CN101538041B

CN101538041B - CO燃烧复用式SiC冶炼炉

Info

Publication number: CN101538041B
Application number: CN2008100493910A
Authority: CN
Inventors: 吕孟让
Original assignee: 吕孟让
Current assignee: HENAN XINDAXIN MATERIALS CO., LTD.
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: CN101538041A

Abstract

CO燃烧复用式SiC冶炼炉，空气先后经低噪音空气增压机、空气燃气逆流换热器增压升温到引射器与工作过程中所生经过集气罩收集的CO一同到燃烧室会和燃烧，高温烟气到前集箱分配到多根燃气反应料换热器内向反应料放热(电阻炉芯可同时或分步工作)，之后经后集箱集中到空气燃气逆流换热器向已被增压的空气逆流放热，再经燃气清水逆流换热器向清水放热，至此已为排烟除尘创造了必要的低温条件，经过除尘器滤除(可复用的)粉尘，然后经引风机排出。本冶炼炉以在现有设备基础上新增最少的投资，将CO及其它可燃气变害为宝并高效、高品位利用，大幅节省了电能；粉尘回收得以复用；并使炉中反应料内均匀高温(低温度梯度、低热流)区增加而致SiC产品大幅提质增产；同时可得生产用热水；也消除了设备运行时废气、粉尘对环境的污染。

Description

CO燃烧复用式SiC冶炼炉

技术领域 CO燃烧复用式SiC冶炼炉，属于化工领域。本冶炼炉以在现有设备基础上新增最少的投资，将CO及其它可燃气变害为宝并高效、高品位利用，大幅节省了电能；粉尘回收得以复用；并使炉中反应料内均匀高温(低温度梯度、低热流)区增加而致SiC产品大幅提质增产；同时可得生产用热水；也消除了设备运行时废气、粉尘对环境的污染。是一种节能环保的先进新型SiC冶炼炉。

背景技术 SiC是一种强共价键化合物，具有优异的高温强度、耐磨性、耐腐蚀性，作为结构材料广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域，利用其高热导、高绝缘性，在电子工业中作大规模集成电路的基片和封装材料，在冶金工业中作高温热交换材料和脱氧剂，尤其在磨料、耐火材料与炼钢脱氧剂方面用量十分巨大。此外，利用其一些特殊的性能，在结构陶瓷等一些新技术领域中也得到了应用。工业生产SiC的主要方法是Achson式固相法，产量超过总产量的90％，液相法和气相法仍处于研究开发阶段。SiC生产是一项高耗能、高污染工业，例如用500kVA的冶炼炉炼制1吨绿SiC约耗电12000度，1吨黑SiC约耗电10000度。即使改进技术大幅度提高单炉生产规模，用3600kVA冶炼炉炼制1吨SiC仍约耗电近万度，而每生产1吨SiC放出有害气体1.6～1.7吨。此外还有大量的粉尘污染，并且需要大量的劳动力。因此，欧美的发达国家如美国、德国、意大利和亚洲的日本等，尽管用量不断加大，但除大力开发高性能SiC材料外，其普通SiC生产持续降低，代之以从国外进口。中国、巴西和委内瑞拉等发展中国家的初级SiC产量已占全世界的65％以上。SiC是我国的传统工业产品，其产量和用量都很大，据1988年Mitchell Market Reports，我国产量约有380 000吨。近年来黄河上游的甘肃、宁夏等省份由于具有丰富的水电、火电资源和优质的原材料，SiC厂家就如雨后春笋，SiC工业已成为该地区支柱产业之一。重视SiC工业的环境问题，加强对其认真研究，在我国具有重要的经济和社会效益。

SiC生产通常以石英沙、石油焦或无烟煤为主要原料，在备料工序中经机械加工成合适的粒度，按化学计算混合成炉料。经原料破碎→配重混合→装炉制炼→出炉分级→粉碎酸洗→磁选后筛分等工艺制成SiC成品。关于SiC的形成反应过程，目前认识仍不统一尚有不同见解，但最终总体反应方程式都是：

SiO₂+3C→SiC+2CO

即无论反应怎样进行，3molC与1molSiO₂生成1molSiC与2molCO的反应关系是一致的，这也是炉料计算的唯一基础。根据(1)式按重量折算，每吨SiC的形成伴随着产生1.4吨CO，另外石油焦或无烟煤视其等级不同，含有5～15％的挥发分；此外为增强炉料的透气性并补充C源，炉内还加有碎木屑，其挥发分占55～70％。除炉外低温区极少一部分外所有挥发物质都将气化放出。反应初期挥发分形成的气体比例大些，制炼后期，温度场稳定后，炉气几乎全是CO。SiC炉内的反应是气态的SiO₂与固态C之间的反应，SiC结晶聚集也是从气态凝结成固态。炉内最主要的气体成分是CO，其余为SiO、SiO₂、SiC、食盐等的蒸气。

SiC工业生产中存在严重的能源浪费和环境污染问题。

1.1毒气 SiC制炼车间内的气氛含有大量CO和各种挥发分燃烧而形成的CO₂，同时还有少量SO₂、H₂S和硫醇类物质，因而呈弱酸性，伤害工人身体健康，而且对久置于制炼间的植物纤维、铝材、钢材等也有一定腐蚀作用。

1.2粉尘同时，现用SiC冶炼炉在运行过程中还有大量粉尘逸出，严重地污染环境。

1.3耗能大如前所述，SiC生产耗能极大，目前国内先进水平约为7000～7500kWh/t，国外先进水平约为6200～6500kWh/t。产品成本中最重要的因素就是电能消耗，即使是对SiC进行一定程度的深加工如生产SiC微粉的厂家其电能消耗仍占全部成本的80％以上。显然，节约能耗、提高产率对SiC生产厂家具有极大的吸引力，不仅经济效益显著而且环境社会效益尤为显著。

CO在常温常压下为无色、无臭、无味、无刺激性的窒息性气体。空气中可燃，燃烧时发出蓝色火焰。与空气混合形成爆炸性混合物。与酸、碱和水不起反应。在高温高压下，与铁铬镍等金属反应生成羰基金属，与氯结合形成光气，与羰基金属结合形成羰基金属化合物。CO具有还原作用，在室温下有锰及铜的氧化物混合存在时，CO可氧化成CO₂，有一种防毒面具就是利用这种原理的。CO是有毒气体，它是在没有任何刺激的情况下进入人体慢慢引起中毒。这时，人不仅感觉不到而且还有某种快感，所以它更是危险可怕的气体。它微溶于水，易溶于盐酸、氨水和氯化亚铜溶液，也溶于乙酸乙酯、三氯甲烷、乙酸等有机溶剂。

CO的利用，大致有两个方面：1.原料，利用CO可以生产多种高附加值的精细化工产品如醋酸、醋酐、甲酸、二甲基甲酰胺、碳酸二甲酯、光气(进一步合成TDI、MDI)等，是提高化工厂经济效益的重要途径。但这些产品的合成都需要高纯度的CO，因此获得高纯CO是生产这些产品的关键之一。2.燃料，1)、压缩装罐；2)、管道输出；3)、就地高效燃用。就SiC冶炼炉而言，CO做为就地高效燃用的燃料更为合理。

发明内容本发明的主要任务是：在现有设备基础上新增最少的投资，将CO及其它可燃气变害为宝并高效、高品位利用；粉尘回收得以复用；并使炉中反应料内均匀高温(低温度梯度、低热流)区增加而致SiC产品大幅提质增产；同时可得生产用热水；也要消除设备运行时废气、粉尘对环境的污染。

为完成以上任务，本发明的技术解决方案是：CO燃烧复用式SiC冶炼炉，在现SiC冶炼炉的基础上，新增了低噪音空气增压机(1)、空气燃气逆流换热器(2)、引射器(3)、燃烧室(4)、集气罩(5)、前集箱(6)、燃气反应料换热器(7)、后集箱(8)、燃气清水逆流换热器(9)、除尘器(10)、引风机(11)、控制器(12)等设备；空气先后经低噪音空气增压机(1)、空气燃气逆流换热器(2)增压升温到引射器(3)与工作过程中所生经过集气罩(5)收集的CO一同到燃烧室(4)会和燃烧，高温烟气到前集箱(6)分配到多根燃气反应料换热器(7)内向反应料放热(电阻炉芯可同时或分步工作)，之后经后集箱(8)集中到空气燃气逆流换热器(2)向已被增压的空气逆流放热，再经燃气清水逆流换热器(9)向清水放热，至此已为排烟除尘创造了必要的低温条件，经过除尘器(10)滤除(可复用的)粉尘，然后经引风机排出；控制器(12)的CO传感器(12.2)测定燃气浓度，温度传感器(12.3、12.4)测定燃气、空气温度，经单片机(12.1)计算后发出信号到执行器(12.5、12.6)控制低噪音空气增压机(1)、引风机(11)的转速。本冶炼炉以在现有设备基础上新增最少的投资，将CO及其它可燃气变害为宝并高效、高品位利用，大幅节省了电能；粉尘回收得以复用；并使炉中反应料内均匀高温(低温度梯度、低热流)区增加而致SiC产品大幅提质增产；同时可得生产用热水；也消除了设备运行时废气、粉尘对环境的污染。

CO燃烧复用式SiC冶炼炉的第二特点是燃气反应料换热器(7)以石墨制成内凸凹(7.1)筒型，以增强燃气向内表面的换热，内表面涂覆耐火材料(7.2)以防燃气中的残余氧化剂(如O₂)对其内表面的腐蚀并复生CO。

CO燃烧复用式SiC冶炼炉的第三特点是引射器(3)以耐火材料制成多喷口(3.1)以增强空气对燃气的引射及燃气与空气的混合效果，外敷保温材料以减小热能损耗和对环境的热污染。

CO燃烧复用式SiC冶炼炉的第四特点是燃烧室(4)以耐火材料制成，内设耐火质旋流器(4.1)以增强燃气和空气的混合效果和保证及时引燃混合气，外敷保温材料以减小热能损耗和对环境的热污染。

CO燃烧复用式SiC冶炼炉的第五特点是集气罩(5)将反应料密闭包覆起来，并留有相应的气流通路，其集气作用发挥的同时，也产生了对冶炼炉外壁面的保温作用。

CO燃烧复用式SiC冶炼炉的第六特点是低噪音空气增压机(1)选用容积式涡旋风机(1.1)，以便用变频器(1.2)改变其转速而正比控制空气流量。

附图说明如图1为CO燃烧复用式SiC冶炼炉的系统示意；图2为燃气反应料换热器(7)的结构形式；图3是引射器(3)及其喷口(3.1)的结构形式；图4是燃烧室(4)及其旋流器(4.1)的结构形式。

具体实施方式 CO具有可燃性和还原性，因此CO能与氧气反应，也能与氧化铜等金属氧化物反应。要CO完全反应，CO与O₂之间的质量比是7∶4，体积比为2∶1。由CO燃烧的化学方程2CO+O₂＝＝2CO₂+及氧气在空气中所占21％的份额，知同温下CO的体积流量与空气的体积流量比约为：

ζ = \frac{2}{1 \times \frac{100}{21}} \approx 0.42

故可以用加压、加温的空气引射较高温度的CO(混有少量其它可燃气体)，并可通过调整低噪音空气增压机(1)、引风机(11)的转速跟踪CO的产速和氧气燃料比。

在燃烧开始之前，空气已被加热，燃气温度也较高，其混合燃烧的基础温度可以控制在较高水平，CO的燃烧热约为283.0kJ·mol^-1，CO的产速和氧气燃料比的合理值域，使得燃烧之后的燃气温度被控制在最佳值域。

除尘器(10)以布袋滤尘方式。

该CO燃烧复用式SiC冶炼炉的运行，将CO及其它可燃气变害为宝并高效、高品位利用，大幅节省了电能；粉尘回收得以复用；并使炉中反应料内均匀高温(低温度梯度、低热流)区增加而致SiC产品大幅提质增产；同时可得生产用热水；也消除了设备运行时废气、粉尘对环境的污染。可见，CO燃烧复用式SiC冶炼炉是一种环保、高效的新型实用设备。

Claims

1.CO燃烧复用式SiC冶炼炉，在现SiC冶炼炉的基础上，新增了低噪音空气增压机(1)、空气燃气逆流换热器(2)、引射器(3)、燃烧室(4)、集气罩(5)、前集箱(6)、燃气反应料换热器(7)、后集箱(8)、燃气清水逆流换热器(9)、除尘器(10)、引风机(11)、控制器(12)；空气先后经低噪音空气增压机(1)、空气燃气逆流换热器(2)增压升温到引射器(3)与工作过程中所生经过集气罩(5)收集的CO一同到燃烧室(4)汇合燃烧，高温烟气到前集箱(6)分配到多根燃气反应料换热器(7)内向反应料放热，之后经后集箱(8)集中到空气燃气逆流换热器(2)向已被增压的空气逆流放热，再经燃气清水逆流换热器(9)向清水放热，至此已为排烟除尘创造了必要的低温条件，经过除尘器(10)滤除粉尘以便复用，然后经引风机排出；控制器(12)的CO传感器(12.2)测定燃气浓度，第一温度传感器(12.3)、第二温度传感器(12.4)测定燃气、空气温度，经单片机(12.1)计算后发出信号到第一执行器(12.5)、第二执行器(12.6)控制低噪音空气增压机(1)、引风机(11)的转速；本冶炼炉以在现有设备基础上新增最少的投资，将CO及其它可燃气变害为宝并高效、高品位利用，大幅节省了电能；粉尘回收得以复用；并使炉中反应料内均匀高温区域增加而致SiC产品大幅提质增产；同时可得生产用热水；也消除了设备运行时废气、粉尘对环境的污染。

2.根据权利要求1所述CO燃烧复用式SiC冶炼炉，其特征在于燃气反应料换热器(7)以石墨制成内凸凹(7.1)筒型，以增强燃气向内表面的换热，内表面涂覆耐火材料(7.2)以防燃气中的残余氧化剂对其内表面的腐蚀并复生CO。

3.根据权利要求1所述CO燃烧复用式SiC冶炼炉，其特征在于引射器(3)以耐火材料制成多喷口(3.1)以增强空气对燃气的引射及燃气与空气的混合效果，外敷保温材料以减小热能损耗和对环境的热污染。

4.根据权利要求1所述CO燃烧复用式SiC冶炼炉，其特征在于燃烧室(4)以耐火材料制成，内设耐火质旋流器(4.1)以增强燃气和空气的混合效果和保证及时引燃混合气，外敷保温材料以减小热能损耗和对环境的热污染。

5.根据权利要求1所述CO燃烧复用式SiC冶炼炉，其特征在于集气罩(5)将反应料密闭包覆起来，并留有相应的气流通路，其集气作用发挥的同时，也产生了对冶炼炉外壁面的保温作用。

6.根据权利要求1所述CO燃烧复用式SiC冶炼炉，其特征在于低噪音空气增压机(1)选用容积式涡旋风机(1.1)，以便用变频器(1.2)改变其转速而正比控制空气流量。