（环境工程专业论文）6300kva硅铁矿热炉烟尘污染治理技术分析及设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第i 页 摘要 近年来，我国铁合金工业的生产和技术有了很大的发展，但我国铁合金 企业的环保和综合利用是比较落后的。硅铁电炉绝大部分还是敞口炉，锰铁 和铬铁电炉已封闭的尚属少数，厂区的上空还大量散发烟尘对大气环境和自 然生态环境的污染十分严重。 气箱脉冲袋式收尘器是美国富乐公司引进具有九十年代水平的高效率袋 式除尘器。它集分室反吹和脉冲喷吹等诸类除尘器的优点，克服了分室反吹 清灰强度不够，脉冲喷吹清灰和过滤同时进行的特点，因而扩大了袋收尘器 的应用范围，提高了收尘效率，延长履带使用寿命。本文根据硅铁厂6 3 0 0 k vo a 电炉的基本参数、当地的实际情况及相关的排放标准来设计除尘器。通过对 各类除尘器原理、运行费用、烟气及粉尘的性质等各方面综合考虑，选取 p p c 9 6 2 1 0 气箱脉冲袋式除尘器进行设计计算，确定除尘器的类型、除尘 效率、布袋的参数、灰斗以及冷凝器的工艺参数等，并计算了相应的经济成 本。 袋式除尘器是高效除尘的一种重要手段，它广泛应用于冶金、铸造、建 、 材、电力等行业；由于袋式除尘器具有除尘效率高、运行稳定、抗冲击负荷 大、能满足严格排放的标准等一些列优点。随着袋式除尘器及其相关技术的 不断改进及完善，它将为我国的铁合金企业及工农业的环境保护取得巨大的 成就。 关键词：冷凝器、烟气量、袋式除尘器、清灰方式、6 3 0 0 k v a 电炉 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s tt a c t r e c e n ty e a r s ，t h ep r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g yo ff e r r o a l l o yi n d u s t r yh a v e b e e ng r e a t l yd e v e l o p e di no u rc o u n t r y , w h i l et h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z eo ff e r r o a l l o ye n t e r p r i s e sa r er e l a t i v e l yl a g g i n g m o s tf e r r o s i l i c o ne l e c t r i cf u r n a c e sa r eo p e ns t o v e f e r r o m a n g a n e s ea n d f e r r o c h r o m i u me l e c t r i cf u m a c e sw h i c ha r ec l o s e d e n da r ei i t t l e l a r g eq u a n t i t i e so fp l u m ea n dd u s tw h i c ha r es e r i o u s l yp o l l u t e dt ot h e a t m o s p h e r ee n v i r o n m e n ta n dn a t u r a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta r ee m i t t i n g i n t ot h es k yo v e rt h ef a c t o r ya r e a s a i re a s ep u l s e - j e ts t y l eb a g h o u s ef i l t e rw a si n t r o d u c e df r o mf u l e c o m p a n yo fa m e r i c a n ，w i t hh i g he f f i c i e n c yt e c h n o l o g yo f 1 9 9 0 s i t i n c o r p o r a t e dt h ea d v a n t a g e so fs e p a r a t e l yb a g h o u s er e v e r s eb l o wa n dr e v e r s e p u l s e - j e to fa i ra n ds oo n ，o v e r c a m et h el o wi n t e n s i t yo fs e p a r a t e l yb a g h o u s e r e v e r s eb l o w , a n ds i m u l t a n e o u so p e r a t i n go fr e v e r s eb l o wa n df i l t r a t ea ta t i m e s oi ti m p r o v e dt h ed u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y , p r o l o n g e dt h eo p e r a t i o n a l l i f es p a n ，e x t e n d e dt h eu s a g eo fb a g h o u s ef d t e r t h i st e x td e s i g n e dt h ef i l t e r a c c o r d i n gt ot h ee l e m e n t a r yp a r a m e t e r so ft h e6 3 0 0 k v 。ae l e c t r i cf u r n a c e f e r r o s i l i c o nf a c t o r y , l o c a lc o n d i t i o n sa n dr e l a t e de m i t t i n gs t a n d a r d s w et o o k t h ep r i n c i p l e so fe a c hd u s tc o l l e c t o ro p e r a t i o nf e ea n dt h ec h a r a c t e ro fs m o k e a n dd u s ti n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h e nc h o s ep p c 9 6 - 2 1 0a i rc a s ep u l s e - j e tb a g f i l t e rt oc a l c u l a t e s ot od e c i d et h et y p e ，c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y , p a r a m e t e ro f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 c l o t hb a gd u s th o p p e ra n dc o o l e r , a l s oc o m p u t e dr e l a t ee c o n o m i c a lc o s t b a g f i l t e ri sam a i nw a yo fh i g he f f i c i e n c yd u s tc o l l e c t i o n a n di t se x t e n s i v e l yu s e d i nm e t a l l u r g y , c o i n ，b u i l d i n gs t u f f , a n dp o w e ri n d u s t r i e s f o rt h eb a gf i b e r h a s a d v a n t a g e so fh i g hd u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y , r u n n i n gs t e a d y , i m p u l s er a t e r e s i s t a n ta n dc a nm e e tt h es t r i c te m i t t i n gs t a n d a r d s a st h ei m p r o v e m e n ta n d i n t e g r i t yo fb a gf d t e ra n dr e l a t e dt e c h n o l o g y , i tw i l ll e a dg r e a t a c h i e v e m e n tt o t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no ff e r r o a l l o yi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e k e yw o r d s ：c o n d e n s e r ，f u m e s ，b a g h o u s ef i l t e r , 6 3 0 0 k v as t o v e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 1 1 研究背景 1 1 1 前言 第1 章绪论 大气污染是我国环境污染的首要问题之一，有地域的广阔性，污染的普 遍性和排放物的多样性等特征。在污染控制上难度大，技术复杂，投入多、 运行困难。我国的大气环境污染，特别是区流域性大气环境污染问题已经成 为当前我国环境污染最具代表性的问题之一。根据国家环保总局对我国大气 环境污染现状统计调查表明：我国已普遍受到不同程度的污染，总体上呈现 加重的趋势，造成污染加重的主要因素是工业废气和汽车尾气等。 我国工业废气污染主要以矿热炉烟尘污染为主，矿热炉烟尘是一种非常 典型的工业废气，其特点是废气量大、温度高、烟尘浓度高、粒度非常小、 部分有剧毒，直接排放对环境造成的危害非常大。由于今年来一些发达国家 对铁合金企业的限制，使得我国的铁合金企业如雨后春笋般的发展壮大，从 而使得烟尘治理已成为现阶段国内大气环境保护技术领域亟待解决的一个问 题。 通过对6 3 0 0 k v a 硅铁矿热炉烟尘特性分析及工程应用的研究，可以掌握 矿热炉烟气的变化规律，针对此规律选择处理工艺，对处理工艺进行分析研 究，能够对矿热炉烟尘污染的治理提供可借鉴的技术参考。 1 1 2 国内外现状 i 1 2 1 世界铁合金工业现状 1 、世界粗钢产量及国际铁合金市场 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 对铁合金的需求主要来自于炼钢方面，铁合金工业依赖于钢铁工业。回 顾历史，世界粗钢产量和国际铁合金时常价格之间关系密切。在1 9 9 5 年1 9 9 6 年间，粗钢产量逐渐回升，国际铁合金市场也因此而有所好转。然而，此后， 又步入停滞阶段，其主要原因时世界铁合金工业在结构上引起的过度供应。 在这种情况下，铁合金工业进入了结构调整阶段，此时可以看到主要冶炼厂 家和矿石生产者之间的联合或合并。正是由于这一结构上的调整和近年来世 界粗钢产量持续增长的趋势，使得世界铁合金供需情况出现紧张，国际市场 价格于去年下半年开始提升，特别是锰系铁合金市场价格从今年一季度开始， 短期内上升到了一个相当高的水平。 2 、世界铁合金产量 从产量看，1 9 9 5 年2 0 0 3 年的8 年中，世界铁合金产量从1 7 5 3 万吨增 加到2 1 5 3 万吨，增加了4 0 0 万吨，或者说增加了2 3 。亚洲的产量从1 9 9 5 年的6 2 5 万吨增加到2 0 0 6 年得到8 5 8 万吨，增加了2 3 3 万吨，增长了3 7 。 其中中国的产量从4 0 4 万吨增加到6 3 7 万吨，增加了2 3 3 万吨，或者说增长 了5 8 ，涵盖了亚洲的全部增长量。比较1 9 9 5 年2 0 0 3 年亚洲铁合金分品种 产量，可以看出，铬铁产量下降而锰系铁合金和硅铁大幅增长。 3 、亚洲主要铁合金生产国 中国：由于一些国际项目如2 0 0 8 年北京奥运会，2 0 1 0 年上海世博会 ( e x p 0 ) 目前对钢铁的较高需求量，预计会使其产量进一步增加。因而预计 铁合金的需求量也会随之增加。据中国铁合金工业协会提供的数据，其铁合 金生产厂家总数约为8 0 0 家。2 0 0 3 年这些厂家共生产各种铁合金6 3 7 万吨。 占世界总产量2 1 5 3 万吨的3 0 。中国是世界最大的铁合金生产国。中国不仅 是铁合金生产大国也是铁合金出口大国。2 0 0 3 年中国共出口铁合金1 8 2 万吨， 占世界贸易总量1 0 8 7 万吨的1 7 。主要出口到亚洲市场。 日本：日本的粗钢年产量一直保持在1 亿吨以上的水平。2 0 0 3 年日本铁 合金产量为8 3 万吨，主要是锰系合金和锌铁，进口铁合金1 9 0 万吨，主要是 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 铬铁和硅铁。 印度：2 0 0 3 年印度粗钢产量达到3 1 8 0 万吨。该国生产5 4 万吨锰铁以及 4 7 万吨铬铁。加上硅铁和其他的铁合金，其铁合金总产量为1 0 7 万吨，其出 口量为1 7 万吨，主要是铬铁。 韩国：2 0 0 3 年韩国粗钢产量达4 6 0 0 万吨，铁合金产量为2 3 万吨，主要 是锰系合金，进口铁合金9 8 万吨，主要是铬铁。 1 1 2 2 对未来铁合金工业发展的环保方面的建议 实施环境保护措施。全球环境意识的不断加强将是未来一个更加重要的 主题。除采取措施消除氧化硫、粉尘、灰尘、烟气和水污染外，为防全球变 暖而采取降低二氧化碳排放量将成为一个严肃的问题。中国已经并已正在加 强有关自然环境的保护措施。为将铁合金工业发展成为个洁净的工业，必 须立即采用适当的措施保护自然环境。 1 2 研究目的 通过对6 3 0 0 k v a 硅铁矿热炉烟气及烟尘特性分析，通过对各类除尘器的 工作原理及性能比较分析，通过对各类除尘工艺的比较分析，探讨适合于矿 热炉烟尘治理的技术与方法。 1 3 研究内容 a 、矿热炉烟气产生规律及特性 通过对硅铁冶炼原理及硅铁生产工艺的了解，从理论上分析矿热炉烟气 的产生规律和相对特性，并实测的烟气的温度、体积、各成分的含量等参数。 b 、矿热炉烟尘的产生原因及特性 通过对硅铁冶炼原理及硅铁生产工艺的了解，从理论上分析烟尘的产生 规律和相对特性，并实测的烟尘的浓度，粒径分布，各成分的含量等参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 c 、四大除尘器的降尘原理及性能比较分析 通过对机械除尘器、静电除尘器、湿式除尘器、袋式除尘器的除尘原理 及性能的比较分析，选出适合矿热炉烟气、烟尘特性的除尘器( 袋式除尘器) d 、适合于矿热炉烟尘治理的除尘设备及工艺 通过对国内外矿热炉烟尘治理的除尘设备及工艺比较分析，设计出适合 6 3 0 0 k v a 硅铁矿热炉的除尘设备及工艺 e 、设计计算 根据前面的内容，对除尘系统中的除尘器结构及外形，冷却器结构及外 形，管道直径，系统阻力，动力设备进行设计计算及选型。 f 、旋工及工艺图绘制 1 4 研究方法 本论文采用以下四种方法相结合进行分析、研究与设计。 a 、理论分析 主要用于烟气、烟尘产生规律及特性分析；除尘器的降尘原理比较分析； 适合于6 3 0 0 k v a 硅铁矿热炉烟尘治理的除尘设备及工艺设计等。 b 、现场实测 现场实测6 3 0 0 k v a 硅铁矿热炉烟气的温度、体积、各成分的含量；烟尘 1 的浓度、粒径分布、各成分的含量，除尘系统及各单元的阻力损失；除尘设 备的效率。 c 、数学模拟 理论上计算烟气的温度、体积、各成分的含量；烟尘的浓度、粒径分布、 各成分的含量，各单元操作的阻力及系统的阻力；除尘设备的效率。 d 、计算机制图 工艺流程图；袋式除尘器、冷却器的外形结构及零部件图的绘制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章硅铁矿热炉生产原理与大气污染分析 铁合金是钢铁工业和机械铸造业必不可少的重要原料之一，其主要用途： 一是作为脱氧剂，消除钢铁中过量的氧；二是作为合金元素添加剂，改善钢 的质量与性能；三是用作铸造晶核孕育剂，改善铸铁和铸钢的性能；四是用 作还原剂，硅铁可用作生产钼铁、钒铁等其他铁合金的还原剂。其他方面的 用途。在有色冶金和化学工业中，铁合金也越来越被广泛地使用。随着我国 钢铁工业持续、快速地发展，钢的品种、质量的不断扩大和提高，对铁合金 产品提出了更高要求，铁合金工业日益成为钢铁工业的相关技术和配套工程。 2 1 铁合金的发展趋势 近2 0 多年来，随着铁合金工业的发展和科学技术的进步，世界铁合金工 业生产在品种、冶炼技术、技术装备、节能降耗、环境保护、能量回收和资 源利用等技术方面都有迅速的发展和突破。略述于下。 2 1 1 精料技术 精料是电炉铁合金增产节电的重要环节。近1 0 多年来，铁合金电炉生产 采用精料的水平有了明显的提高，各国都在重视并相应采取了许多行之有效 的措施。 2 1 2 采用优质组合碳质还原剂 采用优质组合碳质还原剂，搭配气煤焦和烟煤，代替一部分冶金焦。这 是国内外的一项成熟的操作技术。近年来，我国大中型硅铁电炉已普遍地使 用以冶金焦为主，适量搭配气煤焦、蓝炭、半焦及烟煤等组合型碳质还原剂 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 冶炼7 5 硅铁，获得了优质、高产、节能的经济效果，一般每吨硅铁产品可 节约7 0 01 0 0 0 k w h 。 2 1 3 改善入炉矿石的制备技术 铁合金电炉正常操作，尤其是大、中型还原电炉，要求炉料具有合适的 块度以确保良好的透气性。当前优质块状锰矿和铬矿供应日趋减少，为适应 这一情况，国内外已应用了多种造块技术，以有效的利用粉矿和精矿，并获 得较好的冶炼指标。例如：硅铁生产的原料制备，主要是选用优质组合碳质 还原剂。同时越来越多地对硅石和含铁材料的化学与物理性能给予重视，其 中优选高品位、热稳定性能及还原性能好的硅石，并应做到入炉前进行水洗 筛选及预焙烧处理。对含铁料，除普遍应用碳素钢屑外，人们越来越关注铁 精矿球团、铁鳞及铁鳞球团的使用。尤其是大型硅铁电炉为实现机械化原料 输送和自动化加料操作必须优先选用。 2 1 4 环境保护及综合利用 铁合金企业的环境保护主要是对“三废”及噪声的治理，消除对环境的污 染。工业发达的国家中铁合金生产对环境的污染问题己基本解决。其主要措 施： 、 ( 1 ) 半封闭式电炉的废气的利用和除尘工艺的实现，尤其是在硅铁和工 业硅生产进行了消烟除尘、回收的硅粉在建材、化工等行业的应用： ( 2 ) 锰铁和铬铁电炉分别有9 0 和6 0 为全封闭式电炉，煤气被净化 后用于化工生产和用于干燥，烧结和炼球： ( 3 ) 铬、钒的化学处理污水、废渣、烟尘的处理； ( 4 ) 废水的净化； ( 5 ) 软水闭路循环系统； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 ( 6 ) 工业废物( 含废渣) 的有效利用等。 就总体而言，我国铁合金企业的环保和综合利用是比较落后的，硅铁电 炉绝大部分还是敞口炉，锰铁和铬铁电炉已封闭的尚属少数，这样不仅炉气 中的热量未能回收，还大量散发烟尘。就吉林、上海、湖南、遵义等几家铁 合金已实施封闭的电炉而言，其煤气回收及利用、水处理也未彻底解决。原 料、产品输送和加工过程中的粉尘，出铁、浇铸过程中的烟尘也未妥善的处 理和加以回收利用。高炉锰铁虽已在减少荒煤气放散、煤气的洗涤净化与利 用以及污水处理、炉渣利用等方面取得一些成果，但离有关要求差距甚大。 其他铁合金产品，如铬、钒的化学处理污水、废渣、烟尘也未得到彻底根治。 8 0 年代以来，遵义、西北、湖南、宜昌、峨嵋铁合金厂先后引进了电炉 烟气干式除尘技术、电炉煤气干式净化技术，经消化创新并结合技改工程得 到广泛应用，尤其硅铁电炉烟气净化回收的硅尘在建筑行业的应用取得了突 破性进展，变废为宝，有着显著的经济和社会效益，从此更加推动了硅铁电 炉烟气治理。 2 2 硅铁生产工艺技术 2 2 1 硅及其化合物的物理化学性质 2 2 1 1 硅的物理性质 硅是非金属元素，呈灰色，有金属光泽，性硬且脆。硅的含量约占地壳质 量的2 6 。硅的主要性质如下： 相对原子质量 2 8 0 8 密度( g e m 3 ) 2 3 3 熔点k1 6 8 3沸点k 2 9 5 3 电阻率( q m ) 2 1 4 0 2 2 1 2 硅的化学性质 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 硅在常温下很不活泼，但在高温下很容易与氧、硫、卤素及许多金属化合 成相应的硅化物。硅和氧作用形成s i 0 2 ，放出大量的热： s i + 0 2 = s i 0 2 a h 2 9 8 = 一8 7 8 6 k j m o l 硅与碳生成碳化硅，碳化硅是一种稳定的物质。当有铁存在时，稳定性大 大下降。硅中只能溶解少量的碳，如1 9 9 8 k 时在液态硅中只溶解0 3 2 的碳。 硅与铁可以以各种比例互相溶解，生成f e s i 。、f e s i 、f e 。s i 。、f e 。s i ，其 中以f e s i 最稳定。 2 2 1 - 3 硅化铁 硅铁是硅与铁互溶形成的固溶体，硅与铁化合物中，f e s i 最稳定，其余 均在固相或液相时分解。含硅4 0 4 7 时，熔点为1 6 3 3 1 5 3 3 k ：含硅7 2 8 0 时，熔点为1 5 6 3 1 6 1 3 k 。硅铁的密度取决于硅铁的含硅量，它的密 度随合金含硅的增加而减小。由于硅铁内各相的密度差别很大，因而硅铁的 合金容易产生偏析。另外硅铁中的铝、磷、砷等杂质可生成熔点较低的化合 物，在硅铁缓慢冷却过程中，低熔点的化合物凝固较晚，而且较集中地分布 在最后凝固部分及晶界上。当空气中的水份渗入铁锭内的裂缝，与这些低熔 点的化合物反应，生成有毒的具有臭鸡蛋味的p h 3 和a s h 3 气体，合金晶界遭 到破坏，铁锭因而粉化。 2 2 1 4 硅铁冶炼的原料 冶炼硅铁的主要原料是硅石、碳质还原剂和钢屑。 硅石是由石英颗粒被粘合剂粘合而成的岩石，粘合剂成分也是s i 0 2 。硅石 中s i 0 2 应大于9 7 ；有害杂质的含量要低；要具有良好的抗爆裂性；入炉的 硅石还要求有一定的粒度。冶炼硅铁大多使用冶金焦作还原剂。 在碳质还原剂化学成分中，主要应考虑固定碳、灰分、挥发分和水分。一 般要求固定碳要高，冶金焦的固定碳大于8 4 ；灰分小于1 4 ，灰分中含磷 量小于0 0 4 ；水分小于6 0 。碳质还原剂的电阻率要大，气孔率要高，此外 碳质还原剂要具有一定的机械强度，否则破碎损失大，产品成本增加，会影 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 响料面透气性。 钢屑是硅铁成分的调节剂。冶炼硅铁采用碳素钢屑，不准使用有色金属屑、 合金钢屑和生铁屑。钢屑不应夹带外来杂质，锈蚀严重和沾有油污的钢屑不 能入炉。钢屑含铁量应大于9 5 ，弯曲长度不超过1 0 0 m m 。除钢屑外，硅铁 冶炼也可以选用碳素钢的铁鳞( 轧钢铁皮) 和铁精矿球团等。 2 2 2 硅铁的冶炼方法及原理 2 2 2 1 硅铁冶炼方法 硅铁是在开口式或半封闭式( 即矮烟罩) 的还原炉内采用连续作业法进行 冶炼的。在整个冶炼过程中，电极深而稳的插入炉料中，混匀的炉料，随料 面的下沉而小批量的加入炉内。炉内料面始终保持一定高度，并呈平锥体形 状，炉内铁水积存到一定程度时，打开炉眼放出铁水。 2 2 2 2 冶炼原理 二氧化硅是一种难还原的氧化物，而且其还原过程比较复杂。许多人对二 氧化硅的还原原理和热力学进行过大量的研究，尽管他们提出的还原原理不 完全相同，但有一点是公认的：用碳质还原剂还原二氧化硅时，有中间产物 碳化硅和一氧化硅的生成与分解在二氧化硅的整个过程中起着重要作用。 在较低温度下，二氧化硅与碳的作用： s i 0 2 + 3 c = s i c + 2 c o t g 。= 6 7 0 3 5 - - 4 3 8 9 t t * = 1 5 2 3 k 在较高温度下，二氧化硅被碳还原成一氧化硅： s i 0 2 + c = s i o + c of g 。= 1 5 9 6 0 0 - - 7 7 ，9 4 t t 。= 2 0 4 8 k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 而且碳化硅在高温下因二氧化硅和一氧化硅的存在而被破坏： 2 s i c + s i 0 2 = 3 s i + 2 c o f ag 。= 9 7 3 8 0 - - 4 7 6 4 t tr = 2 0 4 3 k s i c + s i o = 2 s i + c ot g 。= 4 9 1 5 0 - - 2 4 5 9 t th = 1 9 9 9 k 碳还原二氧化硅的总反应式为： s 1 0 2 + 2 c = s i + 2 c of g 。= 1 6 7 4 0 0 - - 8 6 4 0 t t * = 1 9 3 8 k 在有铁存在时，还原出来的硅与铁反应， s i + f e = f e s i g 。= 一2 8 5 0 0 - - 0 6 4 t 碳化硅被铁破坏： f e + s i c ：f e s i + c g 。= 9 9 0 0 - - 9 1 4 t t = 1 0 8 3 k 由于硅与铁生成硅化铁的反应是放热反应，因而它降低二氧化硅还原反 应的理论开始反应温度。同时，铁的存在可以促进硅沉入熔池，使之离开反 应区，从而改善二氧化硅的还原条件。冶炼硅铁时，二氧化硅的还原反应可 以用下式表示： s i 0 2 + 2 c + n f e = f e 。s i + 2 c 0t 生成硅化铁因含量不同，反应放出的热量也不同，因而不同含硅量的硅 铁，其开始还原温度也不同。熔炼的硅铁含硅量越低，二氧化硅被还原的理 论开始反应温度也就越低。通过计算得出，冶炼4 5 硅铁时，t * 为1 8 6 1 k ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 冶炼7 5 硅铁时，t * 为1 9 1 7 k 。 2 3 铁合金矿热炉 铁合金还原电炉可分为交流和直流还原电炉。交流还原电炉的分类方法 很多，根据还原电炉的设备特点分类，有以下几种：( 1 ) 按电极相数可分为 单相单电极电炉和三相三电极电炉；( 2 ) 按烟罩或炉盖设置形式可分为高烟 罩及矮烟罩敞口式电炉、矮烟罩半封闭式电炉和全封闭式电炉；( 3 ) 按炉体 可分为固定式和旋转式电炉；( 4 ) 按电极数量及布置形式可分为三相六电极 圆形电炉和三相六级按“一”字形式排列的矩阵电炉。铁合金直流还原电炉 是将直流电应用于铁合金电炉还原冶炼上。其主要特点是使用石墨电极或自 焙电极，并且炉底接电源的一极，炉底既是导电体，又是熔炼坩埚。根据直 流电炉的电极数量，它可分为单电极、双电极及三电极电炉。 6 3 0 0 k v a 硅铁交流还原电炉技术性能如下：炉型：矮烟罩半封闭式，变 压器容量6 3 0 0 k v a ，变压器一次侧电压l o 或3 5 k v ，变压器二次侧电压9 4 1 0 6 1 2 2 v ，变压器二次侧电压级数( 级差) 级( v ) ：8 ( 4 ) ，电炉常用电压 1 1 0 、1 1 4 v 电炉常用电流3 2 6 7 8 a ，电炉最大电流3 2 6 7 8 a ，频率5 0 h z ，相数3 ， 接线方式d ，d o ( y ，d 1 1 ) ，调压方式：无载电动，电极直径7 8 0 m m ，电极电 流密度6 1 a c m 2 ，电极极心圆直径1 9 5 0 m m ，炉膛直径4 5 0 0 m m ，炉膛深度1 9 0 0 m m ， 、 炉壳直径6 0 0 0 m m ，炉壳高度3 6 0 0 m m ，矮烟罩或炉盖净空高度1 8 0 0 m m 电极升 降工作行程1 0 0 0 m m ，电极升降速度0 5 m m i n ，平均日产量1 4 1 4 5 t ，单位 产品电耗：8 7 0 0 8 9 0 0 k w h t ，年工作日3 3 0 3 4 0 d 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 硅尘的回收与利用 2 4 1 硅尘的物理化学性质 硅尘( 也称硅粉) 是在还原电炉内生产硅铁和工业硅时，产生的大量挥 发性很强的s i 0 2 和s i 气体与空气迅速氧化并冷凝而生成的，每吨硅铁 ( f e s i 7 5 ) 壳产生硅尘2 0 0 3 0 0 k g 。 2 4 1 1 化学成分 硅尘的s i 0 2 很高，一般可达8 5 9 8 。硅尘的颜色随c 、f e 2 0 3 含量 增高而色泽由白、灰白到灰、深灰变化。就质量而言，s i 0 2 含量高，颜色淡 白，白度4 0 5 0 。 2 4 1 2 细度 硅尘的颗粒极其细微，从表1 - 1 看出，粒度小于ll a m 的占8 0 以上。平 均粒径为0 1 o 1 51 - tm 的是一种超微固体物质。硅尘与其他粉状物质相比， 其比表面积可达2 0 0 0 0 0 2 8 0 0 0 0 c m 2 g ，比粉煤灰大5 0 倍左右，比水泥约大 5 0 1 0 0 倍。超微粒的制造和应用是8 0 年代的高技术。目前已有a 1 2 0 3 、氧化 锆、磁性氧化铁等多种超微粒和碳化硅、氮化硅及其他金属和合金超微粉， 可用于精密陶瓷、高性能粉末冶金、导电性材料、磁性材料、传感器等新材 料。因此，硅尘具有的超微特性，在改善和提高材料的性能方面有着极为重 要的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表2 - 1 硅尘的粒径分布 粒径k t m 中国a 厂慌 中国b 厂， 美国某厂， 日本某厂， ) 1 02 34 7 5 1 01 4 3 56 51 4 3 - - 2 4 6 4 9 1 3 7 2 0 5 lo7 27 o “21 5 5 0 4 0 51 0 _ 31 4 2 也0 4 03 0 45 3 7 0 2 o 3 6 6 3 1 5 1 0 1 o 24 4 8 q 6 3 66 3 5 9 0 时) 16 3 0 c 密度2 1 3 o r d c m 3 堆密度2 0 0 2 5 0 k g m 3 p h 值 6 7 8 0 电阻率( 常温下) 2 4 1 0 1 4 q r n ( 1 5 0 时)3 3 1 0 1 2 q m 自然倾斜角 3 8 。4 3 。 电阻率决定了它不能直接勇静电除尘器。 2 4 2 硅尘的用途 2 4 2 1 用于水泥工程 由于水泥生料配制；生产混合水泥；生产超密水泥；用作低水泥浇铸料。 2 4 2 2 用于砂浆和混凝土 在建筑、建材行业中是当前硅尘应用的主要途径。在砂浆和混凝土中使用 硅尘时一般都与减水剂同时使用，主要起两个作用：( 1 ) 水泥水化过程产生 的c a ( 0 h ) 2 能与硅尘反应，产生低c s 比的c s h 水化物，构成少含或 不含c a ( o h ) 2 、不易渗透的水泥结构，使砂浆和混凝土致密和均匀。( 2 ) 砂浆、混凝土中加入硅尘和减水剂，充填到水泥颗粒之间，使砂浆、混凝土 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 显气孔率下降，气孔结构改善，进一步提高混凝土的性能。新拌硅尘混凝土 的性能特点：粘性大、泌水性小。硬化后混凝土的性能特点：力学强度高、 物理化学性能改善。目前硅尘混凝土已应用在下述地方： ( 1 ) 建造高层大厦。 ( 2 ) 用于抗冲刷磨损、抗渗漏工程。1 9 8 6 年我国己将硅尘砂浆应用于 葛洲坝水闸的修补和2 0 0 0 3 0 0 0 m 3 蓄水池的防渗。 ( 3 ) 用于高强度抗渗工程。我国上海用高强度预制件建造上海黄浦江越 江隧道工程。 ( 4 ) 用于抗硫酸盐、氯酸盐、钢筋防锈和提高耐久性工程。1 9 7 6 1 9 7 8 年瑞典建造了受海浪冲击的码头工程：我国在沿海建造了水下采油 平台。 ( 5 ) 用于抗磨、抗冻、防腐等工程。 2 4 2 3 其他用途 生产水玻璃；作为生产橡胶的填料；作球团粘结剂；作硅酸盐砖的原料； 用于农肥和改良土壤：用于回炉；作防结块剂。 总之，硅尘曾一度被认为是一种严重污染环境的烟尘，而今经各国的研 究和利用已证实它是一种很有价值的商品。随着人们认识和实践的深入和发 展，将会发现新的利用途径并不断提高其使用价值。 2 5 硅铁矿热炉的炉气、烟气、烟尘的参数 2 5 1 硅铁电炉烟气的产生及变化规律 硅铁冶炼过程中，电炉产生的废气主要包括：电炉熔池在高温电热下， 还原剂碳与氧发生反应生成c o 和c 0 2 ；熔池内碱性金属炉料在高温下气化、 熔融金属被氧化或直接蒸发进人废气( 随后冷却变成固态粒子) ；未被完全 燃烧的焦碳末、矿粉等被气化和蒸发的金属或热气流带出熔地进入废气； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 在烟囱抽力的作用下，从烟罩敞口处进人的空气。这些物质就构成了电炉烟 气，也就是我们经常见到的浓浓的白色烟雾。 在一炉硅铁冶炼过程中，烟气量、烟气成份和烟气温度是不断变化的： 烟气量一般是前后期较小，中间最大；烟尘浓度是前中期较高( 因为前期要 加料，中期要捣炉、投料) ，后期较低：烟气温度是随着熔池温度的升高而升 高。 2 5 2 烟气的性质 半封闭工业硅炉烟气的主要成份是n 2 和c 0 2 ，另外还有少许h 2 0 等，各 组成成份的含量如表1 所示。 当然烟气的成份并不是一成不变的，而是与炉料和炉况的变化密切相关。 6 3 0 0 k vo a 电炉烟气的产生量一般为7 8 0 0 0 n m 3 h ，烟气温度一般为15 0 2 8 0 。当料面产生刺火现象时，烟气量和温度会向上波动2 5 左右。 表2 3f e s i 7 5 的炉气、烟气、烟尘的性质 冶炼炉气理论量烟气成分( 理论体积分数) ， 品种( n i n 3 t )c o c 0 2 c h - h 2 f e s i 7 51 9 0 09 1 730 647 续表 烟气成分( 理论体积分数) c 0 2h 2 0m0 2 约3l 27 5 7 85 1 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 续表 烟尘成分， s i 0 2 f e 0 m g oa k 0 3 c a oc 约9 0 约3约l0 2 i 50 4 l3 d 续表 烟尘粒度， 8 857 由表l 一3 可知：电炉烟尘粒径小于l t li n 的部分占据了很大比例，用一般的 除尘技术是不能治理达标的。总之，半密闭工业硅炉烟气量大、含尘浓度高、 烟尘粒径小，烟尘危害性大。正因为如此，使烟气净化比较困难、复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章除尘器的工作原理与性能比较分析 除尘器的设计与选型是除尘工程设计中的重要环节之一。除尘器的选型 包括除尘器类型容量大小选择及针对工程具体要求的选择等。选取除尘器类 型包括机械除尘器，袋式除尘器，电除尘器，湿式除尘器，空气过滤器等。 3 1 除尘器工作原理和性能 除尘器的工作原理都是以作用力为理论基础。根据力的性质不同，设计 出不同的除尘器。除尘工程中常用的除尘器分为四大类，这些除尘器都是依 靠各种作用力从气体中分离和过滤粉尘粒子的。 3 1 1 机械除尘器的工作原理 机械除尘器有重力沉降室，惯性除尘器和旋风除尘器三个类别。它们的 主要特点是结构简单、易于制造、价格低廉、便于维护等，因而广泛的用于 工业生产中。但一般来说，这类除尘器对大粒径的颗粒物具有较高的分离效 率，而对于小粒径颗粒物的捕获率相对较低。因而这类除尘器常用在去除大 颗粒粉尘及除尘效率要求不高的场合下使用，有时也作为多级收尘系统的前 置预收尘器。 重力沉降室工作利用的是重力，在重力作用下含尘气体中的粉尘在沉降 室被分离出来。惯性除尘器分离粉尘利用的是惯性力。惯性力是反映物质自 身运动状态的力，受到外力时物质改变运动状态。在相同的作用力下惯性小 的物体比惯性大的物体容易改变运动状态，即得到的加速度比较大，这对惯 性小的粉尘是有利的。旋风除尘器利用的是离心力。所谓离心力是指做圆周 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 运动的物体对施于它的向心分离力。它是依据在旋转体的反作用力，利用离 心力分离非均相系统的分离过程通称为离心分离。它是依据在旋转过程中质 量大、旋转速度快的物质获得的离心力也大的原理进行工作的。 下面介绍具有代表性的机械除尘器旋风除尘器的工作原理 旋风除尘器的基本结构一般由进气口、筒体、锥体、排气管及集尘箱等组 成。根据含尘气流人口方式的不同，又可分为切流反转式及轴流式两种。 图2 1 为切流反转式旋风除尘器中含尘气流的运动轨迹。流体从进气管进 入旋风筒后，由直线运动变为旋转运动，并在流体 压力及筒体内壁形状影响下螺旋下行，朝锥体运 动。含尘气体在旋转过程中产生离心力，使重度大 5 。 于气体的粉尘颗粒克服气流阻力移向边壁。颗粒一 旦与器壁接触，便失去惯性力而在重力及旋转流体 的带动下贴壁面向下滑落，最后从锥底排灰管排出 旋风筒。旋转下降的气流到达锥体端部附近某一位 置后，以同样的旋转方向在除尘器中由下折返向 上，在下行气流内侧螺旋上行，最终连同一些未被 3 1 2 静电除尘器工作原理 旋风除尘器除 尘过程示意图 静电除尘器分离粉尘靠的是静电力即库仑力。除尘过程分为四个阶段。 a 气体电离 在电晕极与集尘极之间施加直流高电压( 4 0 7 0 k v ) ，使放电极发生电晕 放电，气体电离生成大量的自由电子和正离子。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 b 粒子荷电 一般电晕极为负极，此时，正离子被电晕极吸引失去电荷，自由电子和随 即形成的负离子受电场力的驱使向集尘极移动，并充满到两极间的绝大部分 空间。含尘气流通过电场空间时，自由电子、正离子与粉尘碰撞并附着其上， 便实现了粒子荷电。 + 图3 - 2电除尘器的除尘过程示意图 1 电晕极：2 电子；3 离子；4 尘粒；5 集尘极；6 供电装置：7 电晕区 c 粒子沉降 荷电粒子在电场力( 库仑力) 作用下，向异性电极方向移动，在电极上进 行电性中和，粒子沉积在电极上。 d 粒子清除 集尘极表面沉积的粒子和附着在放电极上的少量粒子，隔一定时间需用 机械振打等方法将其清除，使之落入下部灰斗中，完成除尘过程。 电除尘器的主要优点有：除尘效率高，可达9 9 ；消耗能量小，压 力损失一般为2 0 0 5 0 0 p a ：处理烟气量大，可处理5 0 0 。c 以下的高温高湿 烟气；能连续操作，自动化程度高。自2 0 世纪应用于工业以来，电除尘器 得到了很大的发展和广泛的应用。静电除尘器的主要缺点在于设备庞大，占 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 地面积大，一次投资高，不易实现高比电阻和低比电阻粉尘的捕集。 3 1 3 湿式除尘器工作原理 湿式除尘器是利用液体去捕集气体中的颗粒物，达到净化的目的。较其它 三类除尘器( 机械除尘器、静电除尘器、过滤式除尘器) 而言，湿式除尘器有 它独特的优点：除尘效率高，甚至对亚微米级的粉尘都有较高的去除率；除尘 结构简单，占地面积小，造价低，操作维护方便；能有效处理高温、高湿、易 燃、易爆的含尘气体；能同时去除废气中的气态污染物。正因为如此，湿式除 尘器在工程上广泛应用。当然，采用湿式除尘器时，必须解决好以下问题：需 要有水处理系统，使除尘水闭路循环使用，防止二次污染；设备要防腐；不易 净化纤维性粉尘，憎水性粉尘。 文丘里除尘器是一种高效湿式除尘器。它主要由渐缩管、喉管、渐扩管、 脱水器四部分组成。废气进入渐缩管后，由于横截面面积不断减小，气流速度 不断增大当达到喉管时，流速达到最大值，通常是渐缩管入口流速的5 1 2 倍， 如此高速运动的气流把从喉管附近喷射进来的水滴冲击成更小的雾滴，由于速 度高，尘粒表面的气膜被冲破，尘粒被水润湿。同时，在喉管中由于动压急剧 增大，静压减小，如同绝热膨胀一样，水滴迅速蒸发，因而气体中的水蒸气开 始冷凝，细小的尘粒成为冷凝核。这样，烟气中的颗粒物不论粒径大小，其表 、 面都会附着一层水膜，附着了水膜的尘粒与水滴或其它颗粒相互碰撞，成为更 大的聚合体。随后它们在脱水器中被捕集下来。 3 1 4 袋式除尘器工作原理 袋式除尘器是利用多孔纤维材料制成的滤袋( 简称布袋) 将含尘气流中 的粉尘捕集下来的一种干式高效除尘装置。由于其具有除尘效率高，尤其对 微米及亚微米级粉尘颗粒具有较高的捕集效率，且不受粉尘比电阻的影响； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 运行稳定，对气体流量及含尘浓度适应性强；处理流量大，性能可靠等优点， 因此广泛使用于工业含尘废气净化工程。但目前存在的主要问题是：普通滤 料不耐高温，若采用特殊滤料，则成本过高；另外不适宜净化粘性及吸湿性 强的含尘气体，否则气体温度低于露点温度时，会发生糊袋现象，使除尘器 不能正常工作。 袋式除尘器捕集粉尘时，主要是靠粉尘通过滤袋时产生的筛分、碰撞、粘 附、扩散、静电、重力等效应来捕集的。 a 筛分效应 当粉尘粒径大于滤袋纤维间隙或粉尘层孔隙时，粉尘颗粒将被阻留在滤袋 表面，该效应被称为筛分效应。清洁滤料的空隙一般要比粉尘颗粒大得多，只 有在滤袋表面上沉积了一定厚度的粉尘层之后，筛分效应才会变得明显。 b 碰撞效应 当含尘气流接近滤袋纤维时，空气将绕过纤维，而较大的颗粒则由于惯性 作用偏离空气运动轨迹直接与纤维相撞而被捕集。且粉尘颗粒越大、气体流速 越高，其碰撞效应也越强。 c 粘附效应 含尘气体流经滤袋纤维时，部分靠近纤维的尘粒将会与纤维边缘相接触， 并被纤维所钩挂、粘附而捕集。很明显，该效应与滤袋纤维及粉尘表面特性有 关。 、 d 扩散效应 当尘粒直径小于0 2um 时，由于气体分子的相互碰撞而偏离气体流线作不 规则的布朗运动，碰到滤袋纤维而被捕集。这种由于布朗运动引起扩散，使粉 尘微粒与滤袋纤维接触、吸附的作用，称为扩散效应。粉尘颗粒越小，不规则 运动越剧烈，粉尘与滤袋纤维接触的机会也越多。 e 静电效应 滤料和尘粒往往会带有电荷，当滤料和尘粒所带电荷相反时，尘粒会吸附 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 在滤袋上，提高除尘器的除尘效率。当滤料和尘粒所带电荷相同时，滤袋会排 斥粉尘，使除尘效率降低。 f 重力沉降 进入除尘器的含尘气流中，部分粒径与密度较大的颗粒会在重力