專利名稱：硅礦熱爐煙氣凈化、納米SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所述的硅礦熱爐煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收的方法及其專用設(shè)備，屬于生產(chǎn)工業(yè)硅、硅鐵、硅錳、硅鈣礦熱爐的煙塵治理、余熱回收和納米SiO2制備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有納米SiO2制備技術(shù)主要有如下方法(1)氣相合成法在氫氣氛保護(hù)下，SiCl4燃燒過程中產(chǎn)生SiO2微粉
此法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，價(jià)位高，難以推廣應(yīng)用。
(2)Sol—Gel法采用正硅酸乙酯、硅溶膠、水玻璃等硅質(zhì)原料與醇類溶劑充分混合，用無(wú)機(jī)酸作為凝膠催化劑調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間。完成凝膠和過濾后，經(jīng)過適當(dāng)陳化處理，再進(jìn)行超臨界干燥，最后獲得納米硅氣凝膠。雖然Sol-Gel法比氣相合成法簡(jiǎn)單易操作，但是納米SiO2微粉易產(chǎn)生硬團(tuán)聚，其粒度和結(jié)構(gòu)難以控制。而且，生產(chǎn)過程還要排放大量污水。
在硅礦熱爐高溫還原氣氛下生產(chǎn)工業(yè)硅、硅鐵、硅錳、硅鈣過程中，產(chǎn)生大量的SiO2、CO、SO2、C、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO等煙氣和粉塵。例如，6.3MV·A工業(yè)硅礦熱爐煙氣排放量為72340m3/h，12.5MV·A硅鐵礦熱爐煙氣排放量為150000m3/h以上，一般每生產(chǎn)1噸工業(yè)硅產(chǎn)生250kg粉塵，每生產(chǎn)1噸硅鐵、硅錳、硅鈣產(chǎn)生180～200kg粉塵，其中煙塵中主要含量為SiO2微粉-硅灰，純度可達(dá)90％以上。硅礦熱爐屬于高能耗、污染嚴(yán)重的工業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目。目前，大部分硅礦熱爐沒有煙氣凈化和余熱回收設(shè)備，所排放的煙塵可以引起人和動(dòng)物嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾病，影響青少年正常成長(zhǎng)和發(fā)育；在植物莖葉上易形成粘附層和堵塞毛細(xì)孔，導(dǎo)致植物枯萎；由于硅灰在空氣漂浮時(shí)間長(zhǎng)，吸水性強(qiáng)，容易引起區(qū)域性的空氣干燥和空氣質(zhì)量下降。而且，目前尚未發(fā)現(xiàn)從硅礦熱爐煙塵中回收納米SiO2的方法及其專用設(shè)備。
現(xiàn)有的硅礦熱爐中只有個(gè)別爐采用了傳統(tǒng)的濕法除塵和干法電除塵、布袋除塵器，主要存在如下問題溫法除塵(1)需要大量洗降水，動(dòng)力消耗高(2)大量污水需設(shè)置龐大的水處理系統(tǒng)，并出現(xiàn)二次污染問題；(3)由于SiO2微粉吸水率高，需設(shè)置脫水和干燥裝置；(4)煙氣物理熱沒有得到充分利用；(5)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，占地面積大，投資高。
干法電除塵由于硅礦熱爐煙塵的比電阻高(104Ωcm左右)，如果利用干法靜電除塵器，需要對(duì)煙塵采取調(diào)質(zhì)處理等措施，技術(shù)要求高，運(yùn)行管理復(fù)雜。因此，投資及運(yùn)行費(fèi)用都比較大，一般企業(yè)難以接受。
干法布袋除塵(1)布袋的過濾負(fù)荷比較小，體積比較大，呈一排布置，占地很大，總體布置困難，應(yīng)用于大型礦熱爐較為困難；(2)布袋壽命低，由于硅礦熱爐回收的納米SiO2微粉，粒度小，粘附大，很快將布袋濾孔堵塞，反吹或振打?qū)γ摶倚Ч幻黠@，一般使用0.5年左右就需要更換布袋；(3)布袋不能耐高溫，對(duì)于礦熱爐600℃左右煙塵必須設(shè)置降溫系統(tǒng)或設(shè)置余熱回收系統(tǒng)；(4)由于過濾箱體多，卸灰系統(tǒng)設(shè)備多，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)連結(jié)比較復(fù)雜，漏損現(xiàn)象比較普遍，二次污染嚴(yán)重，生產(chǎn)環(huán)境差。
現(xiàn)有的硅礦熱爐除塵設(shè)備中一般有加密裝置，其原理是利用高壓、高速氣流的作用下，硅灰顆粒相互撞擊，氣體對(duì)硅灰顆粒的沖擊剪切作用以及煙塵顆粒與粉碎室內(nèi)壁的沖擊摩擦、剪切作用，使中空薄壁結(jié)構(gòu)硅灰粉碎，再聚合成0.5mm左右球形顆粒，從而使硅灰從0.15g/cm3增加到0.5～0.6g/cm3，便于包裝和運(yùn)輸。由于硅灰顆粒中空結(jié)構(gòu)破壞，成為硬團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，不利于微粉的分散，比表面積明顯減小，使硅灰性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值降低。
現(xiàn)有的硅熱爐除塵設(shè)備大部分采用冷風(fēng)混入法和空冷器的方法，解決煙氣降溫問題。雖然冷風(fēng)混入法有利于硅灰的形成，硅灰會(huì)顯著增加。但是，硅產(chǎn)品的硅含量會(huì)降低，難以提高硅產(chǎn)品的品位。同時(shí)，也是加大除塵風(fēng)機(jī)功率和運(yùn)行費(fèi)用，煙氣余熱沒有得到回收利用。采用空冷器，占地面積大，設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，浪費(fèi)了煙氣余熱資源，而且投入費(fèi)用相當(dāng)于余熱鍋爐投入的費(fèi)用。因此，傳統(tǒng)的除塵技術(shù)難以完全滿足于硅礦熱爐的煙塵治理要求，需要對(duì)傳統(tǒng)的除塵設(shè)備加以改造，研制出符合硅礦熱爐煙塵特點(diǎn)的煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有的硅礦熱爐除塵方法及其設(shè)備的不足，提供一種從硅礦熱爐煙塵回收納米SiO2微粉、達(dá)到煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)、煙塵余熱回收一體化的硅礦熱爐煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收的方法及其專用設(shè)備。
硅礦熱爐煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收的方法及其專用設(shè)備是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的在硅礦熱爐煙窗上外接一個(gè)煙塵導(dǎo)入管，將煙塵引入煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收裝置。煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收裝置是利用慣性重力除塵、金屬橡膠過濾器或陶瓷過濾器、由強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器冷卻均布高溫?zé)焿m、水霧脫除CO、SO2和熄滅火花的機(jī)理，把分散多個(gè)粗、精除塵和余熱回收設(shè)備合為一體。外型類似重力除塵器，由上錐體、直形段和下錐體三部分聯(lián)接而成。上錐體為凈空室、直形段為納米SiO2微粉和余熱回收室、下錐體為集灰室。上錐體與直形段之間設(shè)置隔離板，隔離板上安裝若干個(gè)金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器。采用金屬橡膠過濾器是由不銹鋼絲纏繞壓制而成的網(wǎng)狀過濾管，其表面制備-層防粘涂層。采用陶瓷微孔過濾器是由無(wú)機(jī)陶瓷微尺度粉末如Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2-Y2O3組成，其質(zhì)量比為4～7∶0.2～0.7∶1～4∶1～3，經(jīng)過澆注成型、真空干燥、高溫?zé)Y(jié)、浸涂防粘涂層、中溫固化過程，制備出具有微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)陶瓷過濾器。金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器為外濾式，濾孔孔徑小于2μm，并且是迷宮式濾孔，粉塵不易穿透。由于濾孔表面和內(nèi)外壁表面具有防粘涂層，吸附在過濾器上的煙塵，在反吹氣體的作用下很容易脫落和清灰。因此，金屬橡膠或陶瓷過濾器不僅能承受較高的過濾風(fēng)速，而且還能承受500℃～600℃的高溫?zé)煔?。直形段的直徑是根?jù)重力除塵器的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算確定。過濾器的過濾面積是根據(jù)濾材允許風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)。在煙塵導(dǎo)入管頂部設(shè)置一個(gè)水霧噴射器，用以脫除CO、SO2和使SiO2微粉吸濕增重有利于沉降。由于粉塵得到濕潤(rùn)，避免了卸灰時(shí)二次污染。直形段回收室設(shè)有強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器，由三層環(huán)形水汽管和鋼板組成。煙塵從導(dǎo)入管底部出來(lái)撞擊在強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器上，一則使煙塵降溫，二則使煙塵均布上升和下降，三則余熱得到回收。導(dǎo)料錐是一個(gè)防止粉塵內(nèi)部成拱造成堵塞的裝置。在下錐體底部設(shè)有缷灰機(jī)。
由于采用上述技術(shù)方案，所述的硅礦熱爐納米SiO2煙塵-余熱回收方法及其專用設(shè)備，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論分析，取得如下有益效果(1)金屬橡膠或陶瓷過濾器采用迷宮式濾孔，粉末不易穿透，比傳統(tǒng)的布袋式過濾器效果好，凈空含塵濃度小于10mg/m3，總體煙塵凈化效率可達(dá)99.9％以上，能適應(yīng)硅礦熱爐煙塵溫度變化要求和進(jìn)行可靠的工作；(2)回收的煙塵主要含量為SiO2微粉，純度為93％～98％，白度為50％左右。通過TEM-200CX透射電鏡測(cè)試，SiO2微粉呈球狀顆粒，粒度大小差別較大，小顆粒約為20～30nm，大顆粒粒徑為100～200nm。而且，小于100nm的顆粒占60％以上。粉末團(tuán)聚現(xiàn)象較明顯。除此之外，納米SiO2顆粒表面包覆一層碳黑粒子(2nm左右)。由于碳黑是典型的遮蔽劑。因此，具有透光性的納米SiO2微粉經(jīng)過碳黑表面包覆改性后，就變成了不透光的納米SiO2，外觀顯灰色，隨著碳含量增加，呈灰黑色；(3)冷卻軟水以強(qiáng)制循環(huán)方式通過水冷導(dǎo)流板管式換熱器，使煙氣溫度由500℃～600℃降至200℃以下，利用余熱回收蒸汽。一般6.3MV·A硅礦熱爐的可以回收壓力為1.2～1.3Mpa的飽和蒸汽約4T/h左右。蒸汽并入外網(wǎng)，可以供生產(chǎn)或生活使用；(4)將傳統(tǒng)的粗除塵與精除塵合為一體，在設(shè)置重力或旋風(fēng)除塵器的位置就可以安裝本專用設(shè)備，不需要另外占地，有利于老廠改造；(5)導(dǎo)管頂部設(shè)置水霧噴射器，既可以脫除CO、SO2，又可以使粉塵濕潤(rùn)，還可以作為火花捕集器。因此，既有利于提高除塵效果，也有利于卸灰時(shí)避免二次污染。而且，沒有廢水排放污染。因此，本發(fā)明提供了一種從硅礦熱爐煙塵中既能制備納米SiO2微粉，又能凈化煙塵，還能回收余熱的新方法及其專用設(shè)備。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中硅礦熱爐1、煙罩2、煙道3、煙道調(diào)節(jié)閥4、上錐體5、直形段6、下錐體7、卸灰機(jī)8、導(dǎo)料錐9、換熱器10、金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器11、檢修入孔12、隔離板13、反吹閥14、反吹氣圍管15、煙塵導(dǎo)入管16、水霧噴射器17、水管18、凈空導(dǎo)出管19、風(fēng)機(jī)20、凈空排放管21、電機(jī)22。
圖2是本發(fā)明從硅礦熱爐回收納米SiO2微粉形貌和粒度TEM圖像。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述圖1中，硅礦熱爐1煙塵產(chǎn)生機(jī)理生產(chǎn)工業(yè)硅、硅鐵、硅錳、硅鈣是在礦熱爐高溫還原氣氛中，將高純度的SiO2和CaO與焦炭反應(yīng)而制得。在SiO2和CaO的還原反應(yīng)過程中，產(chǎn)生大量的SiO和CO氣體從料面逸出，氣態(tài)SiO與空氣中的O2反應(yīng)生成游離態(tài)的SiO2微粉，即
本發(fā)明人經(jīng)過取樣測(cè)試表明，工業(yè)硅礦熱爐SiO2微粉純度最高(93％～98％)，白度為50％左右；其次是硅鐵、硅鈣、硅錳礦熱爐。SiO2微粉堆積密度為0.15～0.25g/cm3，比孔容為13cm3/g左右，孔隙率可達(dá)98％以上。經(jīng)過檢測(cè)，煙氣溫度一般在500℃以上，6.3MV·A工業(yè)硅礦熱爐煙氣排放量在72340m3/h以上，12.5MV·A硅鐵礦熱爐煙氣排放量在150000m3/h以上，工業(yè)硅礦熱爐煙氣含塵量為6.5g/cm3左右，硅鐵、硅鈣和硅錳礦熱爐煙氣含塵量為4.5g/cm3左右。
圖1中，煙罩2和煙道3收集硅礦熱爐1產(chǎn)生的煙氣，由煙道調(diào)節(jié)閥4控制煙氣回收量，由煙塵導(dǎo)入管16將煙氣引入煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收設(shè)備。該設(shè)備是利用慣性重力除塵、金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器，強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器冷卻均布高溫?zé)焿m、水霧脫除CO、SO2和熄滅火花的機(jī)理，把分散多個(gè)粗、精除塵和余熱回收設(shè)備合為一體。外型類似重力除塵器，由帶有水霧噴射器17的煙塵導(dǎo)入管16、上錐體5、直形段6、下錐體7、卸灰機(jī)8、凈空導(dǎo)出管19六部分組成。上錐體5為凈空室、直形段6為納米SiO2微粉-余熱回收室、下錐體7為集灰室。上錐體5與直形段6之間設(shè)置隔離板13，隔離板13上安裝若干個(gè)金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器11。采用金屬橡膠過濾器是由φ20～φ100μm不銹鋼絲纏繞壓制而成的網(wǎng)狀過濾器，其表面制備一層聚四氟乙烯或硅油防粘涂層。采用陶瓷微孔過濾器是由Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2-Y2O3微細(xì)陶瓷粉末組成，其質(zhì)量比為4～7∶0.2～0.7∶1～4∶1～3，經(jīng)過成型澆注、真空干燥、高溫?zé)Y(jié)、浸涂聚四氟乙烯或硅油防粘涂層、中溫固化過程，制備出具有微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)陶瓷過濾器。上述二種過濾器均為外濾式，濾孔孔徑小于2μm，并且是迷宮式濾孔，粉塵不易穿透。由于濾孔表面和內(nèi)外壁表面具有防粘涂層，吸附在過濾器上的煙塵，在反吹氣體的作用下很容易脫落和清灰。因此，金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器不僅能承受較高的過濾風(fēng)速，而且還能承受500℃～600℃的高溫?zé)煔?。過濾面積根據(jù)濾材允許風(fēng)速(4～12m/min)進(jìn)行設(shè)計(jì)。直形段6由若干個(gè)回收室組成，每個(gè)回收室上部由若干個(gè)過濾器11構(gòu)成，過濾器11固定在隔離板13上，上錐體5內(nèi)有若干個(gè)凈空室，凈空室數(shù)量與回收室相同，并且相互上下對(duì)應(yīng)。在每個(gè)凈空室的下部設(shè)有電動(dòng)(或氣動(dòng))反吹閥14和反吹氣圍管15，反吹氣來(lái)自空壓機(jī)。每個(gè)回收室下部都有一組強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器管式換熱器，每一組強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器管式換熱器由三層環(huán)形鋼板和水汽管組成，內(nèi)層長(zhǎng)度最短，外層長(zhǎng)度最長(zhǎng)。煙塵從煙塵導(dǎo)入管16底部出來(lái)撞擊在強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器管上，一則使煙塵降溫，二則使煙塵均布上升和下降。在每個(gè)煙塵導(dǎo)入管16頂部設(shè)置一個(gè)高壓水霧噴射器17，一則用以脫除CO、SO2，二則使煙塵吸濕增重有利于煙塵沉降，三則具有火花捕集功能，四則煙氣得到濕潤(rùn)避免了卸灰時(shí)二次污染。因此，80％的煙塵會(huì)在回收室沉降下來(lái)進(jìn)入下錐體7集灰室，其余的煙塵繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入過濾段。凈化后氣體由凈空導(dǎo)出管19引入風(fēng)機(jī)20入口，形成煙氣負(fù)壓凈化過程，有利于延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)20使用壽命。最后，通過風(fēng)機(jī)20和凈空排放管21將凈化煙氣排放大氣中。試驗(yàn)分析表明，當(dāng)硅礦熱爐煙塵濃度為5g/m3時(shí)，煙塵經(jīng)過凈化后含塵量小于5mg/m3，除塵效率可以達(dá)到99.9％以上。
圖1中，導(dǎo)料錐9是一個(gè)防止煙塵內(nèi)部成拱造成堵塞裝置。在下錐體集灰室底部有卸灰機(jī)8，卸灰時(shí)關(guān)閉煙道調(diào)節(jié)閥4。
圖2中，本發(fā)明人通過TEM-200CX透射電鏡子測(cè)試分析，SiO2微粉呈球狀顆粒，小顆粒粒徑為20～30nm，大顆粒粒徑約為100～200nm，而且小于100nm顆粒大于60％，屬于氣相合成的納米SiO2，表面硅原子保持氧的四面體配位，可與外界的水作用形成硅羥基，具有表面的吸附作用和中空結(jié)構(gòu)，存在物理吸附水，是典型的極性吸附劑、干燥劑和催化劑載體。納米SiO2顆粒表面包覆一層碳黑粒子(2～10nm左右)，外觀顯灰色，隨碳含量增加，呈灰黑色，屬于表面碳包覆改性的不透光的納米SiO2微粉。
本發(fā)明人通過測(cè)試和理論分析表明，當(dāng)冷卻水以強(qiáng)制循環(huán)方式通過水冷導(dǎo)流板管式換熱器時(shí)，煙氣溫度由500℃～600℃降至200℃以下，可以利用煙塵余熱回收蒸汽。一般6.3MV·A硅礦熱爐可以回收壓力1.2～1.3Mpa的飽和蒸汽約4t/h左右。蒸汽并入外網(wǎng)，可以供生產(chǎn)或生活使用。
權(quán)利要求
1.一種硅礦熱爐煙氣凈化、納米SiO2微粉-余熱回收的方法及其專用設(shè)備，其特征是從硅礦熱爐煙塵中回收納米SiO2微粉、把分散多個(gè)粗、精煙氣凈化設(shè)備和余熱回收鍋爐合為一體，它是由帶有水霧噴射器的煙塵導(dǎo)入管、上錐體凈空室、直形段回收室、下錐體集灰室、卸灰機(jī)、凈空導(dǎo)出管六部分組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直形段回收室，其特征在于直形段下半部?jī)?nèi)裝有強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器，直形段與上錐體之間設(shè)置隔離板，隔離板上安裝若干個(gè)外濾式金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器，實(shí)現(xiàn)煙氣凈化、納米SiO2微粉—余熱回收。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器，其特征是三層環(huán)形鋼板與水汽管焊接結(jié)構(gòu)，采用梯度臺(tái)階型式，采取強(qiáng)制循環(huán)水冷，實(shí)現(xiàn)煙塵降溫、均布、沉降和余熱回收。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬橡膠過濾器，其特征在于由φ20～φ100μm不銹鋼絲纏繞壓制而成的網(wǎng)狀過濾器，其表面制備一層聚四氟乙烯或硅油防粘涂層，制造出具有迷宮式濾孔結(jié)構(gòu)的金屬橡膠過濾器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷微孔過濾器，其特征在于由Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2-Y2O3微細(xì)陶瓷粉末組成，其質(zhì)量比為4～7∶0.2～0.7∶1～4∶1～3，經(jīng)過成型澆注、真空干燥、高溫?zé)Y(jié)、浸涂聚四氟乙烯或硅油防粘涂層、中溫固化過程，制造出具有微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)陶瓷微孔過濾器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的從硅礦熱爐回收納米SiO2微粉的方法，其特征是在硅礦熱爐高溫還原氣氛中，生產(chǎn)工業(yè)硅、硅鐵、硅錳、硅鈣過程中，從料面逸出大量的氣態(tài)SiO，與空氣中的O2反應(yīng)后生成游離態(tài)的納米SiO2微粉，進(jìn)入煙塵導(dǎo)入管，在高壓水霧的作用下，熄滅火花，急冷降溫，吸濕增重，加速沉降、可以防止硬團(tuán)聚和顆粒長(zhǎng)大，納米SiO2微粉從煙塵導(dǎo)入管底部出來(lái)后，撞擊在強(qiáng)制循環(huán)水冷導(dǎo)流板管式換熱器上，進(jìn)一步冷卻降溫，均布上升和下降，上升的煙塵進(jìn)入由金屬橡膠或陶瓷微孔過濾器組成過濾區(qū)域，沉降下來(lái)的納米SiO2微粉進(jìn)入下錐體集灰室，由卸灰機(jī)裝入包裝袋。
全文摘要
一種硅礦熱爐煙氣凈化、納米SiO
文檔編號(hào)B01D50/00GK1563872SQ200410029990
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者金科 申請(qǐng)人:金科