铁合金是冶炼各类钢种不可缺少的还原剂 ,同时也是主要的合金材料。目前 ,我国铁合金冶铁生产主要是采用电碳法 (即矿热电炉 )。矿热电炉排放的大量烟尘是铁合金行业最主要的污染物 ,它对环境空气质量和车间环境卫生都有严重的影响。所以治理矿热电炉的烟尘污染是冶金环保的重要内容之一。1 电炉烟气特性1 1 电炉烟气的产生硅铁是主要的铁合金产品 ,其冶炼原材料为焦碳、硅石、铁屑 ,电炉冶炼过程中产生的废气主要包括 :①电炉熔池在高温电热下 ,还原剂碳与氧发生反应生成CO和CO2 ;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入废气 (随后冷却变成固态粒子 ) ;③未被完全燃烧的焦碳末、矿粉等被气和蒸发的金属或热气流带出溶池进入废气 ;④从敞口处进入的空气。这些物质就构成了电炉烟气 ,也就是我们经常见到的黄褐色烟雾。1 2 烟气的性质半封闭矿热电炉烟气的主要成份是N2 和CO2 、CO ,另外还有少许SO2 、H2 O等 ,各组成成份的含量大致为 :N2 75 %～ 78% ,CO2 15 %～ 18% ,CO4 8% ,H2 O 2 % ,O2 0 2 %。半封闭电炉烟气的产生量一般为 10～ 12Nm3/h ,烟气温度一般为 10 0～ 30 0℃。当料面产生刺火时 ,烟气量会向上波动 2 5 %左右<1> 。1 3 烟尘的性质半封闭硅铁电炉烟气中的烟尘浓度一般为2～ 4 g/m3,烟尘本身呈灰白色球状体 ,密度 2 36×10 3kg/m3,比电阻为 2 4× 10 14 Ω·cm<1> 。烟尘主要由二氧化硅和氧化铁构成 ,烟尘组成成份为 :SiO292 2 % ,Fe2 O33%～ 4 % ,CaO 0 4 %～ 1% ,MgO0 8% ,Al2 O30 2 %～ 1 5 % ,C 3%～ 4 %。显然 ,电炉烟尘是硅铁含量比较高的矿粉。电炉烟尘极其细微 ,其粒径分布如表 1所示。表 1 半封闭硅铁电炉烟尘粒径分布粒径 (μm) <1 1～ 5 >5重量百分比 (% ) 90 6 4 由于粒径小于 1μm的烟尘占据了很大比例 ,所以用一般的除尘技术是不能治理达标的。总之 ,半封闭硅铁电炉烟气量大、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。2 治理技术分析2 1 烟尘净化方法按机理不同 ,除尘技术分为 :机械式除尘、布袋除尘、静电除尘、湿式除尘 ,它们分别或综合运用了粉尘的质量力、粘附性、荷电性、润湿性等性质及碰撞、拦截、扩散、凝聚等作用将颗粒物捕获 ,由于四种除尘技术采用的原理不一样 ,所以除尘效率也大不相同。机械式除尘 ,它是利用粉尘的质量力 (重力、惯性力、离心力等 )将其去除 ,所以它的除尘效率与粉尘质量密切相关 :粒径较大的粉尘 ,由于其质量较大 ,故较容易除去 :而粒径较小的粉尘 ,由于质量也小 ,故难以除去 ,特别对细微粉尘的去除更是无能为力。因此 ,净化dp≤ 1μm的电炉烟尘用机械除尘技术是不能达标的。静电除尘器 ,是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中 ,使尘粒荷电 ,并在电场力的作用下使尘粒沉积在集尘板上 ,将尘粒从气体中分离出来。由于静电力直接作用在粒子上 ,这使分离粒子耗能低、气流阻力小。同时对亚微米级粒子也能有效地捕集。所以静电除尘器是最有应用前景的设备 ,但是它的弱点是粉尘的比电阻大小直接影响它的捕集效率 ,硅铁电炉产生的烟尘比电阻在 10 14 Ω·cm数量级上 ,刚好处于高比电阻范围内 ,在静电除尘器中 ,这些荷负电的粒子到达集尘板后 ,释放电荷很慢 ,并残留着部分电荷 ,这不但会排斥随后而至的带有同性电荷的粒子 ,影响其沉降 ,而且随着极板上沉积粉尘层的不断变厚 ,在粉尘层和极板之间造成一个很大的电压降 ,以致引起粉尘层空隙中的气体被电离 ,发生反电晕 ,它也产生成对的正离子和负离子 ,正离子穿过板间区域向放电板流动 ,其结果 ,使集尘场强减弱 ,粒子所带负电荷部分被中和 ,粒子电荷减少 ,因而削弱了粒子的沉降 ,捕集效率显著降低 ;因此 ,用静电除尘器来净化硅铁电炉烟尘是不适宜的。过滤式除尘器 ,它的净化效率是相当高的 ,只要设计合理 ,其除尘效率可达到 99 95 % ,对细小粉尘也能有效去除 ,因此用它来净化电炉烟尘是能满足达标要求的 ,目前国内在铁合金厂烟尘污染治理文面的基本情况也主要是采用袋式除尘。不过 ,电炉烟尘的粒径很小 ,为了达到处理要求 ,其允许的过滤风速就必须很小 ,相应地所需要的过滤面积就很大 ,所以设备体积比较庞大。湿式除尘器 ,它的种类很多 ,不同的类型它的效率差别很大。对净化铁合金电炉烟尘来说 ,旋风水膜除尘器 (不论是立式还是卧式 )、冲击式除尘器 (不论是冲击水浴还是自激喷雾 )、喷雾除尘器 (不论是喷雾塔还是填料塔 )等都不能达标 ,只有采用高能文丘里除尘器和强化湿式除尘器才能达到要求<3> 。用高能文丘里除尘器 ,投资最省 ,但运转费用很高 ,因为它的喉管气速高达 130m/s,阻力降高达 18KPa,所以为它配置的风机功率很大。所谓强化湿式除尘器 ,它除了利用常规湿式除尘器的惯性碰撞、粘附、凝聚等机理来捕尘外 ,还利用扩散凝并、静电等作用来除尘<2 > ,所以它对微细烟尘去除效率较高 ,运转费用也不太高。当然湿式除尘器存在二次污染问题 ,因此必须要有水处理设施 ,同时水要循环使用。综上所述 ,对于铁合金厂的电炉烟尘的治理其可行技术有 :袋式除尘器、高能文丘里除尘器、强化湿式降尘器。2 2 国内外铁合金电炉烟气治理概况目前 ,国内外对铁合金电炉烟尘的治理主要集中在两种技术上 :一是袋式除尘器 ,二是高能文丘里除尘器。半封闭式矿热电炉的烟尘治理主要采用干法袋式除尘器<1> 。对于变压器容量大于 6 0 0 0KVA的大中型电炉烟气先用U型管冷却器自然冷却后 ,进入袋式除尘器除尘。对于变压器容量小于 6 0 0 0KVA的小型电炉 ,采取在半封闭罩内混入野风 ,降低烟气温度 ,而后进入袋式除尘器。国外 ,曾对 30 0 0 0KVA以上的电炉进行烟气余热回收 ,但因投资大未推广。封闭式电炉由于烟气中CO含量很高 ,具有较大的回收价值 ,所以其净化方法一般是采用湿式洗涤 +回收煤气法<1> 。封闭电炉由于煤气还未燃烧 ,所以烟气量小 ,相应地设备简单、体积小。净化设备一般采用高能洗涤器 ,如挪威埃肯集团采用的是“双文一塔”工艺 ,即 :两级文丘里洗涤器 +脱水塔 ,荒煤气经处理后的含尘量一般为 2 0mg/Nm3,可满足工业煤气的要求。我国吉林铁合金厂和峨眉铁合金厂采用的是“双塔一文”工艺 ,即 :第一洗涤塔 +文氏管 +第二洗涤塔。3 治理的工艺流程3 1 袋式除尘采用袋式除尘器净化半封闭低烟罩矿热电炉的工艺流程如图 1所示。图 1 袋式除尘工艺电炉烟气在引风机作用下 ,首先经过冷却装置(采用空冷或水冷 ) ,把烟气温度恒定在一定范围内 ,随后进入旋风分离器除去炭粒 ,然后再进入袋式除尘器精除尘 ,净化后的气体送入烟囱排空。从袋式除尘器灰斗排出的粉尘输送到特定的处理设施中以便出售而回收资金。旋风分离器 :在这里的主要作用是分离烟尘中的炭粒 ,以便使布袋除尘器回收的粉尘为高纯度的微硅粉。 袋式除尘器 :是净化系统的核心设备。可采用反吹风袋式除尘器和脉冲袋式除尘器 ,采用反吹风袋式除尘器 ,其过滤风速最大不能超过 0 5m/min。采用脉冲袋式除尘器 ,其过滤风速最大不能超过 1 2m/min。清灰应采用离线清灰。滤料采用针刺毡 ,最好是覆膜滤料 ,材质必须是疏水性的。冷却器 :实际上就是热交换器 ,高温烟气在管内流动 ,冷却空气 (或水 )在管外流动 ,通过热交换将烟气温度降至要求值 (具体数值由后续的布袋除尘器的布袋材质确定 )以保证不烧袋。采用该净化工艺除尘效率可高达 99 5 %。如烟尘入口浓度按 4 g/Nm3计 ,则烟气出净化设备时烟尘浓度为 :4 0 0 0× (1- 0 995 ) =2 0mg/Nm3。3 2 Calvert洗涤器文氏管是所有湿式除尘器中除尘效率最高的一种设备 ,但是它是以耗能为代价的。铁合金厂电炉排放的烟尘粒径极其细微 ,采用文氏管来净化时 ,喉管气速很高 (达 130m/s) <3> ,相应地阻力降高达 18kPa ,加之处理的烟气量又比较大 ,所以所需要的风机功率往往是令人望而生畏的。因此 ,国内外 ,一般只有封闭式电炉才采用文丘里除尘器。但是由于文丘里除尘器除尘效率高、体积小、结构紧凑 ,所以在废气污染控制工程中大量采用 ,环境工程师也一直在对文氏管的结构作不断改进 ,在八十年代初美国研制出了一种新的低速、高效文氏管除尘器———卡尔弗特洗涤器<2 > 。用该洗涤器净化铁合金电炉烟尘的工艺流程如图 2所示<3> 。图 2 Calvert洗涤器净化电炉烟尘工艺流程 烟气从电炉出来后进入饱和塔 ,在塔内烟气与成雾状的水充分接触 ,粗大烟尘首先被除去 ,同时烟气中的水蒸汽达到饱和状态。随后饱和烟气分成两路 ,分别从文氏管的左右两端 (低速 )进入文丘里除尘器 ,在文氏管喉口处有雾状水喷入 ,气流将水初步雾化 ,同时因水雾与烟气碰撞 ,大颗粒烟尘被湿润。随后左右两股烟气在文丘里喉管中心处相遇 ,发生对碰 ,获得双倍的碰撞速度 (高速 ) ,使水雾再次被雾化 ,相应地使更细小的尘粒被湿润且附上水膜 ,附上水膜后的烟尘相互之间接触碰撞就粘附凝并成更大的聚合体。随着水膜的烟尘和这些聚合体 ,由于粒径和质量都增大很多 ,所以利用常规的除尘器就能将它们除去。净化后的干净气体经风机由烟囱
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