硼硅铁合金电炉烟气净化系统及节能研究.pdf

硼硅铁合金电炉烟气净化系统及节能研究 * 肖林丁志江肖立春 燕山大学环境与化学工程学院， 河北 秦皇岛 066004 摘要 针对硼硅铁合金在其冶炼过程中， 产生含有大量微细粉尘和 B2O3的烟气， 易造成烟气外溢和酸雨危害的难题， 采用覆膜针刺毡滤料的脉冲袋式除尘器和酸雾吸收塔相结合的处理工艺， 对铁合金电炉烟气进行净化。检测结果表 明 采用该工艺后烟囱出口处粉尘含量小于 5 mg/m3;B2O3含量小于 1 mg/m3， 达到了国家排放标准。该工艺具有运 行可靠、 滤袋使用寿命长、 吸收效果稳定和节能效果显著的优点。 关键词 硼硅铁合金; 袋式除尘器; 吸收塔; 变频; 节能 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402036 ＲESEAＲCH ON FLUE GAS PUＲIFYING SYSTEM AND ENEＲGY SAVING FOＲ BOＲON- FEＲＲOSILICON ELECTＲIC FUＲNACE Xiao LinDing ZhijiangXiao Lichun College of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University， Qinhuangdao 066004，China AbstractAiming at the problem that the fine dust and B2O3acid mist are discharged from the boron- ferrosilicon electric furnace，a new process that combines bag type dust collector with absorption tower is used for purifying the flue gas． The detection results show that the dust content in the outlet gas is less than 5 mg/m3and B2O3acid mist content is less than 1 mg/m3by the gas purifying system，which is up to the national emission standard． The process has the advantages of good operational reliability，long life of filter bag， stable absorption efficiency and obvious energy saving effect． Keywordsboron- ferrosilicon alloy;bag- type dust collector;absorption tower;converter;energy- saving * 河北省重大技术创新项目 10273920z 。 收稿日期 2013 －03 －08 0引言 在电力系统中， 若使用非晶合金取代电力变压器 的硅钢片， 可降低其空载损耗 60 ～ 70［1- 2 ］; 用非 晶合金制造高效电机， 其运行效率可提高 5 ～6， 所以非晶合金是一种高效、 节能、 环保的新材料， 其应 用前景十分广阔 ［3- 6 ］。硼硅铁合金是制造非晶合金的 重要原料， 目前主要通过电弧炉进行冶炼［7 ］。在其 生产过程中， 产生含有大量微细粉尘和 B2O3的烟气， 必须经过除尘和酸雾吸收处理才能排入大气［8- 10 ］。 东北某厂采用 6 300 kVA 电炉生产硼硅铁合金， 年产量 6 000 t 以上， 其烟气净化系统采用脉冲袋式 除尘器和吸收塔相结合工艺， 并在电炉炉顶设水冷矮 烟罩、 风机采用变频调速以适应不同冶炼工况， 系统 中烟温、 抽风量、 罩口风压等实现了自动控制， 电炉冶 炼时现场无烟气外溢， 经测试其烟囱的粉尘和酸雾排 放均达到国家相关标准［11 ］。 1系统工艺流程及设备 1. 1工艺流程 烟气净化系统图如图 1 所示， 硼硅铁合金烟气净 化处理系统主要由集气罩 1、 冷风阀 2、 预处理器 3、 脉冲袋式除尘器 5、 吸收塔 6、 吸收碱液池 7、 循环泵 8、 风机 9 及烟囱 10 组成， 系统配有风机变频调速、 烟 气温度检测、 罩口风压控制及完成自动清灰、 卸灰、 输 灰等功能的电气控制系统。 硼硅铁合金冶炼烟气由设在电炉顶部、 按炉身定 制的水冷烟罩进行捕集， 经过冷却进入预处理器， 将 烟气中絮状物、 大颗粒物及高温颗粒拦截分离下来， 再进入脉冲袋式除尘器进行净化， 当烟气温度 ＞200 ℃时， 设在预处理器前部管道上的冷风阀 2 打 开， 自动掺入部分冷空气降低烟气温度以保护脉冲布 251 环境工程 Environmental Engineering 图 1烟气净化系统图 Fig．1Schematic diagram of flue gas purification system 袋除尘器的滤袋。 由于硼硅铁合金在冶炼的过程中须加入硼酐 B2O3， 因其熔点较低， 在生产过程中散失量大，B2O3 遇水蒸气可反应生成硼酸， 形成酸雾， 甚至会造成酸 雨危害。在脉冲袋式除尘器之后， 设置的吸收塔 6 可 有效地去除烟气中的 B2O3， 防止酸雨的形成。 1. 2系统主要技术参数 系统主要技术参数如表 1 所示。 表 1系统主要技术参数 Table 1The main technical parameters of the system 名称技术参数 烟气量/ m3 h －1， 标态 120 000 除尘器入口含尘浓度/ g m －3 ≤2 除尘器入口烟气温度/℃≤130 袋式除尘器过滤面积/m22 000 袋式除尘器室数6 滤袋规格/ mm mm130 6 000 滤袋材质覆膜针刺毡 脉冲阀/个72 清灰压缩空气压力/MPa0. 30 ～0. 35 除尘效率/ ＞99 系统总阻力/Pa ≤1 600 设备耐压/Pa 4 500 吸收塔/ mm mm 5 000 12 000 设备装机容量/kW10 250 主风机 1. 3系统设备 1. 3. 1集气罩 工业电炉因方便电极移动、 捣炉加料等工序， 常 采用敞开式烟罩， 生产时不可避免出现大量烟气外溢 现象， 造成车间工作环境十分恶劣。针对这一难题， 在设计时根据化学反应计算， 预测吹炼时产生的烟气 量、 烟气成分及温度， 基于 FLUENT 软件， 按电炉炉型 尺寸， 对密闭罩、 半密闭罩两种型式， 在分别改变烟罩 高度、 锥度、 电极高度、 操作炉门位置等条件对烟气流 场进行数值模拟， 计算结果表明， 采用合理结构的半 密闭罩， 既方便了工艺操作， 又可有效地降低烟气温 度， 同时， 通过在烟气口设置的微差压传感器， 可保证 罩口烟气处于微负压状态， 烟气既不产生外溢， 又避 免出现炉料中 B2O3产生大量散失的情况［12 ］。 1. 3. 2预处理器 经集气罩捕集的的含尘烟气首先进入预处理器， 预处理器可捕集大部分轻质的絮状物如木炭微粒、 石 油焦微粒， 为提高预处理效率， 采用了加长的锥体， 并 在下锥体增加反射屏装置， 以提高其分级效率。 1. 3. 3低压脉冲袋式除尘器 低压脉冲袋式除尘器由 6 个独立的袋室、 进出风 口、 袋室进风切换阀、 脉冲清灰装置、 灰斗、 灰斗振动 器、 卸灰阀等部分组成 ［ 13 ］。硼铁合金电炉烟气中含有 大量 B2O3， 而 B2O3会造成烟气露点较高， 易产生结露 现象而糊袋。针对这一难题， 除尘器选用了耐高温的 覆膜针刺毡滤料， 并对袋式除尘器壳体进行保温， 在袋 室进口切换阀、 烟道及袋式除尘器入口等处设置温度 传感器， 通过 PLC 系统控制冷风阀开、 闭， 调节控制进 入袋式除尘器的烟气温度， 使其在 80 ～130 ℃， 运行结 果表明， 这些措施均有效地延长了滤袋的使用寿命， 经 检测烟囱出口粉尘含量小于5 mg/m3。 1. 3. 4吸收塔 如图 1 所示， 从布袋除尘器排出的含 B2O3成分 的气体进入吸收塔底部， 经过吸收塔底部的气流分布 板， 使进入吸收塔的气流分布均匀， 气流在上升的过 程中与多层雾化喷嘴喷出的碱液雾滴充分接触， 发生 化学吸收过程， 最后经设置在吸收塔顶部的除雾器去 除烟气中的液滴， 经风机、 烟囱排入大气。在吸收塔 底部设有碱液缓冲池和加药池， 并配有定量加药装 置， 碱液缓冲池中的 pH 计可维持其 pH 值处于5. 5 ～ 8 吸收碱液处理流程如图 2 所示 。经检测， 烟囱出 口处 B2O3含量小于 1 mg/m3， 有效地避免了酸雨的 发生。 图 2气体吸收碱液处理流程 Fig．2Flowchart of lye treament for gas absorption 1. 3. 5电气控制系统 如图 3 所示， 电气控制系统采用三菱 FX2N 系列 351 清洁生产与节能减排 Cleaner Production，Energy- Saving ＆ Emission Ｒeduction 可编程控制器 PLC 和风机类负载专用变频器， 并配 有触摸屏 TP 。系统的参数、 状态显示、 操作、 控制 均以人机对话方式完成， 具有可靠性高、 节能效果好 的特点。 图 3电气控制系统 Fig． 3Schematic diagram of electric control system 控制系统具有以下功能 根据电炉冶炼工艺的需 要， 自动调整风量、 压力， 满足生产和节能的要求; 根 据检测到的各点温度， 自动开启、 关闭冷风阀， 自动调 节烟气温度; 实现脉冲布袋除尘器的自动清灰， 清灰 周期可调; 在人机界面上可以完成温度、 风机转速及 各个设备运行状态、 参数的操作和显示; 系统具有故 障自动检测、 报警及相应的保护功能。 2节能分析 电炉在不同冶炼阶段产生的烟气量变化非常大， 如在加料、 出炉、 捣炉阶段， 产生的烟气量较大; 而在 吹炼阶段， 产生的烟气量较小。因此， 在风机控制系 统中采用变频调速技术， 既可以避免其启动对电网的 冲击， 又满足了各阶段对抽风量变化的要求， 大幅度 降低了能耗， 省去了降压启动器和风机阀门。 系统中风机所配置的电机参数为 250 kW， AC380 V， 50 Hz， 额定电流为 447 A， 额定转速为 1 490 r/min， 考虑到除尘管道、 滤袋在运行一段时间 后阻力会增加， 所以进行风机选型时， 风机的全压、 功 率等一般留有余量， 但是这样在其实际运行时又会造 成巨大的能源浪费。采用变频调速装置可以有效地 解决这一问题。根据冶炼工况， 将抽风机系统设置了 多个转速挡位， 并可根据冶炼工艺由炉前工进行随时 设置， 以得到适合冶炼要求的风机转速。 根据风机的比例定律可知 风机的轴功率与转速 的三次方成正比， 即 P2/P1 n2/n1 3 1 式中 P1为电机的额定功率;P2 为电机低速时的功 率;n1为电机额定转速;n2 为电机低速时的转速。 由于正常吹炼时的抽风量仅为出炉、 捣炉阶段的 20左右， 且吹炼占时较长， 由式 1 可知， 变频调速 可达到十分明显的节能效果， 与不采用风机变频调速 的系统相比， 年可节约用电 8. 5 105kWh， 按每度 电 0. 6 元计算， 可节省电费 51 万元。 3结论 用袋式除尘器 吸收塔工艺可以有效地处理硼 硅铁合金电炉产生的烟气， 经检测， 采用该处理工艺 后烟囱出口粉尘含量小于 5 mg/m3;B2O3含量小于 1 mg/m3， 均达到了国家排放标准， 有效地避免了酸 雨的发生。该工艺具有运行可靠、 滤袋使用寿命长、 酸雾气体吸收效果稳定的优点。在电气控制方面， 可 编程控制器 触摸屏监控模式的应用， 提高了系统的 操作控制的可靠性和方便性; 采用了风机变频调速技 术后， 整个系统的节能效果十分显著。 参考文献 ［1］郭红， 晁月盛， 金莹． 脉冲磁场致非晶合金纳米晶化及巨磁阻 抗研究［J］． 稀有金属材料与工程， 2011， 40 7 1163- 1167． ［2］周林， 杨元政， 陶平均， 等． Nb 对 Fe- Si- B- P- Cu 非晶/纳米软磁 合金的非晶形成能力及磁性能的影响［J］． 热加工工艺，2012 18 24- 27． ［3］Tang P，Wen L，Tong Z，et al． Stacking faults in B2- structured magnesiumalloysfromfirstprinciplescalculations ［J］． Computational Materials Science， 2011， 50 11 3198- 3207． ［4］Bobk A， Dely J． The effect of a single- ion anisotropy on the phase diagram of a mixed ferro- ferrimagnetic ternary alloy［J］． Physica AStatistical Mechanics and its Applications， 2004，341 1 281- 298． 下转第 158 页 451 环境工程 Environmental Engineering 表 2拱顶罐计算参数 Table 2Calculation parameters for the dome roof tank 罐号 罐体 高度/ m 罐直 径/ m 罐容/ m3 罐顶 颜色 罐外 颜色 涂料 状况 储罐 加热 真空度 设定值 压力设 定值 30812. 23218. 4873 281. 9白白好否未提供 未提供 表 3拱顶罐存储油品的参数 Table 3Calculation parameters for the oil products in the tank 油品 蒸汽压/ kPa 密度/ kg m －3 液位/ m 储存温度/ ℃ 存储周期/ d 汽油50. 373511常温3 柴油4. 5826. 511常温3 煤油5. 7803. 611常温3 以油库现场的 308 号罐为例， 分别计算了汽油， 柴油， 煤油的年蒸发损耗， 如表 4 所示。 表 4拱顶罐静储存年损耗 Table 4Annual static breathing loss of dome roof tank 罐型油品 油品年蒸发 损耗量/kg 油品年蒸发 损耗率/ 拱顶罐汽油35 633. 941. 94 拱顶罐柴油5 020. 630. 18 拱顶罐煤油5 781. 610. 21 计算结果表明 拱顶罐静储存过程中， 汽油的蒸 发损耗较大， 大约是柴油和煤油损耗量的 10 倍， 柴油 和煤油的损耗相差不大。拱顶罐更加适合于柴油和 煤油的储存。 4结论 拱顶罐内气体空间各点的温度在一天内波动较 大， 受到大气环境温度和日照因素的影响， 气体空间的 上、 中、 下部存在温度梯度。拱顶罐内气体空间的油气 浓度分布受到油品种类， 静止储存时间， 气体空间高度 等因素的影响。存储汽油时平均油气浓度大于柴油和 煤油的浓度， 柴油和煤油的平均油气浓度相接近。罐 内油气浓度分布是不均匀的， 在纵向上存在浓度梯度， 靠近油面处油气浓度最高。油品存储时间越长， 罐内 气体空间的油气浓度分布更趋于均匀， 不同高度的油 气浓度差减小， 平均浓度升高。通过拱顶罐小呼吸损 耗的计算， 表明拱顶罐在不同油品的存储过程中， 汽油 的小呼吸损耗较高， 柴油的小呼吸损耗最小。 参考文献 ［1］郭光臣， 董文兰， 张志． 油库设计与管理［M］． 青岛 中国石油 大学出版社， 2006 277- 356． ［2］黄维秋． 油气回收基础理论及其应用［M］． 北京 中国石化出 版社， 2011 32- 159． ［3］GB 162971996 大气污染物综合排放标准［S］． ［4］GB 209502007 储油库大气污染物排放标准［S］． ［5］陈家庆， 曹建树， 王建宏， 等． 面向加油站的油气回收处理装置 及其关键技术［J］． 环境工程， 2007， 25 1 41- 46． ［6］张秀玲， 宋翠红， 刘春杨． 储油罐油气扩散规律的理论研究 ［J］． 中国石油和化工标准与质量， 2011 7 63- 64， 5． ［7］杨宏伟， 杨士亮， 费逸伟， 等． 固定顶油罐油气空间温度梯度与 小呼吸降耗措施［J］． 油气储运， 2011， 30 4 311， 314- 315． ［8］Okamoto K， Watanabe N， Hagimoto Y， et al． Changes in evaporation rate and vapor pressure of gasoline with progress of evaporation ［J］． Fire Safety Journal， 2009， 44 5 756- 763． ［9］Okamoto K， Watanabe N， Hagimoto Y． Evaporation characteristics of multi- component liquid ［J］． Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2010， 23 1 89- 97． ［ 10］SH/T 30022000 石油库节能设计导则［S］． ［ 11］林立， 鲁君， 何校初， 等． 中美储罐呼吸排放量计算方法对比 ［J］． 化工环保， 2012， 32 2 137- 140． 第一作者 杨光 1988 － ， 男， 硕士， 主要从事有机废气污染控制及资 源化技术的研究。675084291 qq． com 通讯作者 黄维秋 1965 － ， 男， 教授， 硕士生导师， 主要从事有机废气 污染控制及资源化技术的研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 hwq213 cczu． edu． cn 上接第 154 页 ［5］陈国钧， 涂国超， 吕玮． 非晶纳米晶软磁材料在高效电机中的 应用［J］． 磁性材料及器件， 2012 2 1- 5． ［6］李广敏， 李德仁， 倪晓俊， 等． 用于电机定子的新型非晶材料铁 芯的研究［J］． 功能材料与器件学报， 2012 3 232- 237． ［7］谢奕敏， 宋纪元， 侯宾才， 等． 铁合金矿热炉烟气余热回收及发 电工艺系统［J］ ． 铁合金， 2012， 43 1 41- 44， 48． ［8］申桂秋． 硅铁电炉烟尘的治理与回收利用［J］ ． 环境工程， 1985 2 14- 16． ［9］武晓燕， 于宏兵， 冯俊丽． 锰硅合金工业清洁生产实践［J］． 环境工程， 2012， 30 6 109- 112． ［ 10］杨延旗， 刘昌生， 李超， 等． 硼铁合金烟尘静电治理试验研究 ［J］． 工业安全与环保， 2003， 29 10 9- 10． ［ 11］肖怀德． 铁合金矿热电炉大气污染控制对策研究［J］． 环境工 程， 2010， 28 2 78- 79． ［ 12］巩建国． 矿热炉烟气排放特点及治理方法的探讨［J］． 铁合 金， 2012， 43 4 39- 41． ［ 13］孙军军， 杨来怡， 常丽． 低压脉冲袋式除尘器在硅铁电炉烟气 中的应用［J］． 工业安全与环保， 2010， 36 1 6- 7． 第一作者 肖林 1957 － ， 男， 高级工程师， 主要从事环保设备及其控 制系统研究。XL8211163． com 851 环境工程 Environmental Engineering