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2019中国有色金属行业年会

把握有色金属产业的重要发展机遇、推荐生态文明建设,2019中国有色金属行业年会暨2020(SMM)金属价格预测发布会、首届中国再生金属产业链发展高峰论坛,年度头脑风暴再度来袭,您怎可缺席!

2019中国有色金属行业年会

【SMM年会】唐琳:工业硅生产技术发展新方向 余热利用资源再生技术详解

来源:SMM

SMM11月23日讯:在《2019中国有色金属行业年会暨2020(SMM)金属价格预测发布会》暨《2019中国金属硅产业链高峰论坛》上,中国有色工业协会硅业分会资深专家、四川省铁合金工业协会顾问唐琳表示中国工业硅的产能与产量上都位居世界第一。并且据中国有色工业协会硅业分会的统计:我国2018年工业硅产能达到780万吨,实际产量据不完全统计约为262万吨。出口海外86万吨,国内消费176万吨。国内消费中铝合金行业消费69万吨,占国内消费总量的约40%,有机硅行业消费约58万吨,占国内总消费量的约33%,多晶硅行业消费工业硅45万吨,占国内消费总量的约26%,其他4万吨点总消费量约2%。她说到要从技术上降低产品成本提高企业效益和减少大气热效应污染,这样才是工业硅生产的新常态,既要青水绿山,又要金山银山。

工业硅生产技术发展新方向


电炉大型化

我国在20世纪末引进25.5MWA工业硅电炉,通过工业硅生产者的努力,从引进、消化到创新,现在全国已经有近百台大型工业硅电炉在甘肃、云南、四川、新疆、贵州、福建等省崛起,发挥越来越明显的技术优势和强大生命力。

大型工业硅电炉功率大、热量大、温度高有利于工业硅冶炼的吸热反应进行,有利于降低电耗、提高企业经济效益

从表中可见工业硅电炉的技术参数,随着电炉容量的增大,它们的极心圆功率密度、炉底面积功率密度都在逐渐增长,功率密度大意味着单位面积上作功功率产生的热量大、温度高,有利于工业硅冶炼的吸热反应进行,有利于生产效率的提高。

大型工业硅电炉的炉衬耐火材料用量大、热容量大、热稳定性好

上表说明电炉容量越大,炉衬材料越多,也就是大型工业硅电炉炉衬蓄热量多。如果由于种种原因引起的热停炉和自身原因如原料品质、配比、供电制度、炉前操作、出铁制度等变化造成的炉况波动,大型电炉耐火材料多热稳定性好,炉况易于稳定,对于产品质量的稳定和电耗、产量指标都有好处。大型电炉的产品质量普遍比中、小型电炉产品质量稳定,化工级质量比例多在85%以上。

大型电炉便于实现机械化、自动化,可以减轻员工劳动强度,减少企业员工数量、提高员工劳动生产率,节约人工成本

四川境内某企业2台30MVA工业硅电炉,全公司员工250人,工业硅设计年产4万吨,全员劳动生产率平均160t/人·年。而年产4万吨的12.5MVA工业硅电炉需4台,员工320人,全员劳动生产率平均为125t/人·年,产品中人工费用支出部分12.5MVA电炉比30MVA电炉多出28%。

大型工业硅电炉优势

功率大;热量大、炉温高;热量大、炉温高;热量大、炉温高;炉底面积功率密度大;有利于降低成本。


余热利用资源再生

工业硅生产过程会产生大量高温烟气,在正常生产时烟气温度为600~700℃,炉况不正常发生大塌料或捣炉时烟气温度甚至高达900~1000℃,这些高温烟气携带大量热能,过去这些热能没有回收被白白浪费。现在可以对高温烟气携带的热量进行回收利用。例如四川茂县潘达尔硅业公司等企业,通过将高温烟气进入余热发电系统回收其中的热能进行发电,这对于降低产品成本提高企业效益和减少大气热效应污染都有好处。

余热电站经济指标(潘达尔硅业)

余热利用资源再生小结

如果企业冶炼电价以每kW.h0.35元计算可降低成本691.2元/吨。全年增效2764.8万元。

我国某地二台36MVA工业硅矿热炉利用烟气余热系统每年发电量为4624.6×104kW.h和年供蒸汽量41.04×104t,两项合计产值为5249万元,经济效益非常可观。

余热利用、余热发电良好的经济效益正被越来越多的工业硅生产企业重视,将会成为工业硅企业提高经济效益的重要组成部分。


无木炭生产和新型还原剂的研发

工业硅电炉在上世纪炉容比较小,多在6300KVA以下,还原剂主要是木炭,一吨木炭需要消耗五吨树木,随着生态保护要求越来越高,木炭来源非常紧张,价格飞涨。我国工业硅产量不断增加,同时对还原剂的需要量越来越大,从环境保护出发和降低生产成本双重压力下,必须寻找新的工业硅还原剂。

现在我国已普遍采用石油焦和低灰分精煤作为工业硅的还原剂,在实践中使用效果良好,冶炼电耗普遍在12000~13000KW·h/t;化工级产品比例可以达到80~90%;电炉的有效使用寿命可达到一年以上。

在工业硅生产中发现石油焦和精煤都含有一定量的硫元素,这些硫元素在工业硅生产中会变成二氧化硫,随着烟气进入大气,造成对大气的污染,威胁人类健康。因此,我们必须对含有二氧化硫的烟气进行脱硫净化处理。同时要加强对工业硅新型无污染还原剂进行研究开发。据报道昆明理工大学和云南宏盛锦盟集团对新型还原剂的研究开发都做出了一些实质性的工作,并取得一定阶段性成果。


电炉烟气的净化:除尘、脱硫、脱硝

改革开放以来,我国高耗能冶炼项目以及其他工业炉窑迅猛发展,特别是在近5~10年内,高耗能冶炼炉和工业炉窑的数量成倍增加,并且规模也越来越大,随之而来的是工业炉窑排放的烟气中的粉尘、SO2、NOx等大气污染对人类环境造成严重危害,雾霾天气、酸雨等就是大气污染的结果,环境污染已严重威胁人类健康,因此进行烟气除尘、脱硫、脱硝等烟气净化治理势在必行。

根据《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《环境空气质量标准》等,对全国范围环境空气质量功能区分为三类:

一类环境空气质量功能区(一类区):自然保护区、风景名胜区、其他需要特殊保护区。

二类环境空气质量功能区(二类区):城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区、以及一、三类不包含的地区。

三类环境空气质量功能区(三类区):特定的工业区。

根据环境空气质量功能区的不同出台了相应的排放标准,2012年对排放的标准又进行了严格要求,随着时间的推移,我国的环保要求还会越来越严格。要降低烟气污染和烟气达标排放的主要方式就是进行烟气除尘、脱硫、脱硝处理。

除尘

工业硅生产中产生的高温烟中含有大量的颗粒物俗称尘埃。尘埃的浓度达到3~5 g/Nm³。现在我们采用的工艺:空气冷却器→火花捕集器→布袋除尘器→排放。烟气排放尘埃浓度能达到低于50㎎/ Nm³。

脱硫

在工业硅电炉的发展过程中,炭质还原剂已发生了很大改变,以前很多厂家选择的是木炭作为还原剂,随着森林资源的减少和国家政策的调控,逐步用煤和石油焦替代木炭。在用木炭作为炭质还原剂的时期,因为木材中含“S”很少,烟气中的“SO₂”含量是非常低,基本忽略不计,根本不需要考虑脱硫,现在用煤和石油焦作还原剂,煤和石油焦里含有0.5~3%的“S”,很多厂家为了降低成本采购的“高硫”油焦,含“S”就更高,因此,烟气中“SO₂”含量严重超标,大量排放的情况下极易形成雾霾酸雨等环境灾害。根据国家环保政策,要求对烟气进行“脱硫”“脱硝”后再排放是迟早也是必须要做的事情,不然严重污染环境。

脱硫技术和方法有很多种:有湿法烟气脱硫、半干法烟气脱硫、干法烟气脱硫。

湿法烟气脱硫

湿法烟气脱硫主要有两类:双碱法、石灰水法。

“双碱法”

烟气脱硫技术是利用氢氧化na(NaOH)溶液作为启动脱硫剂,配制好的氢氧化na溶液以高压雾化状喷入洗涤脱硫塔后吸收二氧化硫(SO₂)以达到烟气脱硫的目的,然后脱硫产物(Na2SO3)经脱硫剂再生池还原成氢氧化na再返回脱硫器内循环使用。其工艺原理如下:

SO₂+2NaOH  →Na2SO3+H₂O

Na₂SO₃+Ca(OH)₂→2NaOH+CaSO₃

“石灰水法”

生石灰用水溶解为Ca(OH)2浆液,同双碱法一样高压喷入脱硫塔中,将尾气中的SO2反应吸收掉,未反应完的溶液循环使用,反应生成的CaSO3(或CaSO4)过滤后用作建筑材料。

CaO+H2O→Ca(OH)2

Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O

CaSO3+1/2O2→CaSO4

几种脱硫方法的比较

干法烟气脱硫投资省,占地少,有较宽的脱硫效果(脱硫率60%~85%),使其具有较强的适应性,能满足大部分企业不同脱硫的需要。相比而言,半干法次之。但是干法的运行费用较高。

脱硫率:湿法最高(可达95%,可满足低于50mg/Nm3的排放要求),半干法次之;干法脱硫效果较差,很难满足排放控制在小于50mg/Nm3的要求。

各企业应根据自身情况和企业所在地对烟气排放SO2的控制要求以及经济指标(投资费用和运行费用)进行综合考虑和综合比较,选择适合本企业最科学、最合理的脱硫方案。

脱氮氧化合物(NOX)俗称脱硝

工业硅生产时烟罩下高温烟气温度通常为600~700℃,在塌料和捣炉时炉nei料面温度高达1000~1100℃。空气中含有79%的氮与21%的氧,在900℃温度左右开始会结合生成氮氧化合物,温度升高时氮氧化合物的生成量会增加,在1100℃时空气中的氮氧化合物含量会急剧增加。再则工业硅电炉生产时炉内CO气体从炉面溢出,在料面上方CO气体接触空气后发生燃烧反应使烟气温度升高,此时N2与O2发生反应生成NOx。

烟气脱硝技术同样我们已成功的应用在电力,玻璃,水泥,钢铁,化工,石化等领域,该脱硝技术称为(SNCR、SCR)法。

脱硝方法(一):SNCR法

选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction),850~1100 ℃进行,无需催化剂。

含NOx的烟气在850 ~1100 ℃温度区间喷入含有NHx基的还原剂溶液,不需要催化剂,还原剂直接与NOx反应生成N2和水。

4NH3 + 4NO+ O2 →4N2 +6H2O

4NH3 + 2NO+ 2O2 →3N2 +6H2O

8NH3 + 6NO2 →7N2 +12H2O

工业硅电炉设备是半封闭烟罩,平均烟气温度均在600~ 800℃之间,只有捣炉塌料或发生刺火瞬间,烟气温度会达到900℃以上,但是持续时间不会超过15秒。因此SNCR高温脱硝不适合工业硅烟气脱硝。

脱硝方法(二) :SCR法

选择性催化还原(selective catalytic reduction), ﹤ 500℃进行,必需催化剂,反应方程式与SNCR法一致。

按催化剂适用温度区间分成四种:①(350~420℃);②中温SCR(230~280℃);③低温SCR(180~230℃);④超低温脱硝(45~60℃)

由于各种脱硝方式的使用条件和经济性各不相同,对照不同工业硅企业各自的特殊性,要根据国家的产业政策,当地环境保护的具体要求以及投资费用、运行费用、安全可靠性等因素进行综合分析、综合评估,确定本企业最经济、最合理、最科学的烟气净化措施。


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