烟气净化与硅粉利用优化方案

在冶炼工业硅时，会产生富含二氧化硅粉的烟气，硅粉颗粒很细，多数在5um以下，属可吸入颗粒物，进入人的肺部，危害极大。但是，硅粉是一种纳米-微米级无机非金属材料，提纯加工后可生产高性能陶瓷材料，用于航天航空等领域。

1.烟气净化 冶炼工业硅产生的烟气具有下列特点：烟量大；烟温高，在350℃以上；含有二氧化硫腐蚀性物质；遇水后粘性大；回收后如不及时利用将会产生二次污染。国家明确规定工业硅电炉烟气必须除尘净化后排放。

（1）烟气净化工艺流程。图5-16示出烟气净化工艺流程。大型工业硅炉烟气净化工艺路线如下：

工业硅电炉→烟罩→空冷器→双级旋风除尘器→主引风机→反吸风机→正压布袋除尘器→水平刮板机→斜括板机→储灰仓→包装口。

图5-16 烟气净化工艺流程

（2）烟气净化原理。电炉烟气经烟气输送管道吸入空气冷却器，对高温烟气进行冷却，消除火花或高温烧坏滤袋的可能性；然后进入双级旋风除尘器，在旋风除尘器中，将一些粗大颗粒分离出来，减少粉尘量；细小颗粒用主引风机送入正压袋式除尘器，硅尘在布袋内过滤，落入集灰斗，经刮板机送入储灰仓；在储灰仓内通过风机对硅粉尘进行加密处理，增加粉尘体积密度，然后包装；经布袋滤后的纯净气体排空。

熔炼一吨工业硅约产生2000～2600m³的烟气，经炉口燃烧后混入大量冷空气。硅粉在空气中停留时间长，不易沉降，比电阻大，硅粉带油性，粘度随温度的增高而增大。因此，要净化收集硅粉，就要必须对烟气进行降温和预除尘处理。硅粉堆密度小（0.18～0.23t/m³），自然倾角大，蓬松，易飞扬，不易储存，所以要进行后处理，即加密处理。硅粉加密机制主要是通过高压螺杆压缩机，向储灰仓鼓入无油、无水的压缩空气，使硅粉颗粒之间得以聚合，从而提高体积密度。加密过程是根据压缩空气作用于硅粉的压力和温度换算得到的模拟流量进行控制，不同的体积密度可以通过调节流量来得到，加密后的硅粉堆密度可提高3倍以上。

烟气量产生的大小与厂家的技术和管理关系很大。操作技术不当是造成烟气量增大的主要原因。大多厂家存在的问题是电炉结构参数不匹配，高电压、高产量、超负荷、错误用电、配比不严格、冶炼方法不当等造成严重的刺火。另外，工业硅熔炼是在电炉埋弧状态下连续进行的，操作中要做到闭弧操作，适时加料和捣炉，调整炉料电阻和电流电压的比值。闭弧操作的优点是：炉内料层结构能形成一个完整的体系，炉料依次下沉；弧光不外露，保持高炉温；电极消耗平衡稳定，不会发生电极折断；料面温度较低，电炉设备的利用率高；粉尘量较少，使电炉操作有一个较好的环境。无论电炉容量大小，都能做到闭弧操作，这是减少烟气量，提高硅回收率，降低消耗，解决操作和烟尘净化之间恶性循环的重要措施。

2.硅粉利用 硅粉利用的研究已进行了几十年，用于建筑、冶金、水泥、化肥等工农业领域，在建筑方面的应用最广泛。我国是世界工业硅、硅铁生产大国，硅粉资源每年达15万t以上，应用进展较快。

（1）硅粉的物理性质和化学成分

1）颜色。硅粉呈灰白色，按含碳量多少，硅粉颜色深浅略有不同，白度40～50。硅粉与水混合后呈灰玄色，拌成混凝土后呈青灰色。

2）比重和密度。硅粉的比重约为水泥的2/3，但密度却只有水泥的1/6左右。

3）粒度。硅粉在电镜下观察呈球形，有时聚合成团絮状。硅粉颗粒尺寸均在1μm以下，均匀粒径0.1μm（普通硅酸盐水泥的均匀粒径为20～30μm），硅粉比表面积为水泥的40～100倍。

4）化学成分。硅粉中含SiO₂的质量分数一般在90%以上，并且大部分呈非晶态。非晶态SiO₂越多，活性越大，在碱性溶液中反应能力越强。

（2）硅粉的应用领域

1）应用于混凝土产业。硅粉作为掺和剂用于混凝土产业，是硅粉综合利用中研究最早、成果最多、应用最广的一个领域，由于硅粉颗粒细小，比表面大，具有SiO₂纯度高，把硅粉作为掺和剂加进混凝土中，改善了混凝土多方面性能：

①提高混凝土早期强度和终极强度。当硅粉对水泥的取代率为30%以内时，蒸压养护温度为80℃，砂浆一天的抗压强度为不掺硅粉的2倍（100MPa）；采用蒸压养护，则几乎达3倍（150MPa）；采用标准养护，砂浆的抗压强度也明显提高。(www.xing528.com)

当硅粉与高效减水剂复合使用时，可使混凝土的水胶比降至0.13～0.18，水泥颗粒之间被硅粉充填密实，混凝土的抗压强度为不掺硅粉的3～5倍。美国、丹麦、挪威等国用硅粉作掺和剂，配制出了强度高达110MPa的混凝土，而且工艺简单。

②增加致密度。硅粉颗粒很细小，均匀地充填了混凝土微孔，增加了致密度；另外，混凝土中掺进硅粉，增加了起反应的硅含量，在电子显微镜下观察，掺硅粉混凝土的水泥、石空隙中有晶体生长。

③改善混凝土离析和泌水性能。浇灌混凝土之后，往往产生水从混凝土中分离出来的现象，即在表层形成水膜，也称之为浮浆，使上层混凝土分布不均匀，影响建筑质量。国外研究证实，硅粉掺进量越多，混凝土材料越难以离析和泌水。当取代率达15%，混凝土坍落度即使达15～20cm，也几乎不产生离析和泌水；当取代率达20～30%时，将该混凝土直接放进自来水中也不易产生离析。由于硅粉对混凝土离析和泌水性能的改善，使掺硅粉混凝土可以用作海港、隧道等水下工程。

④提高混凝土的抗渗性、抗化学浸蚀性和比电阻。由于硅粉的掺进提高了混凝土的密实性，大大减少了水泥、石空隙，所以提高了硅粉混凝土的抗渗性能。当混凝土中硅粉取代率为10～20%时，明显改善了混凝土的抗渗性、抗化学浸蚀性，而且对钢筋的耐腐蚀性也有改善。这是由于密实性的提高和SiO₂含量增加，有效地阻止了酸离子的浸进和腐蚀作用。另外，由于硅粉比电阻很高（可达1.2×10¹¹Ω·cm，9～150℃），所以掺进硅粉的混凝土比电阻提高1.9～16倍。

2）作返回炉料。以球团形式作为电炉冶炼原料，球团的料比为每453.6kg硅石，配22.7～113.4kg硅粉，制成球团，球的最大尺寸为19～25mm。球太大不易干透，加进电炉中易破碎，影响冶炼；球太小，则料层透气性不好，也影响炉况。球团中含水量可达20%，密度（0.83～0.92）×10³kg/m³，干球密度为（0.72～0.75）×10³kg/m³。在空气中经一昼夜干燥，球团即可获得足够的机械强度。经电炉冶炼证实，加进较大量的球团时，炉子运行三周，没有发现硅回收率降低和单位电耗增加的现象。挪威埃肯公司也曾将2万kW金属硅炉每昼夜产生的100m³的硅粉制成球团后，返回电炉进行冶炼试验，不掺粘结剂，用水调和制成1～5cm直径的球团，在竖炉中800～1200℃温度下进行烧结，烧结后的球团具有足够的机械强度。球加进竖炉之前不用干燥，烧结后的球团不存在爆裂和不适合的情况，而且由于不另加粘结剂，球团中杂质很少，因此可返回电炉作为冶炼材料。

3）应用于水泥产业。混合硅粉的水泥质量优于普通水泥。用二氧化硅粉尘生产轻质水泥，能降低水胶比，并具有很高的耐酸性和耐火性。冰岛和蒙特利尔各有一家生产硅粉混合水泥工厂，应用效果很好。冰岛和挪威埃肯公司的联合企业———冰岛铁合金公司的两台3万kW半封闭旋转硅铁电炉，其布袋收尘器收集的硅粉作主要副产品，供四周水泥厂作生产原料用；英国已用硅粉生产出抗拉强度160MPa的波兰特水泥材料，这是一种抗拉强度很大的结构材料，可用于制造某种弹性件。

由于硅粉粒度很小，活性又很大，所以利用硅粉可生产超细颗粒基的增密水泥。采用很低的水/水泥比，较高的聚合物用量，较特殊的养护法，可制得强度10倍于普通波特兰水泥的混凝土。这种材料可以代替铸铁，适合于制造某种特殊产业设备的部件。

将硅粉配加到波特兰水泥熟料的原料里，可以提高焙烧窑的生产率和水泥质量。配进硅粉质量分数18%～25%时，焙烧窑的生产效率提高10%～20%，熟料经28天的硬化养生后，其活性由4.7增至5.4～5.6kN/cm²。挪威、意大利、法国和西班牙等国都把铁合金厂回收的二氧化硅粉尘送到水泥厂作为原料使用。

4）作球团粘结剂。瑞典一家铁合金厂投产了一个生产铬矿球团的车间，利用该厂生产的FeCrSi和FeS回收的粉尘作为粘结剂，制造球团很成功。

5）作为生产橡胶的填料。硅粉化学成分和主要物理性能与炭黑相近，所以硅粉应用于橡胶产业是一种良好的填料。橡胶中加进二氧化硅粉尘，可提高其延展率、抗撕裂及抗老化度。这种橡胶具有良好的介电性，吸水能力低。假如与炭黑同时配进原料中，可增大橡胶的弹性拉长强度和抗撕裂性。

6）作防结块剂。为了防止肥料结块，一般是采用云母或硅藻土进行特殊处理，造价很高。应用硅粉可以取代这些较贵的处理材料，但要正确地把握住使用的比例。挪威、法国和意大利都是采用这种办法，使防结块剂的应用效果很好。

7）作硅酸盐砖的原料。俄罗斯玄色冶金能源环保研究所开发了利用硅粉作硅酸盐砖原料的工艺方法，在哈里科夫钢筋混凝土结构工厂，试制出配加质量分数为5%硅粉的硅酸盐砖1万块。这批试验性砖的各项指标均符合国家标准要求。按砖的强度、抗冷强度、吸水性，相当于M200牌号砖。如果将硅粉配加量增至质量分数为7%时，砖的牌号增至M250～300号。用硅粉制造硅酸盐砖也减少了石灰消耗量，并降低了砖的本钱。

8）其他用途。硅粉在国外有很多叫法，在北欧各国叫凝聚硅灰（Condenscd Silica Fume），在美国和加拿大叫硅尘（Silica dust），也有人叫硅粉（Silica fume）。国外一些厂家对冶炼工业硅及硅质合金产生的大量二氧化硅粉尘不断进行研究探索，寻找可靠销路。除了发现上述各种有价值的用途之外，还发现这种粉尘可以用于耐火材料生产，用于绝缘材料、防烧结剂等。例如，利用二氧化硅粉尘制取树脂及其他高分子有机化合物为主的聚合物产品，并用作黑、白炭黑，滑石，石棉，气溶剂等物的代用品，作为添加材料。此外，硅粉还可用于改良土壤。例如，将硅粉和纤维素厂或木材加工厂产生的废树皮等废物，经加工后形成的混合物质，可以增强土壤的肥力。英国采用含硅粉料制取硅的方法，将含硅粉的粉料与还原剂一起，喷吹到气体放电等离子区，被加热和等离子气体一起送到反应室反应而获得硅。

（3）硅粉的贮存、包装和运输。由于硅粉堆密度小（0.18～0.23t/m³），不易存贮、运输，所以国外进行了广泛研究。一般有两种方法：

1）硅粉制粒、造球增大堆比重后存贮。俄罗斯、日本、挪威均研究成功了硅粉制粒、造球的振动机械，有的不配任何粘络剂，有的加少量硅酸钠制成碱金属的氢氧化物，制成的球粒一般为6～30mm大小，在200～250℃温度下干燥，或以900℃焙烧制成的硅粉粒，强度很高。日本，俄罗斯，美国还申请了硅粉造球的专利、建立了造球车间。

2）水化制浆。挪威里列比冶炼厂将硅粉掺进质量分数为60%～65%的水，经振动搅拌成浆状，泵送混凝土厂进行利用。瑞典Alros合金公司利用50∶50的比例，用水将硅粉制成泥浆，进行存贮、运输。美国研究成功了一种制备酸化处理的稳定水化物的方法处理粉尘。用这种方法处理以后，可使水状悬浮物保持稳定的活动性，而且随时可获得良好的再分离性。俄罗斯车里雅宾斯克电冶联合工厂，用CB92-1-A型混凝土自动搅拌机制硅粉浆，使硅粉的密度进步到1.25～1.3t/m³。

硅粉的利用带来了巨大的经济效益。例如：挪威每年可节省50万t波特兰水泥，美国1983年在修补Kinzua坝消力池一项工程中，使用硅粉混凝土就节省几千万美元。硅粉的使用改善了产品性能，带来巨大的间接效益。例如使用在水下工程，硅粉高强混凝土提高抗冲磨强度3倍，抗空蚀强度14倍。硅粉混凝土的早强性能好，所以常用在抢修工程上。硅粉混凝土的高强度，使其常用在高层、大跨度、耐磨、抗腐等特殊工程上。