CN1563872A

CN1563872A - 硅矿热炉烟气净化、纳米SiO2微粉─余热回收的方法及其专用设备

Info

Publication number: CN1563872A
Application number: CNA2004100299908A
Authority: CN
Inventors: 金科
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: CN100351597C

Abstract

一种硅矿热炉烟气净化、纳米SiO₂微粉一余热回收的方法及其专用设备，其特征是从硅矿热炉烟尘中回收纳米SiO₂微粉、把分散多个粗、精烟气净化设备和余热回收锅炉合为一体，它是由带有水雾喷射器的烟尘导入管、上锥体净空室、直形段回收室、下锥体集灰室、卸灰机、净空导出管六部分组成。其中，直形段回收室上部由若干个金属橡胶或陶瓷微孔过滤器组成，下部由若干个强制循环水冷导流板管式换热器组成，烟气净化达到排放标准，回收饱和蒸汽可以供生产和生活使用，回收纳米SiO₂微粉颗粒粒径小于100nm占60％以上。

Description

硅矿热炉烟气净化、纳米SiO2微粉-余热回收的方法及其专用设备

技术领域

本发明所述的硅矿热炉烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收的方法及其专用设备，属于生产工业硅、硅铁、硅锰、硅钙矿热炉的烟尘治理、余热回收和纳米SiO₂制备的技术领域。

技术背景

现有纳米SiO₂制备技术主要有如下方法：

(1)气相合成法

在氢气氛保护下，SiCl₄燃烧过程中产生SiO₂微粉：

此法工艺复杂，生产成本高，价位高，难以推广应用。

(2)Sol—Gel法

采用正硅酸乙酯、硅溶胶、水玻璃等硅质原料与醇类溶剂充分混合，用无机酸作为凝胶催化剂调节凝胶时间。完成凝胶和过滤后，经过适当陈化处理，再进行超临界干燥，最后获得纳米硅气凝胶。虽然Sol-Gel法比气相合成法简单易操作，但是纳米SiO₂微粉易产生硬团聚，其粒度和结构难以控制。而且，生产过程还要排放大量污水。

在硅矿热炉高温还原气氛下生产工业硅、硅铁、硅锰、硅钙过程中，产生大量的SiO₂、CO、SO₂、C、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO等烟气和粉尘。例如，6.3MV·A工业硅矿热炉烟气排放量为72340m³/h，12.5MV·A硅铁矿热炉烟气排放量为150000m³/h以上，一般每生产1吨工业硅产生250kg粉尘，每生产1吨硅铁、硅锰、硅钙产生180～200kg粉尘，其中烟尘中主要含量为SiO₂微粉-硅灰，纯度可达90％以上。硅矿热炉属于高能耗、污染严重的工业生产项目。目前，大部分硅矿热炉没有烟气净化和余热回收设备，所排放的烟尘可以引起人和动物严重的呼吸系统疾病，影响青少年正常成长和发育；在植物茎叶上易形成粘附层和堵塞毛细孔，导致植物枯萎；由于硅灰在空气漂浮时间长，吸水性强，容易引起区域性的空气干燥和空气质量下降。而且，目前尚未发现从硅矿热炉烟尘中回收纳米SiO₂的方法及其专用设备。

现有的硅矿热炉中只有个别炉采用了传统的湿法除尘和干法电除尘、布袋除尘器，主要存在如下问题：

温法除尘：(1)需要大量洗降水，动力消耗高：(2)大量污水需设置庞大的水处理系统，并出现二次污染问题；(3)由于SiO₂微粉吸水率高，需设置脱水和干燥装置；(4)烟气物理热没有得到充分利用；(5)生产环节多，占地面积大，投资高。

干法电除尘：由于硅矿热炉烟尘的比电阻高(10⁴Ωcm左右)，如果利用干法静电除尘器，需要对烟尘采取调质处理等措施，技术要求高，运行管理复杂。因此，投资及运行费用都比较大，一般企业难以接受。

干法布袋除尘：(1)布袋的过滤负荷比较小，体积比较大，呈一排布置，占地很大，总体布置困难，应用于大型矿热炉较为困难；(2)布袋寿命低，由于硅矿热炉回收的纳米SiO₂微粉，粒度小，粘附大，很快将布袋滤孔堵塞，反吹或振打对脱灰效果不明显，一般使用0.5年左右就需要更换布袋；(3)布袋不能耐高温，对于矿热炉600℃左右烟尘必须设置降温系统或设置余热回收系统；(4)由于过滤箱体多，卸灰系统设备多，各生产环节连结比较复杂，漏损现象比较普遍，二次污染严重，生产环境差。

现有的硅矿热炉除尘设备中一般有加密装置，其原理是利用高压、高速气流的作用下，硅灰颗粒相互撞击，气体对硅灰颗粒的冲击剪切作用以及烟尘颗粒与粉碎室内壁的冲击摩擦、剪切作用，使中空薄壁结构硅灰粉碎，再聚合成0.5mm左右球形颗粒，从而使硅灰从0.15g/cm³增加到0.5～0.6g/cm³，便于包装和运输。由于硅灰颗粒中空结构破坏，成为硬团聚结构，不利于微粉的分散，比表面积明显减小，使硅灰性能和技术经济价值降低。

现有的硅热炉除尘设备大部分采用冷风混入法和空冷器的方法，解决烟气降温问题。虽然冷风混入法有利于硅灰的形成，硅灰会显著增加。但是，硅产品的硅含量会降低，难以提高硅产品的品位。同时，也是加大除尘风机功率和运行费用，烟气余热没有得到回收利用。采用空冷器，占地面积大，设备结构庞大，浪费了烟气余热资源，而且投入费用相当于余热锅炉投入的费用。因此，传统的除尘技术难以完全满足于硅矿热炉的烟尘治理要求，需要对传统的除尘设备加以改造，研制出符合硅矿热炉烟尘特点的烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收的设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有的硅矿热炉除尘方法及其设备的不足，提供一种从硅矿热炉烟尘回收纳米SiO₂微粉、达到烟尘排放标准、烟尘余热回收一体化的硅矿热炉烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收的方法及其专用设备。

硅矿热炉烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收的方法及其专用设备是通过以下技术方案实现的：在硅矿热炉烟窗上外接一个烟尘导入管，将烟尘引入烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收装置。烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收装置是利用惯性重力除尘、金属橡胶过滤器或陶瓷过滤器、由强制循环水冷导流板管式换热器冷却均布高温烟尘、水雾脱除CO、SO₂和熄灭火花的机理，把分散多个粗、精除尘和余热回收设备合为一体。外型类似重力除尘器，由上锥体、直形段和下锥体三部分联接而成。上锥体为净空室、直形段为纳米SiO₂微粉和余热回收室、下锥体为集灰室。上锥体与直形段之间设置隔离板，隔离板上安装若干个金属橡胶或陶瓷微孔过滤器。采用金属橡胶过滤器是由不锈钢丝缠绕压制而成的网状过滤管，其表面制备-层防粘涂层。采用陶瓷微孔过滤器是由无机陶瓷微尺度粉末如Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂-Y₂O₃组成，其质量比为4～7∶0.2～0.7∶1～4∶1～3，经过浇注成型、真空干燥、高温烧结、浸涂防粘涂层、中温固化过程，制备出具有微孔结构的无机陶瓷过滤器。金属橡胶或陶瓷微孔过滤器为外滤式，滤孔孔径小于2μm，并且是迷宫式滤孔，粉尘不易穿透。由于滤孔表面和内外壁表面具有防粘涂层，吸附在过滤器上的烟尘，在反吹气体的作用下很容易脱落和清灰。因此，金属橡胶或陶瓷过滤器不仅能承受较高的过滤风速，而且还能承受500℃～600℃的高温烟气。直形段的直径是根据重力除尘器的设计要求进行计算确定。过滤器的过滤面积是根据滤材允许风速进行设计。在烟尘导入管顶部设置一个水雾喷射器，用以脱除CO、SO₂和使SiO₂微粉吸湿增重有利于沉降。由于粉尘得到湿润，避免了卸灰时二次污染。直形段回收室设有强制循环水冷导流板管式换热器，由三层环形水汽管和钢板组成。烟尘从导入管底部出来撞击在强制循环水冷导流板管式换热器上，一则使烟尘降温，二则使烟尘均布上升和下降，三则余热得到回收。导料锥是一个防止粉尘内部成拱造成堵塞的装置。在下锥体底部设有缷灰机。

由于采用上述技术方案，所述的硅矿热炉纳米SiO₂烟尘-余热回收方法及其专用设备，经过实验和理论分析，取得如下有益效果：(1)金属橡胶或陶瓷过滤器采用迷宫式滤孔，粉末不易穿透，比传统的布袋式过滤器效果好，净空含尘浓度小于10mg/m³，总体烟尘净化效率可达99.9％以上，能适应硅矿热炉烟尘温度变化要求和进行可靠的工作；(2)回收的烟尘主要含量为SiO₂微粉，纯度为93％～98％，白度为50％左右。通过TEM-200CX透射电镜测试，SiO₂微粉呈球状颗粒，粒度大小差别较大，小颗粒约为20～30nm，大颗粒粒径为100～200nm。而且，小于100nm的颗粒占60％以上。粉末团聚现象较明显。除此之外，纳米SiO₂颗粒表面包覆一层碳黑粒子(2nm左右)。由于碳黑是典型的遮蔽剂。因此，具有透光性的纳米SiO₂微粉经过碳黑表面包覆改性后，就变成了不透光的纳米SiO₂，外观显灰色，随着碳含量增加，呈灰黑色；(3)冷却软水以强制循环方式通过水冷导流板管式换热器，使烟气温度由500℃～600℃降至200℃以下，利用余热回收蒸汽。一般6.3MV·A硅矿热炉的可以回收压力为1.2～1.3Mpa的饱和蒸汽约4T/h左右。蒸汽并入外网，可以供生产或生活使用；(4)将传统的粗除尘与精除尘合为一体，在设置重力或旋风除尘器的位置就可以安装本专用设备，不需要另外占地，有利于老厂改造；(5)导管顶部设置水雾喷射器，既可以脱除CO、SO₂，又可以使粉尘湿润，还可以作为火花捕集器。因此，既有利于提高除尘效果，也有利于卸灰时避免二次污染。而且，没有废水排放污染。因此，本发明提供了一种从硅矿热炉烟尘中既能制备纳米SiO₂微粉，又能净化烟尘，还能回收余热的新方法及其专用设备。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中：硅矿热炉1、烟罩2、烟道3、烟道调节阀4、上锥体5、直形段6、下锥体7、卸灰机8、导料锥9、换热器10、金属橡胶或陶瓷微孔过滤器11、检修入孔12、隔离板13、反吹阀14、反吹气围管15、烟尘导入管16、水雾喷射器17、水管18、净空导出管19、风机20、净空排放管21、电机22。

图2是本发明从硅矿热炉回收纳米SiO₂微粉形貌和粒度TEM图像。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1中，硅矿热炉1烟尘产生机理：生产工业硅、硅铁、硅锰、硅钙是在矿热炉高温还原气氛中，将高纯度的SiO₂和CaO与焦炭反应而制得。在SiO₂和CaO的还原反应过程中，产生大量的SiO和CO气体从料面逸出，气态SiO与空气中的O₂反应生成游离态的SiO₂微粉，即：

本发明人经过取样测试表明，工业硅矿热炉SiO₂微粉纯度最高(93％～98％)，白度为50％左右；其次是硅铁、硅钙、硅锰矿热炉。SiO₂微粉堆积密度为0.15～0.25g/cm³，比孔容为13cm³/g左右，孔隙率可达98％以上。经过检测，烟气温度一般在500℃以上，6.3MV·A工业硅矿热炉烟气排放量在72340m³/h以上，12.5MV·A硅铁矿热炉烟气排放量在150000m³/h以上，工业硅矿热炉烟气含尘量为6.5g/cm³左右，硅铁、硅钙和硅锰矿热炉烟气含尘量为4.5g/cm³左右。

图1中，烟罩2和烟道3收集硅矿热炉1产生的烟气，由烟道调节阀4控制烟气回收量，由烟尘导入管16将烟气引入烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收设备。该设备是利用惯性重力除尘、金属橡胶或陶瓷微孔过滤器，强制循环水冷导流板管式换热器冷却均布高温烟尘、水雾脱除CO、SO2和熄灭火花的机理，把分散多个粗、精除尘和余热回收设备合为一体。外型类似重力除尘器，由带有水雾喷射器17的烟尘导入管16、上锥体5、直形段6、下锥体7、卸灰机8、净空导出管19六部分组成。上锥体5为净空室、直形段6为纳米SiO₂微粉-余热回收室、下锥体7为集灰室。上锥体5与直形段6之间设置隔离板13，隔离板13上安装若干个金属橡胶或陶瓷微孔过滤器11。采用金属橡胶过滤器是由φ20～φ100μm不锈钢丝缠绕压制而成的网状过滤器，其表面制备一层聚四氟乙烯或硅油防粘涂层。采用陶瓷微孔过滤器是由Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂-Y₂O₃微细陶瓷粉末组成，其质量比为4～7∶0.2～0.7∶1～4∶1～3，经过成型浇注、真空干燥、高温烧结、浸涂聚四氟乙烯或硅油防粘涂层、中温固化过程，制备出具有微孔结构的无机陶瓷过滤器。上述二种过滤器均为外滤式，滤孔孔径小于2μm，并且是迷宫式滤孔，粉尘不易穿透。由于滤孔表面和内外壁表面具有防粘涂层，吸附在过滤器上的烟尘，在反吹气体的作用下很容易脱落和清灰。因此，金属橡胶或陶瓷微孔过滤器不仅能承受较高的过滤风速，而且还能承受500℃～600℃的高温烟气。过滤面积根据滤材允许风速(4～12m/min)进行设计。直形段6由若干个回收室组成，每个回收室上部由若干个过滤器11构成，过滤器11固定在隔离板13上，上锥体5内有若干个净空室，净空室数量与回收室相同，并且相互上下对应。在每个净空室的下部设有电动(或气动)反吹阀14和反吹气围管15，反吹气来自空压机。每个回收室下部都有一组强制循环水冷导流板管式换热器管式换热器，每一组强制循环水冷导流板管式换热器管式换热器由三层环形钢板和水汽管组成，内层长度最短，外层长度最长。烟尘从烟尘导入管16底部出来撞击在强制循环水冷导流板管式换热器管上，一则使烟尘降温，二则使烟尘均布上升和下降。在每个烟尘导入管16顶部设置一个高压水雾喷射器17，一则用以脱除CO、SO₂，二则使烟尘吸湿增重有利于烟尘沉降，三则具有火花捕集功能，四则烟气得到湿润避免了卸灰时二次污染。因此，80％的烟尘会在回收室沉降下来进入下锥体7集灰室，其余的烟尘继续向上运动进入过滤段。净化后气体由净空导出管19引入风机20入口，形成烟气负压净化过程，有利于延长风机20使用寿命。最后，通过风机20和净空排放管21将净化烟气排放大气中。试验分析表明，当硅矿热炉烟尘浓度为5g/m³时，烟尘经过净化后含尘量小于5mg/m³，除尘效率可以达到99.9％以上。

图1中，导料锥9是一个防止烟尘内部成拱造成堵塞装置。在下锥体集灰室底部有卸灰机8，卸灰时关闭烟道调节阀4。

图2中，本发明人通过TEM-200CX透射电镜子测试分析，SiO₂微粉呈球状颗粒，小颗粒粒径为20～30nm，大颗粒粒径约为100～200nm，而且小于100nm颗粒大于60％，属于气相合成的纳米SiO₂，表面硅原子保持氧的四面体配位，可与外界的水作用形成硅羟基，具有表面的吸附作用和中空结构，存在物理吸附水，是典型的极性吸附剂、干燥剂和催化剂载体。纳米SiO₂颗粒表面包覆一层碳黑粒子(2～10nm左右)，外观显灰色，随碳含量增加，呈灰黑色，属于表面碳包覆改性的不透光的纳米SiO₂微粉。

本发明人通过测试和理论分析表明，当冷却水以强制循环方式通过水冷导流板管式换热器时，烟气温度由500℃～600℃降至200℃以下，可以利用烟尘余热回收蒸汽。一般6.3MV·A硅矿热炉可以回收压力1.2～1.3Mpa的饱和蒸汽约4t/h左右。蒸汽并入外网，可以供生产或生活使用。

Claims

1.一种硅矿热炉烟气净化、纳米SiO₂微粉-余热回收的方法及其专用设备，其特征是从硅矿热炉烟尘中回收纳米SiO₂微粉、把分散多个粗、精烟气净化设备和余热回收锅炉合为一体，它是由带有水雾喷射器的烟尘导入管、上锥体净空室、直形段回收室、下锥体集灰室、卸灰机、净空导出管六部分组成。

2.根据权利要求1所述的直形段回收室，其特征在于直形段下半部内装有强制循环水冷导流板管式换热器，直形段与上锥体之间设置隔离板，隔离板上安装若干个外滤式金属橡胶或陶瓷微孔过滤器，实现烟气净化、纳米SiO₂微粉—余热回收。

3.根据权利要求2所述的强制循环水冷导流板管式换热器，其特征是三层环形钢板与水汽管焊接结构，采用梯度台阶型式，采取强制循环水冷，实现烟尘降温、均布、沉降和余热回收。

4.根据权利要求2所述的金属橡胶过滤器，其特征在于由φ20～φ100μm不锈钢丝缠绕压制而成的网状过滤器，其表面制备一层聚四氟乙烯或硅油防粘涂层，制造出具有迷宫式滤孔结构的金属橡胶过滤器。

5.根据权利要求2所述的陶瓷微孔过滤器，其特征在于由Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂-Y₂O₃微细陶瓷粉末组成，其质量比为4～7∶0.2～0.7∶1～4∶1～3，经过成型浇注、真空干燥、高温烧结、浸涂聚四氟乙烯或硅油防粘涂层、中温固化过程，制造出具有微孔结构的无机陶瓷微孔过滤器。

6.根据权利要求1所述的从硅矿热炉回收纳米SiO₂微粉的方法，其特征是在硅矿热炉高温还原气氛中，生产工业硅、硅铁、硅锰、硅钙过程中，从料面逸出大量的气态SiO，与空气中的O₂反应后生成游离态的纳米SiO₂微粉，进入烟尘导入管，在高压水雾的作用下，熄灭火花，急冷降温，吸湿增重，加速沉降、可以防止硬团聚和颗粒长大，纳米SiO₂微粉从烟尘导入管底部出来后，撞击在强制循环水冷导流板管式换热器上，进一步冷却降温，均布上升和下降，上升的烟尘进入由金属橡胶或陶瓷微孔过滤器组成过滤区域，沉降下来的纳米SiO₂微粉进入下锥体集灰室，由卸灰机装入包装袋。