Brevet FR2514744A1 — publié le 19830422

Procédé pour fabriquer du silicium à partir de matériau pulvérulent contenant de la silice. La présente invention concerne un procédé pour fabriquer du silicium à partir de matériau pulvérulent con- tenant de la silice. La production annuelle mondiale au moment de la présente demande est voisine de 2 millions de tonnes par an de silicium, dont 5 % sont utilisés pour la fabrica- tion de silicium pur et le reste dans l'industrie du fer et de l'aluminium 10 X du silicium pur sont utilisés dans l'industrie des semiconducteurs, c'est-à-dire environ 10 000 tonnes. Il faut s'attendre à ce que la consommation en silicium augmente très fortement pendant les prochaines décades, principalement du fait qu'il est très intéressant d'utiliser l'énergie solaire pour produire de l'électrici- té On utilise de préférence du silicium pur dans les cel- lules solaires, c'est-à-dire une qualité dite "qualité so- laire" et entraînant une pureté de 99,99 % Cependant, le type d'impureté est également considérablement important et par conséquent le choix du produit brut est critique. Le silicium le plus pur est fabriqué par ré- duction directe dans des fours à arc électrique, qui four- nit une qualité dite qualité métallurgique La pureté est alors d'environ 98 % Pour être utilisé dans des cellules solaires, ce silicium doit être purifié par dissolution et élimination des impuretés Le silicium extrêmement pur de- vient de ce fait extrêmement coûteux, ce qui le rend peu avantageux pour produire de l'électricité à l'aide de cel- lules solaires réalisées à partir de ce silicium. On progresse dans le développement intensif de la mise au point de procédés permettant une fabrication moins coûteuse de silicium extrêmement pur Un procédé con- siste à utiliser des matières premières plus pures Cepen- dnt, ceci seul ne suffit pas à rendre les processus avan- tageux Les fours à arc électrique nécessitent un matériau de départ en morceaux, ce qui limite le choix des matières premières et rend plus difficile l'utilisation de matières premières extrêmement pures En outre, les particules de silice doivent être agglomérées à l'aide d'une certaine forme de liant avant de pouvoir les utiliser, ce qui rend encore les procédés plus coûteux. Le procédé du four à arc est également sensible aux propriétés électriques des matières premières et de ce fait l'utilisation d'agents réducteurs avec une faible te- neur d'impureté est compliquée Etant donné qu'on doit uti- lisér un matériau en morceaux comme matériau de départ, on obtient un contact local plus faible entre la silice et l'agent réducteur, ce qui donne lieu à une perte de Si O. Cette perte est également augmentée du fait qu'avec ce pro- cédé, il apparaît localement des températures extrêmement élevées De plus, il est extrêmement difficile de maintenir des conditions réductrices absolues dans la chambre à gaz du four à arc et le Si O produit est réoxydé pour former du Si O 2. Les facteurs mentionnés ci-dessus sont la cause de la plupart des pertes apparaissant avec ce procédé, com- me on peut également le voir d'après la consommation d'é- lectricité mesurée pour ce procédé connu, qui est de 25-45 M Wh/tonne par rapport-à une consommation d'électricité théorique estimée de 9 M Wh/tonne Finalement, la perte de Si O et la ré-oxydation de Si O en Si O 2 se traduisent par des interruptions de fonctionnement très importantes étant don- né que les conduites de gaz s'engorgent. La présente invention se propose d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus et de fournir un procédé qui permet de fabriquer du silicium extrêmement pur en une seule opération et permet d'utiliser des matières premières pulvérulentes. Ce but est atteint dans le procédé décrit dans S le préambule grâce à la solution suivant l'invention, dans laquelle la nouveauté essentielle réside en ce que le ma- tériau pulvérulent contenant de la silice, éventuellement en même temps qu'un agent réducteur, est injecté dans un plasma gazeux à l'aide d'un gaz porteur, après quoi le ma- tériau à base de silice ainsi chauffé, avec l'agent réduc- teur s'il y en a et le plasma gazeux fortement énergétique, est introduit dans une chambre de réaction sensiblement entourée par un agent réducteur solide en morceaux. Cette façon de procéder permet de concentrer toute la séquence de réaction dans une zone de réaction considérablement restreinte en liaison directe avec le bec de la tuyère, ce qui permet de maintenir très faible le vo- lume à haute température dans le procédé Ceci est un gros avantage par rapport à des procédés antérieurement connus, o les réactions de réduction s'étalent successivement sur un vo 3 ume important du four. En faisant en sorte que toutes les réactions se déroulent dans une zone de réaction, dans l'alimentation en coke, immédiatement avant le générateur de plasma, la zone de réaction peut être maintenue à un niveau de tempé- rature très élevé et réglable, ce qui favorise la réaction Si O 2 + 2 C-> Si + 2 C O Tous les réactifs (Sio 2, Si O, Si C, Si, C, CO) se trouvent simultanément dans la zone de réaction, grâce à quoi les produits Si O et Si C formés en plus petites quan- tités réagissent immédiatement de la façon suivante: Sio + c -_ si + Co Si O + Si C -* 25 i + CC 2 Si C + Si O 2 2 3 Si + 2 C O Les produits finaux quittant la zone de réaction sont ainsi dans tous les cas du Si fluide et du CO gazeux. L'utilisation de matières premières pulvéru- lentes suivant l'invention facilite le choix et permet d'utiliser des matières premières à base de silice très pures moins coûteuses Le procédé proposé suivant l'inven- tio>n est également insensible aux prooriétés électriques de la matière première, ce qui facilite le choix de l'agent réducteur. L'agent réducteur injecté peut être un hydro- carbure, par exemple du gaz naturel, de la poussière de charbon, de la poussière de charbon de bois, du noir de carbone, du coke de pétrole qui peut être purifié, et du gravier de coke. La température nécessaire pour le procédé peut facilement être réglée à l'aide de la quantité d'énergie électrique fournie par unité de gaz à l'état plasma de sorte qu'on peut maintenir des conditions optimales pour obtenir une perte en Si O minimale. Etant donné que la chambre de réaction est entourée sensiblement complètement par un agent réducteur en morceaux, la réoxydation du Si O est empêchée efficace- ment. Suivant un mode de mise en oeuvre approprié de l'invention, l'agent réducteur solide en morceaux est amené continuellement dans la zone de réaction au fur et à mesure qu'il est consommé. L'agent réducteur en morceaux peut être du co- ke, du charbon de bois, du coke de pétrole et/ou du noir de carbone, et le gaz à l'état plasma utilisé pour'le procédé peut de façon appropriée être constitué par du gaz du pro- cédé remis en circulation à partir de la zone de réaction. L'agent réducteur solide en morceaux peut être une poudre transformée en morceaux à l'aide d'un liant composé de C et H et éventuellement aussi de 0, comme du sucrose. Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le brûleur à plasma est un brûleur à plasma inductif, de sorte que les impuretés provenant des élec- trodes sont réduites à un minimum absolu. Le procédé suivant l'invention est idéal pour la fabrication de silicium très pur destiné à être utilisé dans des cellules solaires et/ou des semiconducteurs On peut utiliser de la silice pure et un agent réducteur pos- sédant une très faible teneur en impuretés comme matières premières. D'autres caractéristiques de l'invention res- sortent des revendications. L'invention va être décrite de façon plus dé- taillée ci-après en se référant à un certain nombre d'exem- ples Les réactions sont de préférence effectuées dans un réacteur similaire à un four à cuve, qui est chargé de fa- çon continue par un agent réducteur solide par l'intermé- diaire d'un dessus de haut-fourneau, par exemple, compor- tant des canaux d'alimentation rapprochés et répartis uni- formément ou une conduite d'alimentation annulaire à la périphérie de la cuve. Le matériau silicieux pulvérulent, éventuelle- ment pré-réduit, est insufflé par des tuyères au fond du réacteur, à l'aide d'un gaz inerte ou réducteur Simultané- ment, on peut insuffler l'hydrocarbure et éventuellement également de l'oxygène, de préférence par les mêmes tuyères. Au niveau de la partie inférieure de la cuve remplie d'agent réducteur en morceaux se trouve une chambre de réaction qui est entourée de tous côtés par ledit agent réducteur en morceaux C'est là que se déroulent instanta- nément la réduction de la silice et la fusion. Le gaz quittant le réacteur, comprenant un mé- lange d'oxyde de carbone et d'hydrogène en concentration élevée, peut être remis en circulation et être utilisé comme gaz porteur pour le gaz à l'état plasma. On va donner ci-dessous les comptes-rendus de deux expériences réalisées Pour mieux illustrer l'invention. Exemple 1. Une expérience a été réalisée à demi-échelle. On a utilisé du quartz broyé du type cristal de roche avec une teneur en impuretés inférieure à 100 ppm et des dimen- sions de particules d'environ 0,1 mm comme matière première silicieuse La "chambre de réaction" était constituée par des briquettes de noir de carbone On a utilisé du propane (Pétrole liquéfié) comme agent réducteur, et un gaz de ré- duction-lav-é comportant du CO et du H 2 comme gaz porteur et gaz à l'état plasma. L'énergie électrique fournie a été de 1000 k Wh. On a fourni 2,5 kg de Si O 2/minute comme matière première et 1,5 kg de propane/minute comme agent réducteur. On a produit un total d'environ 300 kg de Si très Dur durant l'expérience La consommation d'électricité moyenne a été d'environ 15 k Wh/kg de Si produit. L'expérience a été réalisée à une petite échel- le et par conséquent la perte de chaleur a été considérable. La consommation d'électricité peut encore être réduite Dar récupération des gaz, et les pertes thermiques diminuent également considérablement dans une installation plus im- portante. Exemple 2. Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, par ailleurs, on a produit du silicium très pur en utilisant du noir de carbone pulvérulent comme agent réducteur. On a fourni 1,2 kg de noir de carbone par minute. Dans cette expérience, on a produit 200 kg de Si très pur La consommation d'énergie moyenne a été d'en- viron 13,5 k Wh/kg de Si produit. REVENDICATIONS 1 Procédé Dour fabriquer du silicium à partir de matériau pulvérulent contenant de la silice, caractérisé en ce que le matériau pulvérulent contenant de la silice, éventuellement en même temps qu'un agent réducteur, est injecté dans un plasma gazeux à l'aide d'un gaz porteur, après quoi le matériau à base de silice ainsi chauffé, avec l'agent réducteur s'il y en a et le plasma gazeux fortement énergétique, est introduit dans une chambre de réaction entourée par un agent réducteur solide en morceaux. 2 Procédé suivant la revendication 1, caracté- r.sé en ce que le plasma gazeux est produit en faisant pas- ser le gaz du plasma dans un arc électrique dans un généra- teur de plasma. 3 Procédé suivant la revendication 2, caracté- risé en ce que l'arc dans le générateur de plasma est pro- duit inductivemel;t. 4 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que l'agent réducteur solide en morceaux est amené de façon continue dans la zone de réaction. Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent réducteur solide en morceaux est constitué par du charbon de bois ou du coke. 6 Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz du plasma est constitué par le gaz du procédé remis en circulation à partir de la zone de réaction. 7 Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que pour la production de silicium extrêmement pur destiné à servir de matière première pour des cellules solaires et/ou des semiconduc- teurs, on choisit un matériau contenant de la silice possé- dant un degré de pollution inférieur à 0,1 % en poids. 8 Procédé suivant la revendication 7, caracté- risé en ce que l'agent réducteur solide en morceaux est choisi parmi le groupe comprenant des briquettes de noir de carbone, des briquettes de coke de pétrole, des bri- quettes de charbon de bois et;des morceaux de charbon de bois. 9 Procédé suivant la revendication 7, caracté- risé en ce que l'agent réducteur injecté est choisi parmi le groupe comprenant du noir de carbone pulvérulent, de la poussière de charbon de bois, du coke de pétrole, des hydro- carbures sous forme gazeuse ou liquide, tels que du gaz na- turel, du Dropane, de l'essence légère.