专题 | 新湖工业硅原材料系列专题一:硅煤介绍

一、硅煤作为碳质还原剂是木炭的有效替代品 工业硅的核心化学反应是通过碳质还原剂来进行碳热还原反应，将硅石、石英等SiO2的矿物还原成硅。其中，碳质还原剂成本占工业硅生产成本的25%至35%。另外，在该化学反应中，碳质还原剂对整个生产过程中的电耗及效率有重要影响，直接关系到工艺的成本变化。 常见碳质还原剂主要成分为碳含量较高的碳质材料。在工业硅发展早期，木炭是主要的生产用还原剂。但国内林业资源少，再加上环保政策及生态建设的发展，对林木砍伐、天然林木炭生产及土窑烧炭等进行了一定的限制，木炭行业产量持续下降。由于木炭供给的持续收缩，其价格长期上涨，增加了工业硅生产成本。因此，硅煤及石油焦等替代木炭的优质碳质还原剂用量比例逐步增加。其中硅煤是很好的还原剂，比电阻相对大，虽然反应能力低于木炭，但高于石油焦，是木炭的有效替代品。 用碳质还原剂来还原二氧化硅的热化学过程较为复杂，最早可追溯到前苏联时期学者的大量研究。基于前苏联冶金学者的研究和计算，现代工业硅冶金理论将工业硅的冶炼过程归纳为一系列基本反应： 在起始温度达到1754K时，固态的Si02与碳质还原剂中的固态C进行反应，形成SiC，并有部分C被氧化成CO。凝聚相中还有部分未参与反应的C和Si02。 在金属硅冶炼的温度(1143K至2001K)下，炉口的部分Si02达到熔点，转为液态。 在冶炼温度1773至1983K左右，液态的Si02发生热裂反应，生成气态的Si0和氧气。此时炉内气相中同时存在Si0和CO，其中Si0的浓度随着炉温的上升而明显增加。 在炉内塌反应区，电弧燃烧的高温使得凝聚相SiC的和气相Si0发生激烈的反应，生成更多的SiC并释放出CO。 气态的SiO同时也和和炉内过剩C在高温下生成冷凝的SiC，并释放出CO。 炉内的高温使得SiC直接从固态转化为气态，并发生解离，生成液态的Si和固态的C，该反应所生成的硅占总量的1/3。 过渡相的SiC和Si0同样也发生反应，生成液态的硅和CO,该反应生成的硅占总量的2/3。固态的C和炉口热裂反应释放出的来的氧气生成CO。 在整个反应中，存在4种凝聚相固液体和9种气相气体，因此这是一个复杂的反应过程。 二、硅煤的指标有着严格的要求 工业硅生产中，碳质还原剂品质直接影响产品质量。而硅煤作为碳质还原剂需要满足以下特点:高固定碳含量、低灰分、高电阻率、强反应活性、适中挥发分、一定机械强度以及稳定的水分等。 硅煤的固定碳含量越高，其还原硅石所消耗的量越少，且带入炉内的杂质也越少。 硅煤的灰分所含的主要物质为：CaO、Al2O3、SiO2、P、Fe2O3等，灰分含量越高，硅煤在炉内产生的以上杂质就越多，并对炉内的透气性以及电热化学反应效率造成影响。 硅煤能作为碳质还原剂仰赖其高电阻率，能保证电极深度和稳定程度，且能使得炉温维持在较高范围，减少热损失，做到增效降耗。 一定的机械强度能保证硅煤在储运过程中不易破损，不影响入炉后的透气性，并减少吹损。机械强度的要求决定了硅煤不能有太高的挥发分，因为后者会影响前者的强度，但挥发分也不能太低，一定程度的挥发分能提供较好的电阻率。 碳质还原剂的化学反应活性和其空隙有一定相关性，孔隙率越大，电阻率、比表面积、气体吸附能力能数据也更优秀，化学活性也越好。 另外，硅煤不易在高温下发生石墨化，其电阻率、化学活性不会出现骤降的情况。 根据行业期刊及文献整理，通常对硅煤的指标要求，有以下几项：挥发分＞37%至40%；固定碳＞58%；热值＞7500K；灰分＜5%，其中三氧化二铁＜0.3%，三氧化二铝＜0.7%，一氧化钙＜0.4%；粘结指数＞85。 按国家能源局发布的中国煤炭分类国家标准，硅煤分类属于烟煤。根据烟煤的类别细分，接近精洗后的气肥煤或气煤。 通常硅煤在洗选后，需要达到15至80mm的颗粒度，才能被作为工业硅的碳质还原剂。常见的硅煤洗选工艺包括品重介旋流器分选、跳汰选及风选等，而具体的选择则通常结合原煤灰分及浮沉特性进行设计和调整。 重介旋流器分选，是利用密度介于煤和杂质之间的重液或重悬浮液作介质实现分选的一种重力选煤方法。在重介质旋流器分选过程中，原煤和悬浮液以一定压力沿切线方向给入旋流器，从而形成强有力的漩涡流。液流从入料口开始沿旋流器内壁形成一个下降的外螺旋流;在旋流器轴心附近形成一股上升的内螺旋流。然后利用不同螺旋之间的正负气压，将杂质和精煤分离。 跳汰选煤指原煤在垂直脉动为主的介质中，按其密度等物理性质的不同，实现分层和重力选煤方法。通常该方法需要让原煤在固定运动的筛面上连续进行的跳汰，并在垂直和水平流的合力作用下分选。 风选又称气流分选，是利用精煤与杂质之间悬浮速度的差别，借助风力除杂的方法。原煤在空气气流作用下，密度大的部分沉降末速度大，运动距离比较近；密度小部分的沉降末速度小，运动距离比较远。在该过程中，根据精煤和杂质的密度与空气阻力不同，将前两者分离出来。 三、硅煤产地主要集中在西北地区和贵州 工业硅产能主要分布在西北与西南地区，量大区域中新疆、陕西、宁夏和贵州等省份具有优质的硅煤资源。新疆产的硅煤大部分提供给省内工业硅企业，而其余地区主要供给给西南地区硅企。 新疆地区煤炭资源主要分布在在准噶尔、吐哈、西天山和塔里木北缘。以上地区中准东、准南、吐哈、伊犁和库拜煤田资源蕴藏量相对较大，且易于开发，占整个新疆地区煤炭资源的95%左右。 根据煤种的分布，新疆准东煤田、西南天山区、库拜煤田、可尔克煤产地及焉耆煤田均有不同比例的优质低灰气肥煤及气煤产出。 陕西省为我国三大煤炭主产区之一，其煤炭资源主要分布于陕北地区。其中位于榆林市的陕北石炭二叠纪及三叠煤炭，以及处在延安、铜川、宝鸡和咸阳等市交接处的黄陇侏罗纪煤田产出优质低灰及特低灰气肥煤和气煤。 宁夏含煤地层占宁夏总面积的四分之一，主要分贺兰山、宁东、宁甫和香山4个含煤区。其中贺兰山、宁东(横山堡、韦州)及香山3个含煤去均有接近硅煤品种的煤炭产出。 贵州省煤炭基础储量位居我国第五，其硅煤资源主要分布在六盘水矿区，全省国有重点煤矿，几乎所有大中型矿井都集中在该区。六盘水矿区其中低硫/低硫、低中灰/中灰、特高/高热值优质煤占有相当比重。 四、硅煤的价格与炼焦煤价格具有一定相关性 硅煤在的各项指标接近煤炭分类中的气肥煤及气煤，而气肥煤及气煤属于炼焦煤，一般经常被作为关键配煤来使用。因此可以推断，硅煤的价格与炼焦煤价格存在一定关联性。 而通过硅煤产地四省的硅煤价格，与唐山主焦煤、郑商所焦煤期货主力连续合约收盘价来进行比对，可以看出，以上几种价格之间存在一定正相关性。 因此，硅企若要锁定硅煤成本，可以选择买入焦煤期货来规避煤价上行带来的成本风险。 新湖期货黑色组 审核人：李明玉 免责声明 本报告由新湖期货股份有限公司（以下简称新湖期货，投资咨询业务许可证号32090000）提供，无意针对或打算违反任何地区、国家、城市或其他法律管辖区域内的法律法规。除非另有说明，所有本报告的版权属于 新湖期货。未经新湖期货事先书面授权许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发布。如引用、刊发，须注明出处为新湖期货股份有限公司，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。本报告的信息均来源于公开资料和/或调研资料，所载的全部内容及观点公正，但不保证其内容的准确性和完整性。投资者不应单纯依靠本报告而取代个人的独立判断。本报告所载内容反映的是新湖期货在最初发表本报告日期当日的判断，新湖期货可发出其他与本报告所载内容不一致或有不同结论的报告，但新湖期货没有义务和责任去及时更新本报告涉及的内容并通知更新情况。新湖期货不对因投资者使用本报告而导致的损失负任何责任。新湖期货不需要采取任何行动以确保本报告涉及的内容适合于投资者，新湖期货建议投资者独自进行投资判断。本报告并不构成投资、法律、会计、税务建议或担保任何内容适合投资者，本报告不构成给予投资者投资咨询建议。