长期以来,木炭作为工业硅生产最为理想的碳质还原剂,凭借其本身灰分低、电阻率大、以及较高的反应活性而备受青睐。随着人们对生态环境保护意识的不断增强,木炭的来源受到极大限制,甚至禁止木炭生产,从而以石油焦和煤为主的高焦高煤的生产模式接踵而来。其中石油焦因具有较高的固定碳以及较低的灰分是理论上较为理想的工业硅用碳质还原剂,但因其具有类石墨结构,且在高温下极易进一步石墨化导致其物化性能恶化,高比例的使用会大幅度增加生产过程能耗及恶化炉况。烟煤具有比电阻高、反应活性相对石油焦较好的特性,但大多数煤灰分含量高、固定碳含量偏低,甚至烟煤在高温条件下容易膨胀热离。因此,本文针对高焦高煤的工业硅冶炼生产过程依然存在能耗高、成本高、产量低和效率低等问题,通过系统研究生物质协同强化高焦高煤生产工业硅过程对降低生产成本和能耗、解决工业硅生产瓶颈问题、有效提高行业市场竞争力具有重要意义。具体研究内容和结论如下:(1)利用TG-DSC分析石油焦与生物质按质量比为100:0,80:20,60:40,40:60,20:80混合在CO2气氛条件下的反应行为,以及加入添加剂(K2CO3)后硅石碳热还原过程热动力学行为,研究了碱金属添加前后对生物质与石油焦混合碳质还原剂性能的影响。研究发现,生物质与石油焦混合反应过程存在明显的协同效应,归因于生物质原料灰中的碱金属与碱土金属对碳成分具有催化作用。通过添加剂试验表明在硅石碳热还原过程最大反应速率提高了 13.7%,验证了该协同作用的存在。(2)通过TG-DSC分析数据对动力学进行研究,结合红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)和扫描电镜(SEM)表征分析了不同研磨介质对生物质与石油焦和煤混合碳材料反应性能影响,进而对硅石碳热还原过程的影响机理。研究结果显示,相同条件下,原料在有机溶剂作为研磨介质时,硅石碳热还原反应的初始反应温度及反应活化能显著降低,反应速率加快。当原料为生物质和石油焦时,还原反应的最大反应速率提高157%,活化能降低22.35%。当原料为生物质和煤时,还原反应的最大反应速率提高15.87%,活化能降低7.19%。(3)利用微波辅助与不同金属盐耦合处理生物质炭,使其负载相应的金属离子及其氧化物。由于不同的碱金属盐吸波性不同使得改性后的生物质炭表现出不同的性能。通过热重分析和动力学模型研究了微波辅助与金属盐耦合对生物质炭反应热力学和动力学特征的影响,并借助XRD、FTIR、Raman、FESEM等检测手段进行了机理分析,发现生物质炭表面负载金属离子及其氧化物会改变生物质炭中芳环结构形成碳链,增加活性位点,进而提高生物质炭的反应性能,促进高温区硅石碳热还原反应。