CN101251339B - SiC合成炉气体收集系统及气体收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SiC合成炉气体收集系统及气体收集方法，所述气体收集系统包括放置在SiC合成炉之上的用于气体收集的收集装置，用于移动收集装置的离合行走机构，设置在收集装置上的检测分析装置和均衡泄压装置，设置在SiC合成炉炉体四周与收集装置接触形成封闭空间的密封连接装置，密封连接装置和/或收集装置上设置有气体出口。SiC合成炉气体收集方法包括以下步骤：原料混合，装炉；收集装置到位，密封；空气置换；生产碳化硅；CO气体收集；停电冷却；延时收集气体；炉气置换；收集装置移出。采用该系统和方法有利于SiC合成炉气体的持续稳定回收，该系统占用空间小，对生产场地要求较低，可同时满足露天和室内生产要求。

Description

SiC合成炉气体收集系统及气体收集方法

技术领域

本发明涉及一种气体收集系统和气体收集方法，特别是一种SiC合成炉气体收集系统及气体收集方法。

背景技术

在生产SiC的同时，伴生大量的副产品——以CO为主要成分的气体，以下简称SiC炉气。该气体具有产量大(生产1吨SiC产CO气体约1.4吨)、纯度高(CO含量可达96％)、气量稳定(随冶炼时间变化较小)等特点。由于认知水平、技术状况和投资障碍等多种因素所限，工业生产中将其作为废气燃烧掉，以CO₂等温室气体形态排入大气。显然，燃烧排放该气体既要付出较大的环境代价，同时也浪费了可资利用的易得能源。研究表明，经简单净化工艺处理，便能用来生产甲醇、醋酸等几乎所有的基础有机化学产品；即使不做任何处理，亦可用作工业或者民用燃料。比如用来发电，可使SiC生产能耗降低20％-25％。按全国目前SiC产能粗略估算，回收利用可新增100多亿元的新增效益。而且能够使SiC企业的生产环境得到较大改善，社会效益不可估量。

世界范围内有关SiC合成炉气体回收利用的报道并不多见。德国ESK公司曾最早报道过SiC炉气的收集利用技术。他们采用一种高分子PE材料做成气体收集包，将露天冶炼的大型炉罩住进行气体收集。用粉状材料堆压密封，收集气体用于发电。据报道可节电20％左右。继德国之后，日本制造了一种自带动力的钢制罩体收集SiC炉气。其特点在于装置自带动力，便于在发生喷炉后及时打开排气口，防止烧坏收集装置。该装置占地面积大，制造费用高，使用时污染较大。国内相关研究报道甚少。90年代初期，有关企业发布了“SiC合成炉炉气回收”的招商信息，未曾得到市场回应。倪长贺于1998年和2005年申请了“冶炼碳化硅的炉气回收装置”专利(专利号：98114279.6)和“生产碳化硅时的气体收集装置”(专利申请号：200510046410.0)，两项专利内容比较接近，在合成炉上方及四周设置一封闭的炉罩进行气体收集，但具体使用安装较困难。

众多已知技术中，无论是钢制罩体还是PE密封包技术最终未能在SiC工业生产中定型和推广应用。日本技术虽然认识了传统冶炼SiC工艺喷炸炉发生的必然性，采取自带动力及时打开收集装置试图避免烧坏收集装置。该收集系统占地面积大，制造费用高，使用不方便。但由于喷炉发生的随意性，使得预防和消除其危害的各种方法毫无规律可循，难以奏效，所以未见实际使用的成功报道。

冶炼碳化硅的传统方法是Acheson法，已经使用了近百年而且现在仍在使用。该方法的最大缺点是温度场的非均匀性导致经常发生喷炉炸炉事故，使得自上世纪以来，世界范围内所有的碳化硅合成炉气体收集技术的实施受到根本性限制，几乎无一能够实现产业化和持续发展。中国是全球最大的SiC生产大国。截至目前，没有一项成熟技术和相应装备应用于SiC炉气收集的。可见，无论是德国、日本还是国内，虽经多年努力，但均未使SiC冶炼产生的气体收集技术得到推广和持续应用，皆归因于此。

王晓刚发明了“冶炼碳化硅的多炉芯炉及其生产碳化硅的方法”专利技术(专利号：ZL01132774.X)，成功地解决了Acheson法喷炉难题。该专利在国内技术转化先后建成SiC生产线12条。至今运行，取得了良好的经济和社会效益。其技术的核心在于，采用多炉芯炉冶炼SiC，通过多热源温度场之间的叠加，降低合成炉内的温度梯度，增加温度场均匀性，从而改善了炉内气态物质压力分布的均匀性，避免局部压力过高穿透料层发生喷炉事故。该技术的成功运用，使得SiC炉气收集技术的实施成为现实。

现有技术需要解决气体安全、有效的回收和收集装置安装困难的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种占用空间小，对生产场地要求较低，安全可靠，可有效回收CO的SiC合成炉气体收集系统及气体收集方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种SiC合成炉气体收集系统，所述气体收集系统包括放置在SiC合成炉之上的用于气体收集的收集装置，设置在SiC合成炉两端的用于移动收集装置的离合行走机构，设置在收集装置上的检测分析装置和均衡泄压装置，设置在SiC合成炉炉体四周与收集装置接触形成封闭空间的密封连接装置，密封连接装置和/或收集装置上设置有气体出口。

本发明所述收集装置包括收集罩壳，设置在SiC合成炉两侧的轨道，设置在罩壳两侧下端可在轨道上行驶的车轮，设置在车轮内侧或外侧的与收集罩壳封闭连接的密封裙。该密封裙为柔性复合物或刚性金属材料，密封裙和密封水槽相对应可以设置在车轮内侧或车轮外侧。

本发明所述收集罩壳为刚性罩壳、柔性罩壳或刚性与柔性结合的罩壳。

本发明所述密封连接装置为设置在SiC合成炉端部的、使收集装置移动到SiC合成炉上时形成封闭连接的密封墙体和设置在密封墙体以外、SiC合成炉周围用于配合收集装置隔离外部空气的水封槽。

本发明所述密封墙体设置在SiC合成炉一端或两端，收集装置和密封墙体之间采用弹性密封胶垫进行密封。

本发明所述离合行走机构为设置在SiC合成炉炉体两端方向的轮轴和导向轮以及连接轮轴、导向轮和收集装置的牵引绳。

本发明所述检测分析装置为气体检测装置、与气体检测装置连接的控制器和与控制器连接的充气风机；所述气体检测装置为氧气含量检测装置和一氧化碳含量检测装置。

本发明所述均衡泄压装置为安装在收集装置内表面的用于检测所收集气体压力的压力检测装置，与压力检测装置连接的泄压阀门和排风机；

本发明的另一目的是提供一种SiC合成炉气体收集方法，该方法包括以下步骤：

1)SiC合成原料混合配制，装入SiC合成炉；

2)将收集装置平移到SiC合成炉炉体上端，收集装置和密封连接装置连接形成封闭空间；

3)供电前期，向收集装置内充入惰性气体，强制排挤收集装置内的空气；或者在通电后，利用SiC合成炉炉内产生的炉气自然排赶装置内空气，进行空气置换；当收集装置内O₂浓度小于12.5％时，完成空气置换；

4)对SiC合成炉供电生产碳化硅；

5)在碳化硅的生产过程中通过气体出口对CO气体进行收集；

6)对SiC合成炉停止供电；

7)对SiC合成炉停炉冷却，同时延时收集气体，进行炉气置换，炉气置换采用冷炉空气吹扫或热炉充惰方式进行置换，当收集装置内CO浓度小于12.5％时，完成炉气置换；

8)将收集装置移出；

9)将碳化硅出炉。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)采用与本SiC合成炉气体收集方法，能够确保SiC炉气回收装置安全可靠地运行。工艺制度如下：

A 供电制度：在开始供电前期，结合气体置换，采用半功率供电，使炉内残留空气和炉料中的水蒸气等充分排出。冶炼阶段恒定满功率供电直到冶炼结束。

B 空气置换制度：供电前需将收集装置内的空气置换排出。采用惰性气体强制置换和炉气排挤自然置换两种方法，均以O₂极限为依据决定置换是否完成。若自然置换时间合宜，O₂含量不超限，可不进行强制充惰置换。

C 压力检测炉气排放制度：供电前期(置换阶段)结束后进入满功率冶炼，正常炉气回收阶段。此时自动检测炉气压力，控制风机排气操作，保持收集装置内气体压力恒定(380-500毫米水柱)。

2)收集装置构造不同。本装置采用金属和柔性两种材料制作，以实现独特的密封结构和水平移动的离合方式，同时满足露天和室内冶炼要求。日本及国内专利介绍用金属做收集棚壳收集装置，依靠行车吊动，高度受限制。德国ESK公司采用有机材料制作收集装置重量最轻，但是密封方式比较原始，存在二次污染和难以进一步应用的根本缺陷。

3)与炉子结合分离方式不同。本技术在地面设置轨道，水平运动实现装置与炉体的结合与分离。轨道在跨越水封沟槽时断开，以便使密封裙连续。装置经过轨道断开处时，经过宽度设计合理的断口，可平稳行走。国内外其他技术是固定安装形式；倪长贺专利利用车间吊车安装罩体，属于垂直安装方式。受车间高度限制收集罩不能超过行车吊钩最高高度，因此甚至不能避免小型顶部喷炉所造成的损坏。

4)密封方式不同。本技术采用水封与钢制沟槽(弹性密封胶垫)压力密封相结合的密封方式。国内外相关技术的密封结构全都属于固定安装形式，密封结构简单，密封难度相对较大。本技术水封结构的不同之处是，在收集装置底部安装上柔性或刚性密封裙，通过密封裙伸入水封沟槽中，形成密封界面。该密封结构属于活动密封形式，使得装置不受炉子大小、车间高度、室内室外等多种因素的限制。我国倪长贺的密封方式是整个罩棚进行水封，属于固定密封形式。这种密封决定了装置只能以竖直运动的方式与冶炼炉结合与分离。因此无法克服天车高度对收集装置的限制，从而难以在大型炉上使用。德国ESK公司采用废料(SiC生产时的现有的粉状炉料)堆压在收集包的底沿，形似沙丘，将包底边与炉床底压紧密封。这种密封方式尝试于全球工业水平尚不发达的上世纪中叶，比较原始。生产时虽然回收了SiC炉气，但在堆沙密封的过程中，粉料装载转运量很大，由此带来的扬尘污染对生产环境危害更大。加之没有从根本上解决喷炉预防问题，导致该技术不能最终定型和推广。

本案与国内外SiC炉气收集系统的主要特性及优点列于下表：

特征\所属	日本	德国	中国(倪长贺)	本案
					装置材料	钢制罩体	PE塑料包	金属或软物质	刚性罩壳、柔性罩壳或刚性与柔性结合罩壳+刚性或柔性密封裙
密封结构	压紧固定	堆沙压紧密封	水密封	水密封+压紧密封
					离合动力	天车吊运	天车或其它设备	天车吊运	系统自身动力
收集装置形状	钟罩状	包状	钟罩状	隧道状
					就位移动方向	竖直	竖直	竖直	水平
受车间高度限制	是	是	是	否

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明收集系统俯视图。

图2为本发明检测分析装置和均衡泄压装置的结构示意图。

图3为本发明密封结构的安装示意图。

图4为本发明气体收集方法流程图。

图5为本发明离合行走机构的结构图。

附图标记说明：

1-离合行走机构；    2-收集罩壳；        3-炉体；

4-钢丝绳；          5-轮轴；            6-导向轮；

7—泄压阀门；       8-排气风机；        9-压力检测装置；

10-气体检测装置；   11-控制器；         12-收集装置；

13-充气风机；       14-装置骨架；       15-车轮；

16-轨道；           17-密封板；         18-密封裙；

19-密封水槽；       20-收集装置内部；   21-密封墙体；

22-排气孔；         23-气体出口。

具体实施方式

如图1所示，一种SiC合成炉气体收集系统，所述气体收集系统包括放置在SiC合成炉之上的用于气体收集的收集装置12，与收集装置12连接的离合行走机构1，设置在收集装置12上的检测分析装置和均衡泄压装置，设置在SiC合成炉炉体3四周与收集装置12接触形成封闭空间的密封连接装置。

收集装置12：包括收集罩壳2和密封裙18，SiC合成炉两侧安装有轨道16，收集罩壳2两侧下端安装车轮15，使收集罩壳2在轨道16上往复行驶，收集罩壳2下端设置密封裙18，密封裙18与收集罩壳2紧密连接。

如图5所示，离合行走机构1使收集罩壳2沿轨道16滑动，承担收集装置12与炉体3之间的结合、分离操作。炉体3两端分别设置有轮轴5和导向轮6，轮轴5上缠绕的钢丝绳4通过导向轮6的方向转换，再连接到收集罩壳2。在装出炉作业时，离合行走机构1中左边的轮轴5作主动轮，顺时针方向旋转(右边轮轴逆时针旋转)，收集装置12向左移动与炉体3分离。冶炼开始前，离合行走机构1右边的轮轴5作为主动轮，顺时针旋转，带动收集装置12向右移动到炉体3上与炉体3结合、密封连接进行炉气收集。

检测分析装置：如图2所示，包括与收集装置12连接的用于检测收集装置12内气体的气体检测装置10、与气体检测装置10连接的控制器11、与控制器11连接的充气风机13；所述气体检测装置10包括氧气含量检测装置和一氧化碳含量检测装置。氧气含量检测装置和一氧化碳含量检测装置分别为CO检测分析仪器和O₂检测分析仪器。

均衡泄压装置：如图2所示，包括安装在收集装置12内表面的用于检测所收集气体压力的压力检测装置9，压力检测装置9一端连接泄压阀门7和排气风机8。压力检测装置9包括压力传感器和显示仪表。

在SiC冶炼过程中，CO是连续生成的。因此收集装置12内气体只有在一定的排气速度下才能保持一定压力，SiC合成炉的产气量与收集装置12的排气量之差恒定时，气体的压力才能保持一定。排气速度小则气体压力大，反之则气体压力小。研究表明，比较合理的SiC炉气相对压力为：380-500毫米水柱。为稍大于外界大气压的正压力。较小的气体压力，可以减小密封裙承受的张力，同时也可降低其他部位的密封难度。内部气体保持正压，可阻止外部空气渗漏“倒流”进入，保证了气体的安全性。

密封连接装置：如图1所示，SiC合成炉设置密封墙体21，收集罩壳2移动到SiC合成炉炉体3上方时和密封墙体21接触并封闭连接，除密封墙体21以外SiC合成炉周围设置密封水槽19，用于将密封裙18插入密封水槽19中将收集装置12内部气体与外部空气隔离。收集装置12顶部安装有排气孔22，排气孔22连接管道接通排气风机8，用于压力增大时泄压。收集罩壳2和密封墙体21之间采用弹性密封胶垫进行密封。

密封水槽19和密封裙18可以相对应的设置在轨道16的内侧或外侧，如图3中所示密封水槽19即是设置在轨道16外的方案。密封裙18在收集罩壳2移动时提起离开地面，收集罩壳2就位后插入密封水槽19中。

另一端，收集罩壳2与密封墙体21的连接。收集罩壳2与密封墙体21通过弹性密封胶垫实现快速密封。

密封墙体21和收集罩壳2上设置有气体出口23。

密封结构：收集装置12位于SiC合成炉的上方，呈隧道状将炉体3罩住，其底部与炉床之间密封后进行气体收集。本实施例是将收集装置12的两个侧部和一个端部与炉体3采用水封结构密封。方法是，在炉长方向的两侧设置两道密封水槽19。该密封水槽19与一个炉端外的相同截面密封水槽19连通，形成“U”字形密封水槽19。由安装在收集装置12下部的密封裙18插入U形密封水槽19中将收集装置12内部气体与外部空气分离开来。在炉体3的另一端设置独立密封墙体21。收集装置12一端与密封墙体21上的钢制密封槽配合，加弹性密封胶垫，并且使收集装置12上的密封裙18与之压紧，从而实现收集装置12与整个炉体3的密封。

如图3所示，收集罩壳2为钢制装置骨架14，装置骨架14上安装密封板17，收集罩壳下端为车轮15，车轮15在轨道16上运动，装置骨架14外端覆盖有密封裙18，对收集装置内部20的气体收集时将密封裙18放入密封水槽19。

本实施例收集罩壳2为钢制框架罩壳。

SiC炉气中气体的主要成分是CO，同时含有少量的H₂和CH₄等气体中各成分含量因煤种而异，其中CO含量约60％～92％，H₂约10％～20％，CH₄约5％～15％。三种气体均为易燃易爆气体，三者在空气中的爆炸极限(体积百分比)分别为12.5％～76％、8.27％～68.8％和6.3％～12.8％。SiC合成炉在供电前，集气空间完全被空气充斥。供电开始后，炉内物料温度逐渐上升，碳质原料中的挥发组份逸出，此时集气空间气体有空气、挥发组分及少量CO。随冶炼时间延长，空气比例下降，合成气体比例上升，最终前者被后者完全置换。供电结束后，随着炉内气体的排出，炉内压力慢慢减小，当SiC合成炉内压力降为负压后，会有少量空气混入，最终空气会占据炉内整个空间。因此在冶炼初期和停止供电后的一段时间是气体安全收集的关键环节。本技术在冶炼初期和停止供电后皆采用气体置换。供电前置换旨在排除收集装置12内的空气，供电后置换旨在排除收集装置12内炉气。

气体收集的工艺过程：碳化硅冶炼是间歇性的，装炉-供电冶炼-停电冷却-出炉为一个完整周期，如此循环。在冶炼阶段产生CO气体，并予以收集。

本实施例采用防喷炸炉的多炉芯炉进行生产，解决了气体的有效回收和保证高质量产品生产。

如图4所示，SiC合成炉气体收集的方法，包括以下步骤：

1)SiC合成原料混合配制，装入SiC合成炉；

2)将收集装置12平移到炉体3上端，密封裙18深入密封水槽19中，收集罩壳2和密封墙体21密封面封闭连接；

3)供电前期，向收集装置内充入惰性气体，强制排挤收集装置内的空气；或者在通电后，利用SiC合成炉炉内产生的炉气自然排赶装置内空气，进行空气置换；当收集装置内O₂浓度小于12.5％时，完成空气置换；

4)对SiC合成炉供电生产碳化硅；

5)在碳化硅的生产过程中通过气体出口23对CO气体进行收集；

6)对SiC合成炉停止供电；

7)对SiC合成炉停炉冷却，同时延时收集气体，进行炉气置换，炉气置换采用冷炉空气吹扫或热炉充惰方式进行置换，当收集装置内CO浓度小于12.5％时，完成炉气置换；热炉充惰为SiC合成炉未冷却时即充入惰性气体进行炉气置换，冷炉空气吹扫为SiC合成炉冷却后充入空气进行炉气置换；

8)将收集装置12移出；

9)将碳化硅出炉。

Claims (8)

1.一种SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述气体收集系统包括放置在SiC合成炉之上的用于气体收集的收集装置，设置在SiC合成炉两端的用于移动收集装置的离合行走机构，设置在收集装置上的检测分析装置和均衡泄压装置，设置在SiC合成炉炉体四周与收集装置接触形成封闭空间的密封连接装置，密封连接装置和/或收集装置上设置有气体出口；所述收集装置包括收集罩壳，设置在SiC合成炉炉体两侧的轨道，设置在收集罩壳两侧下端在轨道上行驶的车轮，设置在车轮内侧或外侧的与收集罩壳封闭连接的密封裙。

2.根据权利要求1所述的SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述收集罩壳为刚性罩壳、柔性罩壳或刚性与柔性结合的罩壳。

3.根据权利要求1或2所述的SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述密封连接装置为设置在SiC合成炉端部的、使收集装置移动到SiC合成炉上时形成封闭连接的密封墙体，以及设置在密封墙体以外、SiC合成炉周围的用于配合收集装置隔离外部空气的水封槽。

4.根据权利要求3所述的SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述密封墙体设置在SiC合成炉炉体一端或两端，收集装置和密封墙体之间采用弹性密封胶垫进行密封。

5.根据权利要求1所述的SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述离合行走机构为设置在SiC合成炉炉体两端方向的轮轴和导向轮以及连接轮轴、导向轮和收集装置的牵引绳。

6.根据权利要求1所述的SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述检测分析装置为气体检测装置、与气体检测装置连接的控制器和与控制器连接的充气风机；所述气体检测装置为氧气含量检测装置和一氧化碳含量检测装置。

7.根据权利要求1所述的SiC合成炉气体收集系统，其特征在于：所述均衡泄压装置为安装在收集装置内表面的用于检测收集气体压力的压力检测装置，与压力检测装置连接的泄压阀门和排风机。

8.根据权利要求1所述收集系统进行气体收集的方法，该方法包括以下步骤：

1)SiC合成原料混合配制，装入SiC合成炉；

2)将收集装置平移到SiC合成炉炉体上端，收集装置和密封连接装置连接形成封闭空间；

3)供电前期，向收集装置内充入惰性气体，强制排挤收集装置内的空气；或者在通电后，利用SiC合成炉炉内产生的炉气自然排赶装置内空气，进行空气置换；当收集装置内O₂浓度小于12.5％时，完成空气置换；

4)对SiC合成炉供电生产碳化硅；

5)在碳化硅的生产过程中通过气体出口对CO气体进行收集；

6)对SiC合成炉停止供电；

7)对SiC合成炉停炉冷却，同时延时收集CO气体，进行炉气置换，炉气置换采用冷炉空气吹扫或热炉充惰方式进行置换，当收集装置内CO浓度小于12.5％时，完成炉气置换；

8)将收集装置移出；

9)将碳化硅出炉。

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