硅冶煉煙氣減量化的分析與探討

呂 鈞王忠順張玉杰王 姣

(1.芒市永隆鐵合金有限公司,云南 芒市 678400；2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

國(guó)內(nèi)工業(yè)硅產(chǎn)能主要分布在新疆、甘肅、云南、四川、福建等地。伴隨著工業(yè)硅行業(yè)技術(shù)裝備的發(fā)展和國(guó)家相關(guān)環(huán)保政策的出臺(tái)，工業(yè)硅礦熱爐的煙氣治理措施已成為影響我國(guó)工業(yè)硅企業(yè)能否生存和發(fā)展的重要因素。國(guó)內(nèi)工業(yè)硅生產(chǎn)主要采用半封閉礦熱爐。一直以來，工業(yè)硅生產(chǎn)漏風(fēng)率高、煙氣排放量大的問題一直令人詬病。

煙罩是工業(yè)硅礦熱爐設(shè)備的重要部分，煙氣的收集、煙氣量的控制都是通過煙罩實(shí)現(xiàn)。因此，本文通過分析煙罩的設(shè)計(jì)、煙罩風(fēng)壓的控制，闡述硅冶煉煙氣減量的可能性和途徑。

1 工業(yè)硅生產(chǎn)煙氣特點(diǎn)

1.1 煙氣波動(dòng)性

工業(yè)硅礦熱爐冶煉過程中產(chǎn)生的煙氣及煙塵成分受原料、冶煉操作的影響較大。生產(chǎn)原料混合還原劑的比例不同，產(chǎn)生的煙氣量、煙氣成分及煙氣含塵量也會(huì)不同。

冶煉過程中，礦熱爐搗爐、加料及出現(xiàn)塌爐和刺火時(shí)，煙氣量及煙氣成分都會(huì)發(fā)生變化。總體看，出硅前期生成的煙氣量較大，后期煙氣量減少。由于我國(guó)工業(yè)硅企業(yè)原材料來源比較雜，原材料成分受不同產(chǎn)地及批次的影響較大，即便是同一座礦熱爐，不同時(shí)間段的煙氣成分不同。

1.2 余熱回收利用方式

工業(yè)硅礦熱爐冶煉過程中產(chǎn)生的煙氣的溫度較高，一般達(dá)450～600 ℃，需要采取空冷設(shè)施或余熱鍋爐降溫后才能進(jìn)入布袋除塵器。目前為了實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，新建企業(yè)大部分采取余熱鍋爐回收余熱的方式進(jìn)行煙氣降溫，部分小規(guī)模裝置采用煙氣漏風(fēng)降溫后進(jìn)入布袋除塵器的方式。

1.3 煙塵特性

煙氣中煙塵的主要成分為SiO2，被稱為微硅粉。其中粒徑在1 μm 以下的顆粒占到70%，具有黏附特性和高熱阻特性，嚴(yán)重影響收塵、脫硫、脫硝方式的選擇。

微硅粉屬于PM2.5 級(jí)的大氣污染物，一般需要采用高效的除塵器凈化才能保證達(dá)標(biāo)排放。微硅粉雖然對(duì)人類的健康影響極大，但回收凈化后可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，是重要的微納米級(jí)無機(jī)非金屬材料。

1.4 成分特性

硅生產(chǎn)所用的礦熱爐按冶煉工藝可分為非全煤冶煉礦熱爐和全煤冶煉礦熱爐。非全煤冶煉工藝煙氣含水較少，還原劑均經(jīng)過凈化處理，原料幾乎不含有硫化物，所以煙氣成分中硫化物也較少。全煤工藝中，煤的主要還原劑為精洗煤，整個(gè)過程消耗更多氧氣，煙氣含水量更高。煤中全部的硫被氧化成SO2氣體，如不處理，絕大多數(shù)無法達(dá)標(biāo)排放。

與煙氣中的SO2全部來源于原料不同，硅冶煉煙氣中的NOx的形成遠(yuǎn)比SO2復(fù)雜，與燃燒方式關(guān)系密切。目前實(shí)測(cè)煙氣中NOx的排放濃度多在200 mg/Nm3以內(nèi)[1]。

2 硅冶煉煙氣減量化途徑分析

煙罩是工業(yè)硅冶煉礦熱爐設(shè)備的重要組成部分，主要作用如下：1)捕集工業(yè)硅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣，減少煙氣中冷空氣的混入量；2)改善冶煉操作條件；3)回收煙氣中的微硅粉。

2.1 高煙罩

早期工業(yè)硅冶煉在敞口式礦熱爐中進(jìn)行，冶煉料面直接暴露在空氣中，機(jī)械化程度低，對(duì)環(huán)境污染大，工人勞動(dòng)條件惡劣[2]。隨著工業(yè)硅冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)硅礦熱爐的煙氣收集經(jīng)歷了高煙罩時(shí)期和半封閉矮煙罩時(shí)期。

20 世紀(jì)50～60 年代，工業(yè)硅冶煉的工業(yè)污染控制技術(shù)采用高煙罩。高煙罩是在爐口正上方懸吊一個(gè)鋼制結(jié)構(gòu)集氣罩，其直徑和礦熱爐口直徑相當(dāng)，高煙罩和爐口之間留有一定空間，供工人操作用。高煙罩的使用在一定程度上抑制了生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的污染，在煙氣捕集和改善操作條件方面產(chǎn)生一定的效果[3]，但高煙罩吸入冷空氣量大，對(duì)除塵系統(tǒng)的處理量要求也提高，并且高煙罩在冶煉過程及操作中仍存在煙氣外溢狀況，作業(yè)環(huán)境仍然不理想。

2.2 工業(yè)硅矮煙罩

隨著礦熱爐技術(shù)的不斷發(fā)展，20 世紀(jì)70 年代，工業(yè)硅生產(chǎn)廠家普遍通過技術(shù)改造和更新?lián)Q代等方式將煙罩改為半封閉矮煙罩。與高煙罩相比，矮煙罩具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：1)通過應(yīng)用水冷系統(tǒng)，極大降低了煙罩的外壁溫度，在提高設(shè)備使用壽命的同時(shí)，減少對(duì)周圍環(huán)境的熱輻射；2)在滿足生產(chǎn)過程中的加料、撥料和搗爐操作的同時(shí)，有效減少冷空氣的進(jìn)入量。矮煙罩的使用可減少煙氣量，提高煙氣溫度，有利于煙氣的余熱利用和煙氣凈化裝置規(guī)模的縮小，有效地實(shí)現(xiàn)煙氣減量。

2.2.1 工業(yè)硅矮煙罩的結(jié)構(gòu)

受國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的制約及工業(yè)硅生產(chǎn)所需碳素電極的影響，目前我國(guó)工業(yè)硅冶煉礦熱爐容量主要為25 000 kVA、27 000 kVA、33 000 kVA。目前國(guó)內(nèi)這三種爐型的煙罩以水冷金屬梁為骨架，骨架之間設(shè)置水冷蓋板，蓋板內(nèi)部設(shè)置隔水擋板，蓋板內(nèi)側(cè)噴涂或搗打耐火混凝土材料。金屬骨架用于支撐耐火混凝土材料和水冷蓋板的重量，同時(shí)承受電極把持器帶來的附加作用力，整體構(gòu)成一個(gè)剛性煙罩。煙罩頂部設(shè)置電極孔和煙氣排出口，煙氣排出口與礦熱爐煙道連接，煙氣通過煙道進(jìn)入除塵系統(tǒng)進(jìn)行煙氣凈化處理。煙罩側(cè)壁和爐門均采用循環(huán)水冷卻，側(cè)壁和爐門噴涂或搗打耐火混凝土。側(cè)壁固定在煙罩骨架上，爐門的升降采用液壓式提升機(jī)構(gòu)控制。在工業(yè)硅冶煉過程中，為了防止煙氣外溢，煙罩內(nèi)壓力始終保持為微負(fù)壓(-100～0 Pa)狀態(tài)。

2.2.2 矮煙罩的煙氣減量控制

2.2.2.1 煙罩尺寸

煙罩材質(zhì)、高度、直徑及爐門高度是影響煙罩集氣效果的關(guān)鍵參數(shù)。以典型的33 000 kVA 工業(yè)硅冶煉礦熱爐為例，其煙罩參數(shù)如下：煙罩高度為3 200 mm；煙罩內(nèi)切圓直徑為10 240 mm；爐門高度為2 000 mm。

影響并決定這些關(guān)鍵參數(shù)的因素主要包括：1)工業(yè)硅冶煉所需搗爐、加料、撥料的操作空間；2)工業(yè)硅礦熱爐電極系統(tǒng)的檢修空間；3)工業(yè)硅電爐的爐殼直徑參數(shù)。在滿足上述操作及幾何參數(shù)匹配的條件下，煙罩高度越低，生產(chǎn)過程中混入的空氣量越少，越有利于煙氣除塵及余熱回收利用。

與高煙罩相比，目前工業(yè)硅生產(chǎn)電爐采用的半封閉矮煙罩雖然高度有所降低，而且增加了側(cè)壁及爐門，冷空氣的混入量和煙氣量都大大減少，但通過分析生產(chǎn)企業(yè)目前的煙氣量、煙氣成分及反應(yīng)生產(chǎn)熱平衡，發(fā)現(xiàn)混入的空氣仍帶走大部分煙氣余熱，如果能通過改造冶煉工藝操作降低爐門高度從而減少煙氣中冷空氣的帶入量，對(duì)于工業(yè)硅整個(gè)行業(yè)甚至鐵合金行業(yè)的余熱回收，將有革命性的推動(dòng)意義。

2.2.2.2 壓力控制

在工業(yè)硅生產(chǎn)中，每生產(chǎn)1 t 工業(yè)硅大約產(chǎn)生3 700 Nm3爐氣，其主要成分為CO，含量為60%～80%，其次是H2和H2O，發(fā)熱值約14 000 kJ/Nm3。冶煉時(shí)，爐氣穿過料層進(jìn)入煙罩，其中的CO、H2與空氣接觸燃燒后生成煙氣。因此，煙氣量的大小及溫度高低與混入空氣量的大小有直接關(guān)系。決定工業(yè)硅冷空氣混入量的主要因素有煙罩設(shè)備的耐熱極限和爐內(nèi)壓力控制。

煙罩內(nèi)混入的空氣量必須滿足：1)空氣與冶煉產(chǎn)生的爐氣完全燃燒；2)混入空氣帶走的熱量能夠降低煙罩內(nèi)煙氣的溫度，保證煙罩的使用壽命。在保證滿足以上條件的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整爐壓控制空氣的混入量，維持爐膛內(nèi)部的壓力穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)是保持電爐正常工作的必要條件之一。爐內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)可通過控制連接煙道的除塵風(fēng)機(jī)的壓力實(shí)現(xiàn)。煙罩內(nèi)和煙道內(nèi)的設(shè)計(jì)煙氣壓力和流速見表1，操作中據(jù)此調(diào)節(jié)壓力，控制煙氣不外溢，維護(hù)車間生產(chǎn)操作環(huán)境。目前工業(yè)硅生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)穩(wěn)定的狀況下，煙氣溫度平均控制在600 ℃左右，在這種狀況下，煙罩平均使用壽命為10 年。

表1 煙罩系統(tǒng)各部位壓力

因此，從爐壓調(diào)控的角度考慮煙氣減量化，是在滿足煙罩材質(zhì)的耐火度、保證煙罩使用壽命的基礎(chǔ)上控制空氣的混入量。

2.3 全封閉冶煉工藝的可行性分析

工業(yè)硅冶煉煙氣量減量最理想的狀況是實(shí)現(xiàn)工業(yè)硅的全封閉冶煉，煙氣集氣罩采用密閉爐蓋的形式。密閉爐蓋對(duì)礦熱爐煙氣起密封作用，防止CO 氣體外逸。爐蓋采用U 型梁支撐機(jī)構(gòu)，爐蓋蓋板安裝在吊桿上，采用分體式水冷結(jié)構(gòu)，下部澆注耐火材料，以減少煙氣向爐蓋的傳熱，蓋板之間采用絕緣螺栓連接，爐蓋下沿與爐體之間采用絕緣板密封，爐蓋上設(shè)有電極開孔、煙道開孔、加料孔、防爆孔及檢修孔。

目前密閉爐蓋冶煉主要用在錳系、鉻系合金的冶煉上。無法應(yīng)用于工業(yè)硅冶煉的主要原因在于工業(yè)硅冶煉所用硅石中的硅發(fā)粘，料面容易結(jié)殼，在冶煉過程中需要將殼搗碎，這項(xiàng)操作需由外部搗爐機(jī)輔助完成，因此爐蓋不能完全封閉。

如使用密閉爐蓋冶煉工業(yè)硅，可設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，通過爐蓋內(nèi)的攝像頭觀察爐蓋內(nèi)料面的情況，一旦料面結(jié)殼，利用安裝在爐蓋內(nèi)部的全自動(dòng)搗爐機(jī)械設(shè)備進(jìn)行搗爐操作。但爐蓋頂部溫度為600～800 ℃，在刺火狀態(tài)下瞬間溫度達(dá)到1 200 ℃以上，且煙氣內(nèi)的SiO 發(fā)粘，容易附著在攝像頭上，影響攝像頭的成像，干擾冶煉操作，因此要采用有效措施清理監(jiān)控。

采用密閉爐蓋冶煉工業(yè)硅，也可以通過采用旋轉(zhuǎn)殼結(jié)構(gòu)的礦熱爐，使?fàn)t灶能松動(dòng)移向爐心，防止料面結(jié)殼。這樣煙氣逸出均勻，減少刺火等異常現(xiàn)象出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)煙氣的減量化和余熱充分回收[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，采用半密閉式爐型是由于工業(yè)硅生產(chǎn)過程料面結(jié)殼等特性決定，也是考慮設(shè)備材料耐溫性的綜合選擇。無論采用壓力調(diào)控，還是采用密閉爐型的方式實(shí)現(xiàn)煙氣減量化，都是冶煉工藝提升、生產(chǎn)自動(dòng)化程度提高和新型材料應(yīng)用的結(jié)果，僅通過操作調(diào)整一個(gè)環(huán)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)煙氣的減量化。在改善生產(chǎn)操作環(huán)境、減排二氧化碳的大背景下，提高工業(yè)硅生產(chǎn)自動(dòng)化水平，通過煙氣減量實(shí)現(xiàn)余熱回收、減少二氧化碳排放將是必經(jīng)的革新之路。