提供工業(yè)硅電爐煙氣的凈化技術(shù)
工業(yè)硅又稱結(jié)晶硅或金屬硅。工業(yè)硅是一種高耗能，高污染的冶煉產(chǎn)品。我國(guó)目前工業(yè)硅生產(chǎn)技術(shù)大多采用蘇聯(lián)50年代工藝技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量低，消耗高、污染嚴(yán)重，市場(chǎng)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)能力。近年來(lái)，各級(jí)政府認(rèn)真貫徹國(guó)家宏觀調(diào)控政策，牢固樹立科學(xué)的發(fā)展觀，對(duì)于浪費(fèi)資源，污染環(huán)境的企業(yè)進(jìn)行清理整治，促進(jìn)了工業(yè)硅冶煉企業(yè)進(jìn)行環(huán)保治理工作。但是，近兩年筆者到過國(guó)內(nèi)近百家企業(yè)進(jìn)行考察，大都沒有采取環(huán)保治理措施，有的企業(yè)被政府環(huán)保部門下令停產(chǎn)治理，促進(jìn)了部分企業(yè)進(jìn)行煙氣凈化治理，在治理過程中，由于對(duì)工業(yè)硅煙氣治理技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究，使得工業(yè)硅煙氣治理技術(shù)效果不佳，有的廠家6300KVA電爐投資200多萬(wàn)元搞煙氣凈化，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐無(wú)法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，且投資大，設(shè)備維修困難，耗電量大，造成資源的極大浪費(fèi)。因此，對(duì)工業(yè)硅電爐煙氣治理回收進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究工作刻不容緩。筆者對(duì)工業(yè)硅煙氣的性質(zhì)進(jìn)行分析，認(rèn)真對(duì)國(guó)內(nèi)外治理技術(shù)進(jìn)行比較，請(qǐng)教在國(guó)外的老師，引用其他行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)原理，研究出一套較適合我國(guó)的中小型工業(yè)硅廠家的投資少，設(shè)備簡(jiǎn)單，耗電少，操作維修方便，凈化效果好的電爐煙氣溫度，采用大布袋除塵器。6300KVA電爐煙氣粒，降低煙氣溫度，采用大布袋除塵器。6300KVA電爐煙氣凈化投資，一般投資134至150萬(wàn)元，可以完全達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
二、 工業(yè)硅冶煉原理
工業(yè)硅冶煉是用硅石和炭質(zhì)原料在電弧爐中靠電弧放電作用，把電能轉(zhuǎn)變成熱能，供給加熱熔煉物料所需的熱生產(chǎn)的，煉硅的過程是無(wú)渣過程。在工業(yè)硅冶煉過程中，應(yīng)嚴(yán)格保持爐料中碳與二氧化硅的分子比等于2。這樣在冶煉過程中就不會(huì)出現(xiàn)剩余SiC和SiO2，可保證冶煉過程中有高的硅產(chǎn)出率。正確的配料是保證爐況穩(wěn)定的先決條件。爐料配比應(yīng)根據(jù)化學(xué)成分、粒度、含水量及爐況經(jīng)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)而定。電爐生產(chǎn)工業(yè)硅時(shí)，爐況容易被動(dòng)，較難控制。因此，必須正確判斷，及時(shí)處理。爐況正常的標(biāo)志是：電極深而穩(wěn)地插入爐料，電流電壓穩(wěn)定，爐內(nèi)電弧聲響低而穩(wěn)，冒火區(qū)域大而均勻，爐料透氣性好，料面松軟而有一定的燒結(jié)性，各處爐料燒空程度相差不大，燜燒時(shí)間穩(wěn)定，基本上無(wú)刺火踏料現(xiàn)象，電爐煙氣量小，消耗低。出硅時(shí)，爐眼好開，流頭開始較大，然后均勻變小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效果較佳。

三、 電爐煙氣產(chǎn)生的原因

還原電爐是工業(yè)硅的主要冶煉設(shè)備，其主要原料是硅礦石和炭質(zhì)還原劑。原料入爐后，在礦熱爐高達(dá)攝氏2000多度的高溫下，呈還原反應(yīng)，工業(yè)硅冶煉產(chǎn)生煙氣是必然的。冶煉過程中的煙氣其主要參數(shù)有煙氣量、溫度、含塵量、化學(xué)成分等。參數(shù)值的波動(dòng)主要受冶煉爐況和半封閉煙罩操作門開閉狀況的影響。當(dāng)出現(xiàn)刺火和踏料時(shí)，煙氣量將大幅度上升，煙氣溫度可上升到600-900℃。電爐煙氣量還與采用的還原劑種類有關(guān)。工業(yè)硅煙氣的主要部分由無(wú)定形二氧化硅組成。有關(guān)資料表明，大部分粉塵的直徑為0.25um，并由球形微粒和這些微粒的球團(tuán)組成，氣流中的部分粉塵尺寸小于1um，平均直徑為0.4um-0.5um。粉塵的化學(xué)組成（百分比）為；SiO2占90.6-94.1；MgO占0.18-0.34；CaO占0.37-1.34；Fe2O3占0.14-0.30；Al2O3占0.11-1.00；P2O3占0.11-0.20；Na2O占0.06-0.14；C總占6.17-6.50。當(dāng)爐料中有木炭（特別是木屑）時(shí)，未燃盡的小炭塊和小木片會(huì)從爐面逸出并在煙氣流中燃燒。煙塵的濕潤(rùn)性布好，電阻系數(shù)高，容易結(jié)團(tuán)。由于煙塵的分散性高容易堵住過濾材料的孔，降低其透氣性，過濾材料的表面會(huì)形成流體阻力很高的厚而致密的煙塵層。

工業(yè)硅電爐煙塵混合物的組成和物理化學(xué)性質(zhì)決定著它的過濾性。氣相的主要組分是空氣，它是經(jīng)過爐罩上的開口被吸入路面上熱對(duì)流中去的。煙氣中含有少量爐料中碳質(zhì)物燃燒的產(chǎn)物：CO2低于百分之二，CO約每立方10mg。氣體中SO2的含量不大于每立方5mg。煙塵混合物的溫度為100-250℃。電爐煙氣溫度取決于爐子的容量、爐料組成、路面狀態(tài)和加料周期。煙塵混合物的溫度在很大程度上決定了風(fēng)機(jī)的排氣量。

四、 工業(yè)硅電爐煙氣的凈化技術(shù)

工業(yè)硅電爐煙氣凈化，『挪威』埃爾肯姆公司從1950年就從事研究，并與1966年購(gòu)買一臺(tái)靜電除塵器，除塵效率低，由于二氧化硅粉電阻系數(shù)大，不能采用靜電除塵器。經(jīng)20多年的研究實(shí)踐，從1975年開始設(shè)計(jì)埃爾肯姆袋室除塵器。除塵器是正壓式，分成許多隔室。布袋的清洗用反吹風(fēng)方法進(jìn)行。其特點(diǎn)是投資大，工藝復(fù)雜，耗電量大，維護(hù)保養(yǎng)困難。我國(guó)民和鎂廠，4臺(tái)6300KVA工業(yè)硅電爐于1994年12月采用了正壓大布袋除塵器，取得了較好的效果。2001年吉林翔豪實(shí)業(yè)股份公司由沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)院引進(jìn)挪威埃爾肯姆公司的凈化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，四臺(tái)6300KVA礦熱爐煙氣凈化投資高達(dá)2600萬(wàn)元，于2002年12月12日建成運(yùn)行。貴州某廠2臺(tái)6300KVA的工業(yè)硅電爐投資220萬(wàn)元，進(jìn)行凈化處理未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國(guó)工業(yè)硅廠家大多以小公司或個(gè)人投資為主，現(xiàn)在主要以6300KVA工業(yè)硅冶煉爐居多，工廠規(guī)模小，生產(chǎn)分散。如都采用埃爾肯姆公司的技術(shù)方法，投資大，維修困難，采用其它方法效果差。結(jié)合我國(guó)目前工業(yè)硅廠家的實(shí)際情況，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益的角度，根據(jù)工業(yè)硅冶煉煙氣的特性，研究出投資少，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作維修方便，凈化效果豪的煙氣凈化技術(shù)，具有現(xiàn)實(shí)意義。
1、 工業(yè)硅電爐煙氣的特點(diǎn)
一是煙氣量和熱含量大，煙氣帶走的熱量約為輸入能量的百分之33；二是煙塵極細(xì)，小于1um的占百公之90左右，且煙塵容量較輕，僅為每立方200kg；三是煙塵的主要成分為SiO2。
2、 煙氣凈化回收工藝
電爐的除塵裝置系統(tǒng)為：將來(lái)自工業(yè)硅生產(chǎn)電爐的煙氣，在離心式主風(fēng)機(jī)的抽吸作用下，煙氣由半封閉式電爐內(nèi)引出，沿著煙道首先進(jìn)入一個(gè)二次燃燒室及預(yù)除塵器；把粗粒和火星分離開來(lái)，使其煙塵充分燃燒，燃燒后的煙氣進(jìn)入一個(gè)熱交換器降低煙氣溫度，然后用風(fēng)機(jī)送入袋式除塵器，粉塵滯留在濾袋里，凈化的煙氣經(jīng)除塵器頂部排入大氣，灰斗下的微粉由人工或機(jī)械入袋輸出。其工藝流程圖如下：
3、 煙氣凈化技術(shù)
工業(yè)硅電爐的煙氣治理，目前各級(jí)政府高度重視，各廠家急需解決的首要問題。一談到煙氣治理，大家就想到先進(jìn)的治理技術(shù)和投資，如何去治理的問題。根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，煙氣量產(chǎn)生的大小與廠家的技術(shù)和管理關(guān)系很大。生產(chǎn)技術(shù)穩(wěn)定、管理先進(jìn)的企業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量高，消耗低，除塵效果好，排放達(dá)標(biāo)。技術(shù)管理差的企業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量差，消耗高，污染嚴(yán)重。在生產(chǎn)過程中，除設(shè)備結(jié)構(gòu)影響外，生產(chǎn)操作技術(shù)的控制直接影響電爐煙氣量的大小。目前研究回收一噸硅微粉價(jià)值的人多，研究在爐內(nèi)變成一噸硅價(jià)值多少的人少。要解決工業(yè)硅廠家的經(jīng)濟(jì)技術(shù)問題，徹底治理煙氣，提高經(jīng)濟(jì)社會(huì)效率，其措施是：
（1） 減少煙氣量，提高生產(chǎn)操作技術(shù)水平。操作技術(shù)不當(dāng)是造成煙氣量增大的主要原因。大多廠家存在的問題是電爐結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配，高電壓、高產(chǎn)量、超負(fù)荷錯(cuò)誤用電造成了嚴(yán)重刺火，配比不嚴(yán)格，冶煉方法不當(dāng)造成嚴(yán)重的刺火。工業(yè)硅熔煉是在電爐埋弧狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行的。操作中要做到閉弧操作，適時(shí)加料和搗爐，調(diào)整爐料電阻和電流電壓的比值。閉弧操作的優(yōu)點(diǎn)是：爐內(nèi)料層結(jié)構(gòu)能形成一個(gè)完整的體系，爐料依次下沉；弧光不外露，保持高爐溫；電極消耗平衡穩(wěn)定，避免發(fā)生電極折斷；料面溫度較低，提高電爐設(shè)備的利用率；粉塵量較少，可使電爐操作有一個(gè)較好的環(huán)境。無(wú)論電爐容量大小，都能做到閉弧操作，這是減少煙氣量，提高硅回收率，降低消耗，解決操作和煙塵凈化之間惡性循環(huán)的重要措施。
（2） 煙氣凈化設(shè)備的選擇。熔煉一噸工業(yè)硅約產(chǎn)生2000－2600立方米的煙氣，經(jīng)爐口燃燒后混入大量冷空氣，硅微粉在空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，不易沉降，比電阻大，硅粉帶油性，粘度隨溫度的增高而增大。因此，要凈化收集硅微粉，就要必須對(duì)煙氣進(jìn)行二次燃燒降溫和預(yù)除塵等一系列處理。6300KVA電爐的二次燃燒室選擇25－30立方米；預(yù)除塵器采用二級(jí)旋風(fēng)除塵器；熱交換器采用循環(huán)給水控制；風(fēng)機(jī)功率選用180－250KVA；除塵器采用正壓大布袋除塵器，設(shè)備根據(jù)實(shí)際情況，大多采用非標(biāo)準(zhǔn)件。
（3） 凈化原理。采用火花捕集裝置進(jìn)行充分燃燒，將未燃盡帶有火花的炭粒收集下來(lái)，消除了火花燒壞濾袋的可能性，在旋風(fēng)除塵器中將一些粗大顆粒分離出來(lái)，減少粉塵量；通過熱交換器進(jìn)行降溫，降低硅塵粘度，然后用風(fēng)機(jī)送入袋式除塵器，硅塵在布袋內(nèi)過濾，濾后的純凈氣體排空。
（4） 投資估算：總的投資費(fèi)用包括鋼制煙道、二次燃燒室、換熱器、濾袋室、濾袋、輔助設(shè)備和土建工程。以6300KVA工業(yè)硅爐為例，一般投資只需160--180萬(wàn)元左右，設(shè)備主要有一臺(tái)高溫引風(fēng)機(jī)1臺(tái)，180－250KVA功率電機(jī)。其他設(shè)施根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用磚混結(jié)構(gòu)和非標(biāo)準(zhǔn)鋼制，建設(shè)周期2個(gè)月－3個(gè)月