CN114226066B - 一种从尾气中回收再利用SiO2粉末的方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法及装置。该尾气SiO₂粉末回收装置，包括：双通道烟道，静电集尘网，振动除尘器，风速探测器，烟道挡板，SiO₂粉末收集池；通过静电集尘方法回收尾气中的SiO₂粉末，得到高纯SiO₂粉末。该从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括利用所述尾气SiO₂粉末回收装置，从尾气中回收得到高纯SiO₂粉末，然后将该高纯SiO₂粉末压制并高温固结为透明石英玻璃体。本发明通过收集尾气中高纯SiO₂粉末提高了硅原材料的利用率；使尾气中粉尘含量减少，降低了尾气处理难度和处理成本；再利用高纯SiO₂粉末生产的石英玻璃品质优异。

Description

一种从尾气中回收再利用SiO2粉末的方法及装置

技术领域

本发明属于合成石英玻璃技术领域，具体涉及一种对合成石英玻璃工艺排放的尾气中的废弃SiO₂粉末回收再利用的方法及装置。

背景技术

传统高纯合成石英玻璃工艺，例如气相沉积法和间接法，都是通过坨靶来承接反应生成的高纯SiO₂，在高温下得到透明石英玻璃坨或者沉积成固定形状的疏松体。在这个合成石英玻璃过程中，有很大一部分反应产物不能被有效利用，会随尾气一同被废弃，尤其是会有大量的高纯SiO₂粉末从尾气排风口损失掉，这不仅增加了尾气处理难度和成本，还导致了极大的资源浪费。

现有技术中亦有一些从尾气中回收SiO₂的装置及工艺。例如：

中国实用新型专利CN212262785U中公开了一种回收高纯SiO₂和盐酸的装置，包括依次相连的废气排气管、固体回收装置、以及酸气净化装置，所述固体回收装置将气体中的颗粒分离沉淀回收，得到颗粒物SiO₂/GeO₂，所述固体回收装置内设有气固分离器，用于将颗粒物分离沉降以及回收处理，所述气固分离器采用旋风除尘器和布袋除尘器的组合。

中国实用新型专利CN204380452U中公开了一种气相法二氧化硅尾气回收的装置，包括尾气喷淋塔、高效吸收塔、连通所述尾气喷淋塔的二氧化硅回收循环系统，连通所述高效吸收塔的补水管、稀盐酸循环系统、浓盐酸循环系统和成品酸罐；所述二氧化硅回收循环系统包括饱和酸冷却器、饱和酸接收罐A、饱和酸接收罐B、压滤机、气相法二氧化硅固体接收罐、压滤机泵和循环泵；其利用二氧化硅回收循环系统对喷淋后的固液混合物进行气相法二氧化硅固体颗粒回收分离和饱和酸回收。

中国实用新型专利CN210125300U公开了一种多晶硅还原炉尾气处理装置，其包括加热还原炉尾气进行催化反应的高温催化箱和静电吸附回收二氧化硅的吸附箱；利用该装置，对多晶硅还原炉尾气先进行高温催化生成二氧化硅，再利用静电吸附回收二氧化硅。

但是上述从尾气中回收SiO₂的装置及工艺存在装置复杂、成本高、二氧化硅回收效率低等缺点，且上述从尾气中回收SiO₂的装置及工艺采用的单通道，难以适用于像合成石英玻璃这样生产周期长且生产期间不能中断的生产形式的尾气中SiO₂粉末的收集。

由此，需要一种新的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法及装置来解决上述技术问题。

发明内容

为此，针对现有技术的不足，本发明提供了一种尾气SiO₂粉末回收装置，包括：双通道烟道，静电集尘网，振动除尘器，风速探测器，烟道挡板，SiO₂粉末收集池。

其中，

所述双通道烟道包括第一烟道和第二烟道；所述振动除尘器包括第一振动除尘器和第二振动除尘器，所述第一振动除尘器与第一烟道相对应，所述第二振动除尘器与第二烟道相对应；

所述烟道挡板包括上烟道挡板和下烟道挡板。

本发明还提供了一种从尾气中回收SiO₂粉末的方法，包括：利用上述的尾气SiO₂粉末回收装置，通过静电集尘方法回收尾气中的SiO₂粉末，得到高纯SiO₂粉末。

其中，所述的从尾气中回收SiO₂粉末的方法，包括步骤：

(A1)开启所述尾气SiO₂粉末回收装置的第一烟道，封闭第二烟道；开启风速探测器和第一烟道的静电集尘网，以捕集通过第一烟道的尾气中的SiO₂粉末；

(A2)随着尾气排放，第一烟道中的SiO₂粉末增多；利用风速探测器测试尾气排放口的风速，在风速低于1m/s时，封闭第一烟道，开启第二烟道和第二烟道的静电集尘网，以捕集通过第二烟道的尾气中的SiO₂粉末；

(A3)关闭处于封闭状态的第一烟道的静电集尘网，开启与第一烟道相对应的第一振动除尘器，以将在第一烟道中捕集的SiO₂粉末收集至SiO₂粉末收集池中；

(A4)待风速探测器测得的风速低于0.5-1.2m/s(优选低于1m/s)时，交换第一烟道和第二烟道的开启/封闭状态，重复上述步骤(A1)-(A3)，如此循环，直至SiO₂粉末收集池收集的SiO₂粉末达到预定量。

其中，在利用所述尾气SiO₂粉末回收装置回收尾气中的SiO₂粉末时，始终保持所述尾气SiO₂粉末回收装置的双通道烟道中的一个烟道开启同时另一个烟道封闭的状态，通过烟道挡板来控制各烟道的开启或封闭。

其中，所述尾气SiO₂粉末回收装置与合成石英玻璃装置的尾气排放口相连通。

其中，由所述的从尾气中回收SiO₂粉末的方法所得到的高纯SiO₂粉末具有以下特征中的至少一种：

高纯SiO₂粉末的粒度为50-200nm，纯度为大于等于99.99％，密度为0.02-0.04g/cm³；

高纯SiO₂粉末中的杂质含量：氯含量：≤200ppm；碳含量：≤50ppm；氢含量：≤0.5wt％；金属杂质含量：≤5ppm；

具体而言，高纯SiO₂粉末中的杂质含量：

氯含量：≤200ppm(以SiCl₄为原料合成石英玻璃过程中收集到的SiO₂粉末)

碳含量：≤50ppm(以D4或其他有机硅为原料合成石英玻璃过程中收集到的SiO₂粉末)

氢含量：≤0.5wt％(主要以残余水分形式存在)

金属杂质含量：≤5ppm。

本发明还提供了一种从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括

(B1)采用上述从尾气中回收SiO₂粉末的方法，得到高纯SiO₂粉末；

(B2)利用高压压力装置，将收集到的高纯SiO₂粉末压制成SiO₂块体；

(B3)将所得到的SiO₂块体高温固结为透明石英玻璃体。

可选地，本发明还提供了另一种从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括：

(C1)采用上述的从尾气中回收SiO₂粉末的方法，得到高纯SiO₂粉末；

(C2)采用超高压压力装置，利用在≥10GPa的超高压压力下产生的高压和高温，直接将高纯SiO₂粉末压制成透明石英玻璃体。

其中，所述步骤(B2)中，所述高压压力装置为高压液压设备。

其中，所述步骤(C2)中，所述超高压压力装置为大型六面顶压机，优选为国产的大型六面顶压机。

其中，所述步骤(B2)或(C2)中，将高纯SiO₂粉末放置在模具中以进行压制。

其中，所述步骤(B2)或(C2)中，所述模具包括模具上盖板(7)，两瓣半正四棱柱内挖掉一个半圆柱形的部件(9)，在部件(9)上有若干螺栓孔(8)。

其中，所述步骤(B2)中，所述SiO₂块体至少满足以下条件：压力：≥100T；块体密度：≥1.5g/cm³。

其中，所述步骤(B2)或(C2)中，在对收集到的高纯SiO₂粉末进行压制前，先对所述高纯SiO₂粉末进行高温烘干或通入水蒸气增湿来控制其干湿度，以保证高纯SiO₂粉末在未压制前的密度为0.02～0.04g/cm³，控制其压制成型能力，其特征在于压制设备所能提供的压力与高纯SiO₂粉末压制前密度成反比。压制的优点还在于可以得到形状较为复杂的零件。

其中，所述步骤(B3)中，所述高温固结的温度为1450-1600℃(优选1500℃)。

其中，所述步骤(B3)中，所述高温固结工艺包括：将SiO₂块体放在耐火材料托盘上，在高温炉中以10-20℃/min(优选10℃/min)的速率升温至1450-1600℃(优选1500℃)，以将所述SiO₂块体软化固结为致密的透明石英玻璃体。

其中，所述步骤(B3)中，所述高温固结工艺包括：在升温前将高温炉抽至真空状态，真空度达1×10^-3至1×10^-4Pa；在温度达到1450-1600℃(优选1500℃)后保温1.5-3h(优选2h)，然后向高温炉内充入N₂或惰性气体以升压至1-1.2MPa，再保温0.5-1.2h(优选1h)，然后关闭加热源，随炉冷却。

其中，所述步骤(B3)或(C2)中，所得到的透明石英玻璃体在紫外到近红外区域(即，200nm-3300nm波长范围内)的透过率≥90％。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明通过收集尾气中高纯SiO₂粉末提高了硅原材料的利用率；使尾气中粉尘含量减少，降低了尾气处理难度和处理成本；再利用高纯SiO2粉末生产的石英玻璃品质优异。

现有技术中从尾气中回收SiO₂的装置及工艺采用的都是单通道，难以适用于像合成石英玻璃这样生产周期长且生产期间不能中断排放尾气，由此不能中断对尾气中SiO₂粉末的收集。而本发明的双通道简单有效的解决了这个问题。

现有技术中，在再振动清除收集吸附的SiO₂时，飘落的SiO₂粉末部分会被以尾气排出或被反复收集使工作效率降低。而本发明在每个烟道的上下方都设置了挡板有效地解决了这个问题。

附图简要说明

图1为本发明所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法的一种具体实施方式的工艺流程图。

图2中，a为本发明的尾气SiO₂粉末回收装置的示意性正视图；

b为本发明的尾气SiO₂粉末回收装置的示意性侧视图；

c为本发明的尾气SiO2粉末回收装置的示意性俯视图。

图3中，a为本发明用于压制SiO2粉末的模具的示意性正视图；

b为本发明中用于压制SiO₂粉末的模具的示意性侧视图；

c为本发明中用于压制SiO₂粉末的模具的示意性俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1显示了本发明所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法的一种具体实施方式的工艺流程图。如图1所示，本发明提供了一种从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括：

(B1)利用所述尾气SiO₂粉末回收装置，通过静电集尘方法回收尾气中的SiO₂粉末，得到高纯SiO₂粉末；

(B2)利用高压压力装置，将收集到的高纯SiO₂粉末压制成SiO₂块体；

(B3)将所得到的SiO₂块体高温固结为透明石英玻璃体。

图2a-2c分别显示了本发明的尾气SiO₂粉末回收装置的示意性正视图、侧视图和俯视图。如图所示，本发明的尾气SiO₂粉末回收装置，包括：双通道烟道(1)，静电集尘网(2)，振动除尘器(3)，风速探测器(4)，烟道挡板(5)，SiO₂粉末收集池(6)。其中，风速探测器(4)设置在所述尾气SiO₂粉末回收装置与合成石英玻璃装置(10)的尾气排放口的连通通道中。

图3a-3c分别显示了本发明中用于压制SiO₂粉末的模具的示意性正视图、侧视图和俯视图。如图所示，所述模具包括模具上盖板(7)，两瓣半正四棱柱内挖掉一个半圆柱形的部件(9)，在部件(9)上有若干螺栓孔(8)。

实施例1

一种从合成石英玻璃工艺的尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括：

第一步：准备工作：将尾气SiO₂粉末回收装置(参见图2)清洁干净，保证静电集尘网(2)畅通，SiO₂粉末收集池(6)清空，振动除尘器(3)、风速探测器(4)和烟道挡板(5)都能正常工作；

第二步：点炉并开始正常生产石英玻璃，初始风速探测器(4)测得尾气排放的风速为1.5m/s；封闭尾气SiO₂粉末回收装置中的第二烟道(即使得第一烟道中的上烟道挡板保持封闭，下烟道挡板保持打开)，开启尾气SiO₂粉末回收装置中的第一烟道，开启风速探测器(4)和第一烟道中的静电集尘网；

第三步：随着生产的进行，在尾气SiO₂粉末回收装置中，第一烟道中捕集的SiO₂粉末增多，当风速探测器(4)测试风速低于1m/s时，第一烟道和第二烟道的状态自动进行变换，即封闭第一烟道，同时开启第二烟道；然后关闭第一烟道中的静电集尘网，同时开启对应于第一烟道的振动除尘器，将在第一烟道中捕集的废弃SiO₂粉末收集到SiO₂粉末收集池(6)中；在生产过程中上述第二步-第三步持续循环进行，直至SiO₂粉末收集池(6)收集的SiO₂粉末达50Kg；

第四步：将SiO₂粉末收集池(6)中收集的SiO₂粉尘装入压制SiO₂块体的模具中，通过高压液压机，采用100t的高压压力，将SiO₂粉尘压制成致密的圆柱形块体；此步骤可分多次进行，每次将模具装满进行压制，直至将所回收50Kg的SiO₂粉末全部压完，得到一块直径为400mm、高为260mm的圆柱形SiO₂块体；

第五步：将压制好的SiO₂块体在高温气氛炉中进行透明化处理：首先在升温前将高温炉抽至真空度为9.4×10^-4Pa的真空状态，以15℃/min的升温速率升温至1500℃后保温2h，然后向高温炉内充入N₂升压至1.1MPa，再保温1小时，然后关闭加热源随炉冷却；

第六步：待高温炉降温到300℃时，释放炉内气体至常压状态，开炉取出透明石英玻璃体，所得到的透明石英玻璃的最大直径处的直径为440mm，高为150mm。

比较例1：

采用单烟道对合成石英玻璃工艺的尾气中SiO₂粉末进行收集。

包括：

第一步：准备工作：将尾气SiO₂粉末回收装置(参见图2)清洁干净，保证静电集尘网(2)畅通，SiO₂粉末收集池(6)清空，振动除尘器(3)、风速探测器(4)和烟道挡板(5)都能正常工作；

第二步：点炉并开始正常生产石英玻璃，初始风速探测器(4)测得尾气排放的风速为1.5m/s；封闭尾气SiO₂粉末回收装置中的第二烟道(即使得第一烟道中的上烟道挡板保持封闭，下烟道挡板保持打开)，开启尾气SiO₂粉末回收装置中的第一烟道，开启风速探测器(4)和第一烟道中的静电集尘网；

第三步：随着生产的进行，在尾气SiO₂粉末回收装置中，第一烟道中捕集的SiO₂粉末增多，当风速探测器(4)测试风速低于1m/s时，不封闭第一烟道，也不开启第二烟道；然后关闭第一烟道中的静电集尘网，同时开启对应于第一烟道的振动除尘器，将在第一烟道中捕集的废弃SiO₂粉末收集到SiO₂粉末收集池(6)中；关闭第一烟道的振动除尘器，开启第一烟道中的静电集尘网。在生产过程中上述第二步-第三步持续循环进行，直至SiO₂粉末收集池(6)收集的SiO₂粉末达50Kg；

第四步-第六步与实施例1相同。

比较结果：通过比较例1所收集的SiO₂粉末回收率极低。在关闭静电集尘网开启振动除尘器时，所收集的SiO₂粉末再次随烟道排走。

比较例2

采用单烟道对合成石英玻璃工艺的尾气中SiO₂粉末进行收集。

包括：

第一步：准备工作：将尾气SiO₂粉末回收装置(参见图2)清洁干净，保证静电集尘网(2)畅通，SiO₂粉末收集池(6)清空，振动除尘器(3)、风速探测器(4)和烟道挡板(5)都能正常工作；

第二步：点炉并开始正常生产石英玻璃，初始风速探测器(4)测得尾气排放的风速为1.5m/s；封闭尾气SiO₂粉末回收装置中的第二烟道(即使得第一烟道中的上烟道挡板保持封闭，下烟道挡板保持打开)，开启尾气SiO₂粉末回收装置中的第一烟道，开启风速探测器(4)和第一烟道中的静电集尘网；

第三步：随着生产的进行，在尾气SiO₂粉末回收装置中，第一烟道中捕集的SiO₂粉末增多，当风速探测器(4)测试风速低于1m/s时，即封闭第一烟道，但不开启第二烟道；然后关闭第一烟道中的静电集尘网，同时开启对应于第一烟道的振动除尘器，将在第一烟道中捕集的废弃SiO₂粉末收集到SiO₂粉末收集池(6)中；关闭第一烟道的振动除尘器，开启第一烟道中的静电集尘网同时打开第一烟道挡板。在生产过程中上述第二步-第三步持续循环进行，直至SiO₂粉末收集池(6)收集的SiO₂粉末达50Kg；

第四到六步与实施例1相同。

比较结果：通过比较例2所收集的SiO₂粉末与实施例1收集的质量和回收率相同，但由于单烟道收集SiO₂粉末过程中存在短暂的烟道完全封闭情况，使的正式合成的石英玻璃坨，坨形失控，石英玻璃均匀性严重受到影响，严重时导致燃烧器堵塞，生产中断。

比较例3：

在实施例1的第四步前：向所收集的SiO₂粉末中通入10Kg的水蒸气，其他实验步骤不变。与实施例相比SiO₂块体更易成型，强度更高不易碎，由模具取出到装入高温炉的步骤难度降低。所获得产品与实施例1产品相比羟基含量略多，光透过率较差，主要表现在2.2μm和2.7μm中红外波段附近区域，其他性能基本相同。

比较例4

收集掺杂TiO₂的合成石英玻璃尾气中的掺TiO₂的SiO₂粉末，回收和再利用工艺与实施例1相同。回收再利用获得的产品的低膨胀性能和均匀性可以达到原产品性能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种从尾气中回收SiO₂粉末的方法，包括：利用尾气SiO₂粉末回收装置，通过静电集尘方法回收尾气中的SiO₂粉末，得到高纯SiO₂粉末；

其中，所述尾气SiO₂粉末回收装置，包括：双通道烟道，静电集尘网，振动除尘器，风速探测器，烟道挡板，SiO₂粉末收集池；

其中，所述双通道烟道包括第一烟道和第二烟道；所述振动除尘器包括第一振动除尘器和第二振动除尘器，所述第一振动除尘器与第一烟道相对应，所述第二振动除尘器与第二烟道相对应；所述烟道挡板包括上烟道挡板和下烟道挡板

其中，所述从尾气中回收SiO₂粉末的方法，包括：

（A1）开启所述尾气SiO₂粉末回收装置的第一烟道，封闭第二烟道；开启风速探测器和第一烟道的静电集尘网，以捕集通过第一烟道的尾气中的SiO₂粉末；

（A2）随着尾气排放，第一烟道中的SiO₂粉末增多；利用风速探测器测试尾气排放口的风速，在风速低于1m/s时，封闭第一烟道，开启第二烟道和第二烟道的静电集尘网，以捕集通过第二烟道的尾气中的SiO₂粉末；

（A3）关闭处于封闭状态的第一烟道的静电集尘网，开启与第一烟道相对应的第一振动除尘器，以将在第一烟道中捕集的SiO₂粉末收集至SiO₂粉末收集池中；

（A4）待风速探测器测得的风速再次低于1m/s时，交换第一烟道和第二烟道的开启/封闭状态，重复上述步骤（A1）-（A3），如此循环，直至SiO₂粉末收集池收集的SiO₂粉末达到预定量。

2.如权利要求1所述的从尾气中回收SiO₂粉末的方法，所得到的高纯SiO₂粉末具有以下特征中的至少一种：

高纯SiO₂粉末的粒度为50-200nm，纯度为大于等于99.99%，密度为0.03±0.005g/cm³；

高纯SiO₂粉末中的杂质含量：氯含量： ≤200ppm；碳含量： ≤50ppm；氢含量： ≤0.5wt%；金属杂质含量： ≤5ppm。

3.一种从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括

（B1）采用如权利要求1或2所述的从尾气中回收SiO₂粉末的方法，得到高纯SiO₂粉末；

（B2）利用高压压力装置，将收集到的高纯SiO₂粉末压制成SiO₂块体；

（B3）将所得到的SiO₂块体高温固结为透明石英玻璃体。

4.如权利要求3所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，其中，其中，所述步骤（B2）中，所述SiO₂块体至少满足以下条件：压力：≥ 100T；块体密度：≥ 1.5g/cm³。

5.如权利要求3所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，其中，所述步骤（B2）中，在对收集到的高纯SiO₂粉末进行压制前，先对所述高纯SiO₂粉末进行高温烘干或通入水蒸气增湿来控制其干湿度，以保证高纯SiO₂粉末在未压制前的密度为0.02~0.04g/cm³。

6.如权利要求3所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，其中，所述步骤（B3）中，所述高温固结的温度为1450-1600℃。

7.如权利要求3所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，其中，所述步骤（B3）中，所得到的透明石英玻璃体在200nm-3300nm波长范围内的透过率为 ≥ 90%。

8.一种从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，包括：

（C1）采用如权利要求1或2所述的从尾气中回收SiO₂粉末的方法，得到高纯SiO₂粉末；

（C2）采用超高压压力装置，利用在 ≥ 10GPa的超高压压力下产生的高压和高温，直接将高纯SiO₂粉末压制成透明石英玻璃体。

9.如权利要求8所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，其中，所述步骤（C2）中，在对收集到的高纯SiO₂粉末进行压制前，先对所述高纯SiO₂粉末进行高温烘干或通入水蒸气增湿来控制其干湿度，以保证高纯SiO₂粉末在未压制前的密度为0.02~0.04g/cm³。

10.如权利要求8所述的从尾气中回收再利用SiO₂粉末的方法，其中，所述步骤（C2）中，所得到的透明石英玻璃体在200nm-3300nm波长范围内的透过率为 ≥ 90%。