工業硅冶煉用除塵器全封閉改造實踐

王忠順， 鄭小寧

(新安硅材料(鹽津)有限公司， 云南 鹽津 657502)

0 概述

浙江新安化工集團股份有限公司全資子公司芒市永隆鐵合金有限公司(以下簡稱“芒市永隆”)共有四臺15 000 kVA工業硅冶煉爐，煙氣采用表面式U型管冷卻器+旋風除塵器+正壓式布袋除塵器處理后經在線監測并通過煙囪集中排放，正壓式布袋除塵器為現行工業硅冶煉行業通用的半封閉式大布袋正壓除塵。煙氣排放指標二氧化硫低于《大氣污染綜合排放標準》(GB 16297—1996)限值550 mg/m3、氮氧化物低于《大氣污染綜合排放標準》(GB 16297—1996)限值240 mg/m3、顆粒物低于《鐵合金工業污染排放標準》(GB 28666—2012)限值50 mg/m3。

2019年11月，芒市永隆對現有四臺15 000 kVA工業硅冶煉爐進行煙氣除塵系統改造并新建煙氣脫硫裝置，其中4#除塵器改造為全封閉型式。改造完成后，二氧化硫、氮氧化物、粉塵等煙氣污染物近一步降低。本文將對4#除塵器改造進行介紹。

1 工業硅冶煉工藝

芒市永隆工業硅生產采用電弧爐法，硅石、石油焦、洗精煤、木炭、木片通過自動配料系統，按一定的比例配成混合料，由加料車送至冶煉爐進行熔煉，達到出爐條件后開始出爐精煉，根據產品質量要求完成精煉后進行澆鑄、精整、破碎，最后包裝入庫。具體的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 芒市永隆工業硅生產工藝流程圖

2 改造前除塵裝置及系統運行方式

2.1 工業硅冶煉爐煙氣參數及特點

芒市永隆共有四臺15 000 kVA工業硅冶煉爐，單臺爐設計正常生產時煙氣量為30～35萬m3/h，但在特殊操作過程中煙氣量將異常增大，比如刺火、投料、搗爐、出料或爐況異常時，最大瞬間煙氣量可達40萬m3/h以上。

工業硅爐冶煉生產時爐氣穿過爐料層進入煙罩，與空氣接觸的CO燃燒后生成煙氣，煙氣量的大小及溫度的高低與混入空氣量的大小有直接關系。工業硅爐煙氣具有以下特點：

工業硅爐煙氣排放的周期性和規律性比較強，且煙塵濃度高時粉塵粒徑特別細，氣相級的二氧化硅屬于納米級材料，其比表面積巨大，易吸濕、吸油。而且當其溫度低于120 ℃時，容易在管道和風機葉片上二次結晶或板結，堵塞管網或導致風機葉片失去動平衡。

煙氣溫度很高。通常，爐面溫度在600 ℃左右，在煙罩頂部的集煙箱處溫度可達450～500 ℃，離集煙箱10米左右煙道內，其溫度仍可達到450 ℃。

煙塵具有二次燃燒性。工業硅煙塵主要成分為SiO2(俗稱硅微粉、氣相二氧化硅)和未燒盡的炭粉、木屑、焦油、煤粉、一氧化碳等可燃物，偶爾伴有微量還原成單質的硅、錳、鎂、鋁、磷等，均可在管道或除塵器內與氧氣充分二次燃燒或微爆，因此需要在除塵器前設置冷卻阻火裝置，煙道及冷卻器、旋風塔等設置泄爆閥。

煙塵具有二次結晶性。硅微粉在230 ℃以上呈游離態，不會結晶；一旦溫度低于120 ℃，會急劇結晶，并以極快的速度富集在低溫區，很容易將雜質、水、油一塊板結、結坨堵塞管道或濾袋。同時考慮到過高的溫度會直接影響濾袋的使用壽命，因此工業硅煙氣進入除塵器的溫度一般要求控制在150～200 ℃。

工業硅冶煉的副產物為微硅粉，硅微粉堆積密度為200～350 kg/m3，比表面積5 000～15 000，容易吸水、吸油而板結，運輸和儲存困難，需要加密裝置進行加密，便于運輸和儲存。經加密后硅微粉比重達800～1 000 kg/m3。

2.2 芒市永隆除塵系統介紹

芒市永隆四臺15 000 kVA工業硅冶煉爐均采用半封閉式正壓大布袋除塵器進行粉塵處理，工藝流程圖如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

冶煉爐的煙氣通過矮煙罩收集由煙道進行U型冷卻器，將溫度降低后進入旋風分離器，在旋風分離器內將粗顆粒的粉塵進行分離、收集，煙氣從旋風分離器的頂部通過除塵風機進入到除塵器內。煙氣進入除塵器各倉庫的布袋，從布袋內向布袋外流動，粉塵吸附在布袋內側，煙氣從布袋外側由煙道送入脫硫裝置處理后再經煙囪排放。當布袋內部的粉塵吸附到一定的量(或定時)時進行清灰，關閉進入該倉室的煙氣，由反吸風機將布袋內的灰吸到加密罐頂部的旋風分離器，利用重力的原理，灰落入密封罐內，煙氣重新回到布袋除塵器前端的旋風分離器進行循環。微硅粉在加密罐內通過加密風機將密度提升到800～1 000 kg/m3之間，然后進行裝袋入庫。

布袋除塵器尺寸為38 800×9 600 mm，高18 600 mm，內部倉室按對稱兩列各8個，共16個倉室布置，煙氣由除塵器兩側下部分別進入到各倉室內。每個倉室設有110條Ф300×10 000 mm的半覆膜布袋，共設了1 760條布袋。除塵器每個倉室之間無隔防擋板，是互通的，煙氣從布袋內向布袋外側流動后統一由布置在除塵器頂部的3 000×3 000 mm的煙囪排放。除塵器外殼及項部煙囪為彩鋼板結構，下部設置灰斗，在灰斗與除塵器箱體之間設置格柵式檢修通道，直接與大氣連通，形成半密封的狀態。除塵器箱體上部設有氣窗，當除塵器出現故障里可開啟氣窗排氣。

除塵器采用反吸清灰的方式進行清灰，即當需要進行清灰時，通過反吸風機把布袋內的灰吸到加密罐頂部的旋風分離器，灰進入到加密罐、煙氣重新回到除塵風機前端的旋風分離器。由于各倉室間是不隔離的，因此反吸風為其他倉室已過濾的煙氣，用以保持除塵器內部壓力平衡。進入除塵器的煙氣溫度為180～220 ℃，除塵器出口煙氣溫度為160～180 ℃。

煙氣經過除塵后，顆粒物指標控制在45 mg/m3左右，低于《鐵合金工業污染排放標準》(GB28666—2012)限值50 mg/m3的標準要求。

3 半封閉正壓大布袋除塵器存在的問題

半封閉正壓大布袋除塵器是目前工業硅冶煉行業較為流行的一種除塵方式，具有造價低、系統簡單、控制操作方便等優點。但該類型除塵器也存在著很大缺點，除塵效率能夠滿足現行要求，無繼續優化的空間；因結構型式為半封閉式，無法做到100%的集氣率；不符合環境保護的可持續發展的理念。

4 全封閉改造思路

為提升除塵效率、提高集氣率、降低粉塵排放指標，芒市永隆在建設脫硫項目時，提出進行除塵器的全封閉開改造，因全封閉的正壓大布袋除塵器目前在國內還沒有成熟的案例，因此本次改造以4#除塵器為試點。

本次改造的重點是將半封閉的型式改造成全封閉，由于需要在除塵器后端建設脫硫裝置，為確保煙氣順利進入脫硫裝置，需要在除塵器與脫硫裝置之間設置一臺脫硫增壓風機，形成了二級風機的形式。因此改造的難點是除塵器全封閉后除塵器內部各倉室的壓力平衡與前后風機如何實現風量的平衡，特別是各除塵倉室隔離后在全封閉的情況下如何觀察布袋破損及更換的問題。

根據上述的改造難點，芒市永隆提出改造思路如下：

保留原布袋除塵器主體結構及對原有的收塵、儲灰、反吸、除塵風機等系統進行利舊，仍然通過現有的反吸進行清塵，但為保持倉室的平衡需給每一個倉室增加循環風，形成清灰平衡系統。循環風清灰平衡系統工藝原理及流程為煙氣進入到單獨倉室通過布袋進行除塵，當需要清灰時，關閉該倉室的進煙氣閥門，使該倉室處于密封狀態。當打開反吸閥門進行清灰時，該封閉的倉室會處于負壓狀態。為平衡該倉室的壓力，從現有反吸風機的出口段引一循環風到各個倉室，當進行清灰時，同時打開反吸閥門與循環風的閥門，用來保持該倉室的壓力平衡。

為確保在全封閉狀態下對個倉室的監控，在每個倉室安裝壓力監測裝置，用于判斷布袋的破損泄漏點，便于快速確定破損布袋并進行更換。同時在除塵器頂部設置更換布袋的空間，在需要更換布袋時，關閉該倉室進煙氣閥及出煙氣閥，從人孔門進入到檢修空間進行布袋的更換。

圍繞二級風機對風量控制的難點，在控制上，增加前后風機風量的聯鎖，并選擇除塵器頂部匯風箱末端做為壓力平衡點，實現風量與風壓的平衡。同時為確保后端的脫硫增壓風機能夠100%抽盡前端的煙氣量，脫硫風機風量按除塵風機風量的120%選取，確保后端脫硫裝置的正常運行。

5 全封閉改造實施

除塵器結構改造：將除塵器四周、頂部彩鋼瓦全部更換為鋼板，在倉室內增加內隔板及頂板，箱體側板、內隔板、頂板全部采用4 mm厚Q235B鋼板。除塵器頂部進行集中集氣改造，按每兩組設置一個頂部集氣罩，所有集氣罩匯總到總煙道排到脫硫裝置進行脫硫處理。取消兩側與大氣連通的檢修平臺，實現全封閉狀態。

除塵清灰方式：從脫硫增壓風機的出口處增加一路清灰風，通過各個除塵倉室，并用氣動閥進行控制。清灰采用PLC系統進行自動控制，實現倉室進煙氣閥門、反吸閥門、清灰循環風閥門能夠同步動作，實現各倉室的壓力平衡，確保除塵器的結構安全。

為更好提高除塵效率，將除塵布袋由中堿玻纖濾袋調整為無堿玻纖覆膜濾料，進一步降低粉塵排放指標。

改造后除塵系統本體的工藝流程圖如圖3所示。

圖3 改造后除塵系統本體工藝流程圖

6 改造后運行指標

(1)改造后，通過168試運行后，對除塵器出口粉塵進行了檢測，平均顆粒物能夠達到1.63 mg/m3，遠低于標準值。

圖4 除塵后出口粉塵檢測指標圖

(2)由于本次改造，對每個除塵倉室進行了隔離，形成了單獨的倉室，在168試運期間，對每個倉室的壓力平衡進行了驗收與檢測。在清灰切換過程中，壓力能夠保持平衡，清灰效果良好，對比其他除塵器，日產微硅粉量基本一致。

7 結論

芒市永隆鐵合金有限公司4#冶煉爐除塵器的全封閉改造通過第三方檢測，排放指標遠遠低于《鐵合金工業污染排放標準》(GB28666—2012)的排放標準，改造成功。本次改造對當地的生態環境改善起了積極的作用，也對工業硅行業的起了良好的示范作用。