnace with no present charcoal. The SiC produced with charcoal had higher values of metal impurities such as Ti, Fe, V and Ca, but these were still within company specifications. Through XRD analysis it was found that the primary polytype of SiC produced using charcoal was α-SiC, which corresponded to that of the reference furnace. There was however a higher fraction of α-SiC in the firesand section of the furnace when compared with the reference.

Characterisation of the carbon sources was done through measurement of bulk and absolute density. It was found that the used biocarbon had a lower bulk, but a higher absolute density compared to the petroleum coke. This could be linked to a higher amount of open porosity in the charcoal but requires further research.

Whilst the production of SiC using a mixture of charcoal and petroleum coke is possible, it is apparent that the yield is not satisfactory. However, there are many factors that feed into this value, such as the type of biocarbon, charge density, particle size, moisture, particle distribution, porosity, and surface area of particles. Therefore, further research into these factors is necessary to facilitate the large-scale adoption of biocarbon in the industry.