（材料学专业论文）多热源碳化硅合成炉co气体收集技术研究.pdf

论文题目：多热深磺纯硅合戒妒c o 气体收集技术研究 专业：材料学 硬圭生：王爱民( 签名) 指导教师：王晓刚( 签名) 拣要 针对在传统a c h e s o n 法生产s i c 邋程中，产生了大量富含c o 的气体但却被臼自地 浪费掉的现状，利用作者导师发明的多热源合成s i c 新技术，自行设计了多种用于气体 收集的密封方式及配套的集气罩。为设鼹合适的集气器安装高度，特对炉表、袋气罩以 及炉表与爨气翠之润弱各点温度分毒教其影晌医素骰了研究，并瓣气俸渡集逡疆中不同 时刻逸出气体的组成、酸碱性、流量、压强及影响因索进行了实验研究。针对碳化硅冶 炼易发生喷炉事故，而且合成炉内逸出气体具有易燃易爆性，对气体收集安全性进行了 实验磅究，袋螽对气 奉净传及应用皴了褰褒分辑。 以钢带与压杆组合密对炉及集气罩厢纤维涂层笈合材料为主体的收集系统，密封性 好，质量轻，易拆离，便于移动和安装。集气空间内释点温度均随供电时间延长而升高， 同一时刻，妒内各点的温度随着距炉表位置的丹高两降低( 集气犟除外) 。在实验设定 豹集气罩题妒表5 0 c m 安装高度下，巢气犟最高瀑浚为4 4 0 。逡翔高潆证翟凌静碳蒺 原料以及焙烧料法的冶炼工艺有助于提高合成气中c o 的浓度，降低h 2 和c h 4 的含量。 在焙烧料法合成实验中，宁夏无烟煤台成气c o 浓度在6 5 8 9 2 1 不等，平均浓度 达8 1 ，h 2 鲍浓度在2 。8 2 1 。2 之瀚，c h 4 含量几乎鸯零，其次为获l l 焦炭，c o 的 平均浓度迭7 0 左右，最后是陕北姻漂，其c o 浓浚仅为6 5 左右。使用p h 广泛试纸 测得煤化程度高的无烟煤合成气酸碱值约为6 5 ，其它低煤化程媵的煤种合成气呈弱碱 性，酸碱值约为g 5 。在使用钢制集气鼹收集气体的撼个实验过程中，气体的臁强、流 蠢玛琵较稳迩，交琵较枣，莲力终盏5 k p a ，滚量为6 - 1 2 m 3 h 不磐。囔炉与气侮瀑簿实 验表明：若严格按照操作规程执行，气体收集安全性可以得到保i i e 。 产品x r d 和s e m 等测试分析结果寝明：合成s i c 产品的晶体含量、结晶类型的一 致性，晶体形虢特征都眈较好，丽且气体收集对s i c 产晶躲产量无影响。烟煤的赢湿孔 陈结构以及焦炭高温下鹣表面激碳亿均会提高合戒s i c 产品中静6 h - s i c 多鍪含量。 气体净化及应用分析结果表明：如将气体用以火力发电，将使碳化硅冶炼成本降低 2 5 。8 ；用于簧通燃料煤气，每生产1 吨s i c ，将可产生3 4 6 3 元的附加值；作为基础化 王暴糕生产擎簿、醋酸等纯工产鑫，蘩紧良磐，经济效夔巨大。 荚键词：羧纯硅；一飘纯碳( e o ) ；浚集 研究类型：应用研究 s u b j e c t：i n v e s t i g a t i o no nt h ec o l l e c t i n gt e c h n o l o g yo fc o g a sp r o d u c e d f r o mm u l t i t h e r m a ls o u r c ef u r n a c e s p e c i a l t y ：m a t e r i a le n g i n e e r i n g n a m e ：w a n ga i m i n i n s t r u c t o r ：w a n gx i a o g a n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 幽舾坠 ( s i g n a t u r e ) i nt h ep r o c e s so f p r o d u c i n gs i cw i t ht h et r a d i t i o n a la c h e s o nm e t h o d ，t h e r ei sal o to f c o t h a ti sw a s t e d + f o rt h i sr e a s o n ，t h ea u t h o r d e s i g n sm u l t i f o r m s e a l e ds y s t e m sa n d c o r r e s p o n d i n gg a s - c o l l e c t i n gc h a n n e l sb yu t i l i z i n gm u l t i - t h e r m a ls o u r c et e c h n o l o g yc r e a t e d b yt h et u t o r i no 蚶e rt oi n s t a l ls u i t a b l eh e i g h to fg a s - c o l l e c t i n gc h a n n e l ，w es t u d yt h e t e m p e r a t u r ea n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro f t h es u r f a c eo ff u r n a c e ，t h eg a s c o l l e c t i n gc h a n n e l a n dt h es p a c eb e t w e e nt h es u r f a c eo ff u r n a c ea n dg a s - c o l l e c t i n gc h a n n e l ，m e a n w h i l e ，w e s t u d yt h ec o m p o s i t i o no f t h eg a st h a te s c a p e sf r o mf u r n a c ei nd i f f e r e n tt i m e b e c a u s ei ti se a s y t oo c c u ra c c i d e n ti nt h ef u r n a c ea n dt h eg a sf r o mt h ef u r n a c ei se a s yt ob l a s t ，s ow ep a y a t t e n t i o nt ot h es e c u r i t y a tl a s t ，w ei m p e r s o n a l l ya n a l y z et h ep u r i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no f t h e g a s i l a ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg a t h e r i n gs y s t e mw h i c hc o n s i s t e do f s t e e lb a n d a n d c o m p r e s s i o n b a rb u i l t - u ps e a l e df u r n a c ea n dg a s - c o l l e c t i n gc h a n n e lh o l d st h e c h a r a c t e r i s t i co fg o o dl e a kt i g h t n e s s 、l i g h tq u a l i t ya n ds oo n s p a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sa s t h et i m ep r o l o n g s t h et e m p e r a t u r eo f e v e r yp o i n ti nt h ef u r n a c ef a l l sw i t ht h ed i s t a n c ef u r n a c e p o s i t i o nl i f t si nt h es a l n et i m e w h e nw es e tu p5 0 c md i s t a n c ef r o mg a s c o l l e c t i n gc h a n n e l t o t h es u r f a c eo f f u r n a c e ，t h em a x i m u m t e m p e r a t u r er e a c h e st o4 4 0 t h em a t e r i a l s 诚t hh i 妊 d e g r e eo fc o a l i f i c a t i o na n dr o a s t i n gm e t h o dw i l lr a i s et h ec o n c e n t r a t i o no fc oa n dr e d u c et h e c o n c e n t r a t i o no fh 2a n dc h d i nt h ee x p e r i m e n to fr o a s t i n gm e t h o d ，w ec h o o s en i n g x i a a n t h r a c i t ea sc a r b o n a c e o u sm a t e r i a l ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc oi nt h es y n t h e t i cg a sl i e s b e t w e e n6 5 8 a n d9 2 1 ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f c or e a c h e s8 1 ，t h ec o n c e m n t r a t i o n o fh 2l i e sb e t w e e n2 8 a n d2 1 2 ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc h 4n e a r l yc o m e st o z e r o s e c o n d a r y ，w h e nw ec h o o s ec b m ka sc a r b o n a c e o u sm a t e r i a l ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c o r e a c h e s7 0 。a tl a s t ，w ec h o o s es h a n b e ib i t u m i n i t ea sc a r b o n a c e o u sm a t e r i a l ，t h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fc or e a c h e s6 5 w h e nw ec h o o s eh i g hd e g r e eo fc o a l i f i c a t i o na s c a r b o n a c e o u sm a t e r i a l ，t h ea c i d - a l k a l iv a l u eo fg a sa p p r o x i m a t e l yi s6 5t e s t e db yp ht e s t p a p e r ，o t h e r sp r e s e n tw e a ka l k a l i n i t y ，t h ea c i d - a l k a l iv a l u ei sa p p r o x i m a t e l y8 5 w h e nw e c h o o s es t e e ls h e l la sg a t h e r i n gu n i t ，t h ep r e s s u r e ，f l u xo fg a sa r ea l lc o m p a r a t i v e l ys t e a d y d u r i n gt h ew h o l ee x p e r i m e n t t h e yc h a n g el e s s t h ep r e s s u r ea p p r o x i m a t e l yi s5 k p a ，t h ef l u x i s6 1 2 m h 。t h er e s u l to f e x p e r i m e n t so nf u r n a c ei 巧e e f i o na n db l a s ti n d i c a t e s ：i f w ec o l l e c t g a sa c c o r d i n g t oo p e r a t i n gd u t y ，w ec a r la s s u r et h es e c u r i t yi nt h ec o u r s eo f c o l l e c t i n gg a s t h ex r da n ds e mr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c tw h i c hs y n t h e s i z e db ym u l t i t h e r m a l s o u r c ec o n t a i n sm u c hs i cc r y s t a l ，a n dt h eu n i f o r m i t yo f c r y s t a lt y p ea n dt h ep a t t e r no f c r y s t a l a r ep l e a s a n t w h e nw ec o l l e c tg a s ，i td o e s n ti n f l u e n c et h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t i f w ec h o o s e c o a lo fh i g hp o r o s i t yi nt h eh i 曲t e m p e r a t u r ea n dc o k e 谢t i is m a l lc a r b o n i z a t i o ni nh i 曲 t e m p e r a t u e ，i tw i l li n c r e a s et h ec o n t e n to f 6 h s i cp o l y t y p e t h er e s u l to fa n a l y s i so ft h ep u r i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no nt h eg a si n d i c a t e s ：i tw i l l r e d u c ec o s tb y2 5 8 ，i f t h eg a si su s e dt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y i tw i l lc r e a t e3 4 6 3y u a na d d e d v a l u e ，a n di fi ti su s e da sc o m m o nf u e lg a s ，o ri ti su s e da sb a s i si n d u s t r i a lc h e m i c a l s ，i tw i l l h o l de x t e n s i v ep r o s p e c t 。 k e y w o r d s ：s i l i c o nc a r b i d ec a r b o nm o n o x i d ec o l l e c t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 压姿斜技夫攀 学位论文独创性说明 本人郑重声鞠：所呈交的学德论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标淀和致谢的地方外，论文中不包含 其链人域集倭已经公开发表或撰譬过缒研究成暴，迄不包含麓获褥嚣安秘致大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：或嚣舀藕：耐5 曩 2 学位论文翔谖产权声麓书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工佟的怒说产权攀蹙属予珏安葶萼技大学。学铰玄蔽保餐并浅莺家畜关帮门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阐。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行梭素，可以采用影印、缩印或扫描 等复潮手段僳存释汇缡本学位论文。间对本人僚诞，华监螽绥含学位论文磷究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大举。 保密论文德解密麓遥矮本声聪。 学位论文作者签名：王莨影指导教师签 1 绪论 1 绪论 1 1 镶题豹弱的及意义 碳化硅魁一种人造材料吲，它具有许多优异的性能，如耐磨削、耐高温、耐腐蚀、 离热导率、胬化学稳定性、宽带隙以及离电子迁移率铃p j ，被广泛应用于磨料摩具、耐 火秘辩、毫瀑缝麴晦瓷、主 皇导蕊麓越、嚣线洼电阻耱耱黻及毫渥、大功率宅子元器传等 领域，所涉及剃行业有冶龛、石油、化工、建材、航空航天、机械、激光和微电子等f 4 1 1 5 1 6 1 1 7 1 。 强大的市场需求动力推动潜s i c 合成产业的不断扩大，中国、俄罗斯、巴西、加拿大等 圈已成为s i c 产品的主要生产国和出口阑，全球年产罴已达2 0 0 万吨。中国是墩界上最 大懿s i c 生产蘑帮出日国，其产量约占全球蕊l 撙1 3 ，密西量占憩产量豹8 0 ，然焉， s i c 生产需要耗费大量的墩力资源，并且需要用优质焦炭、无烟煤戚烟煤及优质石英砂 作为原料，因此在资源相对紧张的国家，s i c 生产成本很高。 王业合成s i c 是戳石英砂与石涵焦凝、烟煤或臻矮无烟煤俘鼷辩，在a e h e s o nj 妒中 经高温碳热还原反应生成，箕反应方程戏为： s i 0 2 f f l + 3 c ( ，1hs i c ( ，) + 2 c 0 ( 9 1 7 4 4 5 k j o ” 在合成s i c 产品的同时，还要释放如大量以c o 为主要成分的气体。c o 虽是一种 窍毒气薅，整它逐是一静程惩徐篷较高豹气体资源。氯位碳气钵可终为燃麓、还漂骞l 、 有机合成的原料，用于制备羰基金属、光气、硫氧化碳、芳香族醛、甲醛、苯六酚、氯 化铝、甲醇，用于氢化甲酰化作用，用于制备合烃( 合成汽油) 、台醇( 羧、乙醇、醛、 飘及碳氢化合物鲍混合物) ，镑自颜料，戴继镪残貘，标准气，投正气，在线使豪标准 气翻【瑚。高纯一氧纯碳【l l 】f 1 2 l 主要用作稼礁气，孺子一飘化碳澈光器、环境益溺及萃萼学研 究中。在聚乙烯聚合反应中用作终止剂。据了解，目前国内少数c o 经销公司蕻高纯 c o 气体的售价高达1 3 8 0 0 元邝电，这一昂贵价格是由于c o 传统制铸工艺复杂、纯化成 本裹造残豹。纛s i c 生产中器藏夔c o ，其叁然浓度簸囊霉这9 2 黻上( 簧绞气凭法其 浓度最高达5 5 ) ，生产簿吨s i c 可回收这种浓度的c o 量达1 4 吨，即便是用质量不 太好的原材料生产，其气体中c o + h 2 + c h 4 含量也可达9 5 左右，这种气体除可用作化 工原料气外，用其发电，也可使每吨s i c 蛇生产电耗降低2 0 2 5 ，使s i c 生产成本降 低4 0 0 - 5 0 0 元，遗。 目前，国内外许多人郡在致力于c o 的收集技术研究，但由于冶炼技术的落后，尤 其是传统冶炼中不可避免的要发生喷炉【1 3 1 1 4 或炸炉等安全事故，使得以封闭炉体为最经 济可幸亍斡c o 收集技术无法实施。垦裁戆楚理方法只是将气 本在妒钵表露燃烧，露只 获得s i c 产龋，一方面，濑于车间通风条件的限制，c o 往往不畿完全燃烧，严蘑污染 西安科技大学硕士学位论文 繇凌，莛害车阕生产工久势傣筵瘫，舅一方瑟，大鼙豹气薅资源羧巍鑫浪费。依照我国 政府近年倡学的循环经济理念，遵循市场规律，建立s i c c o 一电力或化工产晶多联产 企业，充分利用被以往工业生产中所浪赞掉的这部分资源，就全国s i c 产能而言，可新 增1 0 0 多亿黥经济效益。同时，还可向大气中减少2 0 0 万吨的e 0 2 瓣放量，也会使现行 企监生产环境得弱一定馥蛰。对推动企激技术邃步，提升产品市场竞争力等帮有重要作 用，必将产生巨大的经济效益和社会效蓣。 1 9 9 8 年以来西安科技大学王晓刚博士等人对传统的a c h e s o n 法工艺进行改麟，发明 了多热源法合艘s i c 瑟技术l l ”，该鼓袋逶过多炉芯瓣瓣燕墨蔽露热l 叠热，缝短了传热 距离，降低了炉内温度梯浚，均匀了炉肉温度场，从而提高了热效率，扩大了生成s i c 的温区，起到了良好的节能、高质量和增产作用。更煎要的事，该技术杜绝了传统技术 生产中经常发生的喷炉、炸炉等不安全攀故的发生，如配以合适的收集材料和掭、封工 艺，可安全、可靠、毫效襄鏊实瑗气钵匏浚集。 1 2 国内外的研究现状及发展趋势 关于对s i c 合成炉内气髂收集的磺突，匡羚己鸯报道f 同，德謦e l e k t r o - s c h , q a e l z w e r k k e m p t e n ( 简称e s k 公司) 的超大型s i c 合成炉全部建在户矫露天处，并用个p e 包 封盖以收集炉内逸出气体，从c o 气体中提取硫分后，将其通过管道输送到厂区内的小 型火电厂中发电，其剖面圈及集气发电原理如图1 1 、1 2 所示，据介绍可节约2 0 的电 赞成本。 图1 1e s k 公司超大释量s i c 合成炉横向及纵向剖面图 f i g 1 1c u t a w a y s e c t i o n a lv i e w s o f g r a n ds c a l e o u t d o o r f u r n a c e i n e s k c o 这耱炉楚一耱露天设黉戆霾定炉，没有螨蘧，逡没有秘壤。多 褒霉寒，哭燕一令难 成小山形的料堆，故称“山”形炉。与普邋赢形电阻炉比较，这一结构的优点在于材料省、 造价低；电极脱离高温，可以长久地使用；所有输电装置都在地上，比较安全可靠；便 于采用炉罩收集炉气以减少环境污染。缺点是占地西穰大，露天作渡劳动条件麓，处理 乏精弱鼗量纛大。e s k 工艺瓣一令变体怒鑫美国逶嗣耱瓣公司设计豹没有臻璜鞠翻墙的 1 绪论 环形炉，长这1 2 2 寒熬环影炉安装在合成妒车遮肉，麓麴气管遂驭孛羧集台戒懋气。e s k 工艺不但可使能耗明显降低，同时也有效地保护了环境，但由于熬体设旌造价商，比较 雉推广。 蔓电始 尹 畸- _ - p 4 一 瓜童圭庶、 ，f ，局一 ；一 翻1 2e s k 致术静集气及发电原理圈 f i g1 2t h ec h a r to f c o l l e c t i n gg a s g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yo i le s kt e c h n o l o g y 西德肯普顿( k e m p t e n ) 电冶公司在“山”形炉的錾础上进而发展了“u ”形炉，其特 点是炉心意鬟成冒”型。该公运设在美壤公司豹“玎鎏炉炉长3 6 寒，裹6 5 添。变压 器容量1 5 0 0 0 千伏安，共三台变压器，每台变压器带朗台炉子。变压器的实际使用容量 为1 0 0 0 0 千伏安。该炉炉料总装入量为3 0 0 0 吨，每炉送电1 5 0 万度，按供电献停炉。 该炉最大特点是每天可根摄地区电网供电情况避高峰停止送电。由于炉子建得缀大，并 嚣是冒”鍪，搴拳迄辩炉蠹瀵覆下降不多，掰戳炉子每天秀次避连箨魄，每次2 4 夺薅， 最长可达1 0 小时，据称并不影响产品产濑和质量。每炉冶炼时间长达1 0 1 4 天。由于 送电时间长，所以结晶十分粗大，特别遄于生产4 4 2 0 “的粗号产晶【6 】1 1 7 】。整个冶炼炉 是露天作业，冷炼时用塑料薄膜把全炉攀住，用风机搬出气体，趱佟燃糕或嗣予火力发 魄。 “山”形炉和u ”型炉的一个共同优点是可以采用炉罩收集c o 气体，但由于喷炉事 故难以避免，所以大大限制了这种炉型的推广使用。 关予对c o 气薅匿收蜃麓戬毒l 嗣戆鹾究，藿蠹攘遴摄少，篱鸯棒等蓉在“关于霾l | 芟 嗣用黄磷炉聪气的建议”麓一文中调查发现：黄磷厂副产大量的一氧化碳尾气，以每年 生产1 0 0 0 吨黄磷计，则每年约产生2 5 0 万立方米高浓度( 9 0 以上) 的一氧化碳尾气， 约相当于1 0 0 0 吨优质煤。过去这些尾气部作为废气摊放搏了，翳浪费了资源又污染了 强境。为开发髑矮蓬气瓷源，治理环境，有些厂家已；开始襁这方瑟豹磅究工作，有戆蒋 尾气回收作为生产其他产品的燃料，有的利用回收尾气生产一些化工产品【暗】，李志宏等 曾指出国外芒i 有利用s i c 炉逸出气体进行发电的报道【” 2 0 l 。中国七砂集团有限公司于 1 9 9 9 年开展了一疆有关“碳讫硅合成炉炉气露收及缘会零l 曩”的招稼王薅：沁阳蠢彳碳诧硅 磨料厂2 0 0 4 年1 2 胃2 l 强发布了一项霄关“冶炼碳纯醚炉气回收”的招商信息。 西安科技欠学硕士学位论交 为了较好逡解决碳讫穗冶薅妒戆环缳翊蘧，一令霹行蕊方案楚设嚣冶炼炉妒气渡集 装置，把经过除尘、净化处理后的炉气从烟囱中排放出去。国外报道大致有两种形式。 一种是密封性的，一氧化碳在炉表面因缺乏空气而不燃烧，炉气成分主要是一氧化碳； 爨一耪是不密封的，一氧饯碳在炉表露燃烧，炉气怒含有少量c 0 2 、c o 积一定粉尘的 空气鼙1 】【2 薯。 密封性炉气收集装置的特征是：在炉料下面设置有用多孑l 材料充填的炉床，在炉料 上面设置有用薄片状材料作成的炉罩，猩炉床内部和炉罩上设置出口，通过这个出口把 收集戆炉气弓| 逡寒。妒床弱充凄誊耋鹳，霹傻嗣砂砾、疑疾渥凝土鬏粒等，实践疆鞠1 6 3 2 m m 的硅石颓粒特别适用。炉床的底部和斜面上可附加不透气密对层，例如用混凝土 戏塑料板制成的密封层，当然这些塑料檄与高温的炉料之间必须保持足够的距离。 炉罩同样设置在炉的全跃上。制作炉罩不一定要使用耐热材料，如果用不耐热材料 髂炉军，应注意不麓在嵩瀑下使滔。炉翠上静溢度，氇静是炉表露辫近处戆气傣温度， 取决于装料的高度。因此炉罩可用0 1 o 5 m m 厚的聚乙烯膜制成，也可采用帆布、石 棉布、浸渍过的织品等不透气可挠性材料制作。在炉鼹与地面接触的周边上可堆积砂子 以便密封和圜邃。 在砂砾炉寐和炉罩上设置的炉气弓| 嫩管，其衡瑟肖排孔隈，以便收集炉气。这些 管子可根据使用温度的高低，用铁管或魍料管制成，并通过风机与烟囱相接。管的根数 和截面，应根搌炉的大小、功率和炉气的数量来确定。 炉翠逵巍绦跨逶当静燕压，这襻一方嚣胃激怒炉瀑支撵起来，黻避免它窝炙熬炉精 囊按接触，另一方面又可防止空气漏进炉罩内而引起燃烧。为此鬣好用节流阀作为炉气 引出量的调节装置，以便缀常调节罩内雁力。支撑集气罩所必需正压的大小，取决于炉 鼹的毒季质。 菲密封靛的炉气收集装嚣有若于静形式，下面分绥其中豹蓠耪。 一种是日本昭和电工株式会社在生产中采用的移动式集气罩。它自带动力，使用罩 体既可在水平方向上移动，又可绕其水平轴线转动。电阻炉合成时，炉罩设于电炉上面 以收集烟气，当捩墙时，炉零跟隧两一嬲移魂，可将大部分有害气髂窝粉尘啜入霉内。 这些含尘气体经冷却塔降溉到低于1 0 0 后，经布袋豫垒装置除尘避滤，过滤稻的有害 气体则通过2 0 m 高的烟囱排放出去。 另一种怒特别适用于喷炉时无法进行压料处理的合成闻，用以处理喷炉时产生昀含 大量一氧豫凝蘩l 粉尘弱炉气收集装置。 国内方面，倪长贺于1 9 9 8 年9 月1 申请了“冶炼碳化硅的炉气回收装置”专利【2 3 j ， 见图1 5 所示。该装置的特点：在冶炼炉上方设置有一封闭炉罩，在炉罩与地面的连接 处设置有一水挝壤，在炉犟的侧面安鸯测压口，在炉嚣的顶部还安装有泻压装嚣，炉罩 上帮的气体崮疆通过阀门与洗气装置穗涟，其出口与撼枕相连通，丽风辊的毒秘箍与储 4 1 绪论 罐或燃浇系统疆连逶。摇葵夯绥该装委爨存结筏及工蕊合理、残本羝、安全可靠警往点， 可大大地改蓉现场的操作环境、降低高渝辐射、减少中毒现象的发生，所回收的炉气可 输送到指定地点烧掉或作燃料使用。但怒据我们所知，目前该技术还未被应用于工业化 生产中。 图1 3 冶炼碳化硅的炉气网收装置 f i g1 3t h eg a sc o l l e c t i n gd e v i c eo f s m e l t i n gs i c 1 3 论文磷究的主要内容 在论文开展以前，已经研制出了集气罩用纤维涂屡复合材料，它通过对双层耐温布 ( 高温胶粘剂粘结) 进行涂层整理，即猩耐温布的表蕊均匀地涂布一层或多层耐蕊温涂 瓣，赋予瓣滋布虢良好懿瓣鹰淦、霾重藤镶及受努鹣气密瞧能。实验诞明：叁翻集气军装 鬣在使用过程中具有良好的力学性能、耐高温性能和密封性能。在前期收集气体的实验 中，收集的炉次为6 炉，持续使用时间为1 5 0 h ，最高使用温度为4 4 0 。c ，2 0 0 以上使 塌时闻大于l o o h ，基翦该蘩气罩仍具袁较赢静力学馕鼹，在默后的c o 收集实骏中还可 使爝。在蓊麓实验工作靛麓磁上，蔽本漯蘧的侧重点集中在以下几个方面。 一、气体收集工艺实验研究。利用作者导师发明的多热源冶炼s i c 新技术，自行设 计了多种用于气体收集的密封方式及配套的封装材料。通过反复的宓验，确定邋用于工 建2 位生产豹簸镶蜜鸷方式、嚣装瓣糕及寮封工艺；遴遥浚交巍缝零季凝懿越来舞凌霹欠砖 之间的渗气难题，使气体收集获得良好的效果；为了保证气体收集过程的有条不紊、安 全的进行，制定了气体收集工艺步骤。 二、集气空间温度场分椎规律及影响因素研究。为了选择合邋戆集气罩距炉交蛉毒 疫，敖要蒺瀵集气空蓠交躺涩度分布。通过在多熬潆s e 合藏炉肉不露豹位置设嚣温度 梭测点，用热电偶测量其温度，从而摸清了炉内的溉度场分布规律，并对其影响因素作 了客观的分析。 三、气体理证性质及影响医素磅突。在合成s i c 并收集气俸邋程中，溅量不同时闽 飙炉内逸出气体的酸碱毪、压力以及流爨，并采强气俸分析仪对气体组成作分析，对影 西安科技太学硕士学位论文 晌气嚣维或豹蠢素疆了努季厅。 四、s i c 产品质量及影响因素研究。在气体收集过程中，物料内以及炉内空问被大 艇的c o 气体所填充，理涂上会影响s i c 产量，通过x r d 、s e m 等仪器分析气体收集 中合成s i c 产品品质及产蕊，并对影确s i c 产品的因素作客觋的磷究。 五、气 搴收集安全性实验研究。由予c o 气舔及煤热解所释放的h 2 、c k h 等气体具 有易燃易爆性，再加上由于原料配比和供电制度等因索引起的喷炉潦故，所以要研究在 气体收集过穰中上述情况下是否会发生爆炸事故，若谢爆炸该采取什么样的措施加以避 免。 六、气体净化及应用分析。总结从碳化硅合成妒内逸出气体的特点以及应用不同领 域所应采取的净化措施，最后对合成气的利用作客观的分析。 l 。4 技术路线 6 2c o 气体收集工艺的实验研究 2 。1 实验爨糕及设备 2 1 1 实验原料 2c o 气体收集工艺的实验研究 实验遥掺了毒海无魑煤、宁夏无难漾、陕j 烟煤焦炭、获二迄癸惩媒、蔽l l 季孛基 烟煤、陕北神星烟煤焦炭和陕北解放沟焦炭作为碳质原料；青海石英砂为硅质原料，进 行c o 气体收集工艺的实骏研究，以此确定进行气体收集的具体工艺条件及收集步骤。 作为硅质琢料的石英妙来自青海景城，其成分的工业分板结栗和粒度组成翔表2 。l 、 表2 2 耩示。 表2 1 石英砂的工业分析结果( ) t a b l e2 1t h ei n d u s t r i a la n a l y s i sr e s u l to f q u a r t z i t e ( ) 瑗覆原耱经实验室戆鞭式疆薅骞毛磁褡磊透露，葵粒瘦小于l m m ，萁工蜚分辑结采 如表2 3 所示。 表2 3 碳质原料的工业分析结果( ) t a b l e2 3t h ei n d u s t r i a la n a l y s i sr e s u l to f e a r b o n a c e o n sm a t e r i a l ( ) 7 西安科技大学硕士学位论文 2 1 。2 实验设备 实验室现有的设备主要有多热源碳化硅合成炉、混料机等。合成炉是由实验室自行 设诗建造，它包括供电系统、炉钵和冷龆系统三部分缀或。多热源s i c 合成炉炉体示意 辫如鹜2 1 掰示。 图2 1 多热源s i c 合成炉 f i g2 。lm u l t i t h e r m a ls o u r c es i cf l l l 1 i c e 供篷系绫由冶炼爱交垂器、整流浚餐秘控嗣系绕缀或，装置懿强2 2 瘊示，交歪器 的部分性能参数如表2 4 所示。 圈2 2 含戏炉鳕馔毫设鍪 f i g2 2t h ee l e c t r i c a ls u p p l ye q u i p m e n to f s y n t h e t i cf u r n a c e 8 2c o 气体收案工艺的实验研究 表2 4 交嚣器麴蘩分性裁参数 t a b l e2 4s o m ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t r a n s f o r m e r 混料设备如图2 3 所示： 2 1 3 实验装炉工艺 图2 3 混料设备 f i g2 3t h em i x i n gm a c h i n e s i c 电阻炉制炼工艺与其它电热冶燎过程楣眈，其显著特点楚，当这个电隰炉装炉 完毕，这一妒次靛工艺润戆就已基本意蹋，送电过程中无法调整炉予静工艺参数。炉料 组成与炉芯体的相互配合造宜与否，对炉子产量和质掇关系极大。为此对反应料的配制 应十分慎重和严格。 鬏摆工照浚炼s i c 懿实际婕嚣确定凝粒豹配琵，酝篦参数蒎鬃怒影残碳恁麓豹总反 应式：s i 0 2 + 3 c = s i c + 2 c o ，碳化硅生产中习惯用碳醚比( $ ) 柬确定s i 0 2 和c 含嫩之比： 。新料中无烟煤( 戚石油焦) 配入量无烟煤( 或石油焦) 中网定碳含量 凝料中硅砂酝入量硅砂 s i o ，含量 依据化学反应方程式则有 矗：三坠：丝：o 6 m s 。1 6 0 盎于s i c 冶炼炉悫黪反应遗猛卡分复杂，因藏，在全毅拳墨帮舂郏分回炉辩参艇蹲鞋 及炉内各个部位，实际的碳硅比值，应霄一定差异。郊对全薪料丽富，通常配眈援【要大予 9 西安科技大学硕士学位论更 理论蓬。考虑爨炉蠹气终豹漉自，下整瓣碳硅 l 逶嚣在理论瑾i 醛邋，瑟上部瓣袋疆魄瑾 论值要大得多。各部料的装炉配比如图2 4 所示。 漶：1 3 3 = o 6 2 0 圈2 , 4 装炉配魄示意圈 f i g2 4s k e t c hm a po f c h a r g i n gm i x t u r er a t i o 2 2 实验方案及测试仪器 2 2 1 实验方案 为了研究炉内温度场分布规律、气体压力、气体流量、气体酸碱性以及气体组成等 竣设计了3 种实验方案，魏图2 5 所示。 西滞 t m 3 t 端l t 毵 国 l o 压力 2c o 气体收集工艺的实验研究 ( c ) 图2 5 实黢方秦 f i g2 5e x p e r i m e n t a lp r o j e c t s 方案l 如图2 5 ( a ) 所示；开放冶炼时，测量炉内各点的温度分布。 方寨2 妇强2 。5 秘鼹示：气搏瞧集辩，溅量炉内务点匏温度绫及炉蠹气彝懿压力。 方案3 如图2 5 ( c ) 所示：加引射装鬣，测量炉内器点的温度以及炉内气体的压力。 为了研究不同密封方式的密封效果，通过对s i c 冶炼炉固定炉体进行改造，设计并 实施了6 种密封方式，包括钢制罩壳炉、法兰密封炉、胶管螺栓密封炉、胶条压糟密封 炉、荻条囊l 锈疆鳃合炉及镄麓与压程缝会密羹炉，各密羹方式蟊下掰示。 ( 1 ) 钢制罩壳炉 鹫2 6 钢澍罩菱炉 f i g2 6s t e e l s h e l lf u r n a c e 西安科技走学硕士学位论走 鑫圉2 + 6 霹舞，镪痰攀壳炉叁钢麓溪壳露底座孝弩成，在完戏装| 妒豹工淳磊，蔫先在 底座上放置长方形的耐温密封垫子，然后通过电机驱动滑轮将翠壳吊起轻放在底座 一上，最后采用法兰方式将钢罩与炉基座联接密封。 ( 2 ) 法兰密越炉 图2 7 法兰密封炉 f i g2 7f l a n g es e a l e df u r n a c e 壶鹜2 。7 可籍，法兰密封炉是鑫柔蕊榜耱镧残鼙巍窝瘫痉襁箴，底痤上予壤法兰， 在进行气体收集时，将布翠罩在放有密封圈的底座上，通过法兰密封联结。 ( 3 ) 胶管螺栓密封炉 图2 + 8 黢餐螺拴密羹炉 f i g2 8r u b b e rh o s ea n db o l ts e a l e df u m a c e 1 2 2c o 气体收集盖艺的买验磺究 由图2 8 可知，胶管螺栓密封炉是由柔性布罩及其预留在弧形端墙和崽形基座的圆 形沟横枣每成，在进霉亍气体收集之翦，善先将蒙性南罩缝绕在胶管上，然后姆获管嵌入海 槽肉，通过螺栓将胶管紧紧压入在圆形沟槽内。 ( 4 ) 胶条压槽密封炉 翔2 9 黢条蕊穰密封炉 f i g2 9r u b b e rs t r i pa n di n d e n ts e a l e df u r n a c e l ! 彝图2 9 可知，胶祭愿稽密封炉是由柔燃布罩和预露在圆弧溅端墙和基座两侧的沟 稽构成，实验中先将布罩翠在炉子上，然后稍大锤将高弹性的矩形橡胶块和布罩一起嵌 入矩形沟槽内。 ( 5 ) 钢带与压抒缝合密封炉 图2 1 0 钢带与压杆组合密封炉 f i g2 1 0s t e e lb a n da n dc o m p r e s s i o nb a rb u i l t - u ps e a l e df u m a e e 西安科技大学鞭士学位论文 由图2 1 0 可知，钢带与压杆组合密封炉凸弧端墙和半圆形侧封沟槽，构成无拐点， 完全连续的联结蜜越冥嚣，调节好镶带紧固螺捡层，在压紧侧压装置的弱辩，端墙锱繁 随之一起压紧，一次完成粥墙和侧墙密封的两个动作，钢带及压紧杆正下方铺有一滕弹 性橡胶，靠橡胶形变反棚施压，将处于钢带和橡胶之问的封布压紧。 ( 6 ) 胶条侧镪投缀合炉 胶条侧钢板组合炉结构与图2 , 9 的主体结构基本相同，区别是：侧部密封沟槽米在 基座上，而是在两侧加钢板并作密澍沟槽密封。 2 2 2 测试仪器 ( 1 ) 温度测试仪表 双铂铑熟电偶，二次仪表x m t - i o i 型，b 分度，浏炉表温泼。 铂铑一铂热电偶，二次仪表x m t - 1 0 1 型，s 分度，测集气空间温度。 镶铬一镶疆热电瘸，二次饺表x m t - 1 0 1 鍪，k 分浚，( 3 支) ，测集气空耀遗度。 热电阻，二次仪表，x m t3 0 0 1 型，e 分度，测布帑温度。 ( 2 ) 气体理化性质测试仪器 气蕊缝藏 使用s p 2 0 0 0 型气相色谱仪和q f 1 9 0 4 憋气体分析器对气体组分含量进行测定，实 验方法分别为气相色谱法积化学分轿法( 测容法) 。图2 。1 1 为q f 型气体分析器中最常 焉豹两释，它 j 分剐是q f 1 9 0 1 翮q f 一1 9 0 4 型气钵分李厅器搿】銎s j 。两者只麓在结摘上有 少许箍异，但实验原理相同。气体分析原理为：化学试剂对合成气中的特定组分做选择 性的吸收，逶过体积的减小量确定合成气中各成分的含量。 图2 1 1 气体分析器 f i g2 t1g a sa g a | y z e r 1 4 国q f - 1 9 0 4 2c o 气体收集工艺的实验研究 气体流量及压力 玻璃转子流量计，l z b 一2 5 ( 1 0 ) 型( 2 支) ，测气体流量。 膜合压力表，y e l 0 0 型，测集气空问压力。 “u ”型压力计，2 5 4 3 7 0 1 0 3 型，测炉内微压力。 气体酸碱值 p h 广泛试纸。 ( 3 ) s i c 产品测试仪器 合成产物的物相组成用日本理学d m a x 2 4 0 0 型x 一射线粉末衍射仪测定，测试条件： c u 靶( k d ) ，加速电压：4 8 k v , 管流：1 2 0 m a ，狭缝1 0 1 0 0 6 m m ，扫描角度3 9 0 。，扫描 速度：1 0 ，物相的晶型及其多型体的含量用该x 衍射仪自带软件直接法定量。 合成产物的结晶形貌特征用荷兰飞利浦p h l l p sx l 2 0 型扫描点镜进行测试，测试 条件为：加速电压2 0 k v ，电流7 0 a ，工作距离1 5 m m 。 2 3 实验确定的工艺条件及收集步骤 2 3 1 密封方式的确定 s i c 合成冶炼结束后，集气装置须拆离，重新装炉后继续收集，因而要求该装置易 拆离，便于移动和安装灵活，并且集气装置重量要轻，体积要小。鉴于上述原因，确定 集气装置设计制造的原则：密封性好、质量轻、易拆离、便于移动和安装。 实验结果表明：各种密封方式的密封效果有一定的差异，其中钢制罩壳炉的密封效 果最好，但由于钢壳笨重、易腐蚀以及铁锈污染物料等原因故不适用于工业生产，但在 实验阶段为炉内温场的研究、气体成份分析、气体压强测试起到了关键性作用，并为以 后集气罩的选材和制造打下了良好的基础。法兰密封炉结构太复杂，不利于工业操作。 胶管螺栓密封炉对操作要求精细且易造成局部密封布破裂而不实用。胶条压槽