摘要：碳化硅冶炼过程中会产生大量的CO气体，碳化硅冶炼过程中的尾气处理，不仅牵涉到环保，并且直接关系到操作人员的职业健康。本文介绍了碳化硅冶炼过程中尾气处理技术的背景，分析比较了国内外碳化硅冶炼炉尾气处理的主流方案，并在此基础上推荐了适合国内碳化硅企业采用的方案，并提出了在应用时需要注意的技术关键点。
关键词：碳化硅；尾气处理
0 引言
碳化硅生产过程中有害物质主要有以下几类：烟尘、CO（大量）和CO2（少量），根据所用原材料中所含杂质不同还含有SO2和氮氧化物等。对于烟尘的处理，采用普通的除尘器进行处理即可，但是对尾气中CO的处理，目前国内还没有成熟可靠的方法。碳化硅冶炼过程中，碳化硅结晶物与CO气体的质量比可以达到1:1.4，而CO是一种有毒气体，在生产过程中如果不及时将其处理掉，就会引起车间内CO浓度升高，威胁到操作人员的身体健康；另外，由于CO还具有可燃性，受碳化硅冶炼过程中炉内高温的影响，如果不对这部分气体进行有效处理，那么在生产过程中就会存在燃气爆炸的危险。针对上述问题，本文针对国内外碳化硅冶炼过程中尾气处理的两种主流思路进行了介绍，具体分析了几种技术方案的特点，然后在此基础上推荐了适合国内碳化硅行业的尾气处理方案。
1 国内外技术水平
针对碳化硅冶炼时产生的尾气，目前国内普遍采用直接点燃尾气法。但这种方法并不能有效的降低碳化硅冶炼车间内的CO浓度，还会导致车间内温度过高。西安科技大学的田玉仙教授通过实验验证了碳化硅冶炼过程中的尾气发生爆炸必须同时具备3个条件：一定浓度的可燃气体与一定量空气混合达到其爆炸极限范围，并充满封闭容器中，遇火种，三者缺一不可。根据田玉仙教授的实验结果，我们可以发现如果不采取有效的措施降低碳化硅冶炼车间内的CO浓度和温度，那么在生产过程中将存在巨大的安全隐患。
目前，对于碳化硅冶炼过程中所产生尾气的后处理有两类方案：一是将尾气在炉料表面点燃后收集除尘和后处理。另一种是利用集气罩先将CO收集起来，然后对其进行提纯和合理利用，该方案在应用上比较典型的有德国ESK公司方案和国内直型炉尾气收集和处理方案。
1.1典型方案介绍
1）点燃后进行收集和处理的方案
该方案的原理是对车间厂房进行密闭处理或者加装废气回收罩，将尾气在炉料表面进行点燃后，将废气收集起来并进行后处理。这种方案的核心思想是，改变现在国内碳化硅企业仅仅将尾气在炉料表面点燃而不进行后处理的粗放式生产，将冶炼过程中产生的废气无组织排放变为有组织排放。
2）德国ESK公司方案
1973年，ESK公司发展了一种山型炉，这种炉没有端墙和侧墙，将配电系统布置在地下，采用高强工程塑料包把碳化硅冶炼炉炉体密封盖起来，通过炉底通道和抽气系统收集尾气并将其送至发电站转化为电能。该方案适用于山型炉和U型炉，对于CO的回收利用具有明显的节能降耗效果。
3）国内直型炉尾气收集和处理方案
目前国内使用的主要炉型为直型炉，针对直型炉的特点，我国某些碳化硅企业采用的方案是：将冶炼炉的炉顶采用工程塑料包密封起来，在炉墙的两侧设置密闭的钢结构，钢结构上带有收集气体的管道系统，通过炉底的管道和钢结构上的抽风系统，将尾气收集起来并处理后用以发电。需要指出的是，为了方便扒炉和吊装炉墙，这些钢结构均制作成可以活动拆装的结构形式。这种方案可以最大限度的收集到碳化硅冶炼尾气，对于尾气的资源再利用具有重大意义，但是目前该技术应用过程中尚需进一步提高运行的稳定性。
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1.2方案的比较
上述两大类三种常用方案，分别具有各自的特点：
1）尾气点燃后进行收集和处理的方案，只需要对碳化硅冶炼车间进行适当改造，不会影响原有的炉型、车间工艺布局和生产规模，改造成本和后期维护的费用都比较低，适用于老厂的环保改造工程。
2）德国ESK公司方案，能够最大限度的收集碳化硅冶炼尾气，实现尾气资源的充分利用。但是该方案的局限性也是非常明显的，即该方案只适用于山型炉和U型炉，对炉型和场地等要求比较高。并且该方案对密封炉头的工程塑料包材质要求很高，在应用过程中又需要“一炉一换”，运营成本偏高。
3）国内直型炉尾气收集和处理方案，可以最大限度的收集到碳化硅冶炼尾气，对于尾气的资源再利用具有重大意义。但是这种方案在冶炼过程中需要拆卸炉墙两侧的钢结构，且同样存在对密封炉头的工程塑料包材质要求高，在应用过程中又需要“一炉一换”的问题。考虑对生产上的影响以及运营成本，该方案尚需要进一步的优化。
目前，国内碳化硅冶炼炉多采用直型炉的结构形式，ESK公司的技术方案在应用和推广上存在一定的困难。再综合考虑尾气点燃后进行收集和处理的方案与直型炉尾气收集和处理方案，显然第一种方案无论从经济性还是可实施性上讲，都更加适用于目前我国的碳化硅冶炼行业。结合目前国内碳化硅行业的特点，笔者对第一种方案在应用上的关键技术进行了探讨。
2关键技术的探讨
对碳化硅冶炼尾气点燃后再进行收集和处理的方案，虽然在理论上比较简单，但在实际应用中，还需要重点关注一些方面的问题。
2.1安全集气措施
碳化硅冶炼过程中，炉内的温度很高，伴生气体又具有可燃可爆的特点，再加上碳化硅冶炼过程中又可能发生喷炉事故，因而在集气过程中需要特别注意防范燃气爆炸。安全集气，需要注意以下几个方面：
1）控制炉内温度：研究表明，CO、CH4和H2的燃爆极限与温度成直线关系，系统的温度升高，燃气爆炸下限值变低、上限值变高，从而使燃爆极限范围扩大，燃气爆炸危险性增大。在生产中可以通过加快集气罩内热风与外界冷风的换热速率来实现降温，从而缩小燃气爆炸的温度范围。
2）控制可燃气体浓度：可燃物质与空气或氧气必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸。通过控制气体收集速度，使集气罩内的可燃气体浓度降至爆炸极限以下，即可有效避免尾气发生爆炸事故。
3）降低喷炉发生率：研究和生产经验都说明，降低送电功率可以有效的降
低喷炉发生。生产过程中应加强对操作人员的技能培训，合理控制冶炼送电功率。同时在发生喷炉时，应立即停炉并停止尾气的收集。
2.2集气罩结构和材料的选择
集气罩是直型炉尾气点燃后再收集处理系统中的核心部件，在集气罩的结构和材料的选择方面，应全面考虑碳化硅冶炼的特点以及尾气处理的功能要求。
1）结构方面：集气罩应结构稳定可靠，最重要的是不得影响车间的工艺布局，并尽可能的降低对生产上的影响。在制作集气罩时，还应充分结合冶炼车间的厂房布局情况，保证集气罩结构上的稳定性和使用上的安全性。
2）材料方面：应考虑碳化硅冶炼过程中温度高、气体具有腐蚀性的特点，在保证材料可靠性的基础上综合考虑经济因素，应尽可能避免出现“一炉一换”的现象。
3结语
针对碳化硅冶炼过程中的尾气处理问题，本文介绍和比较了国内主流的四种方案。结合当前国内的行业现状，笔者认为将尾气点燃后再进行收集和处理的方案是最具有经济性和可实施性的一种方案。但是在应用过程中，必须注意安全集气的问题，同时对于集气罩的结构和材料选择应给予充分的考虑。碳化硅陶瓷近年来在材料领域发展迅速，碳化硅冶炼过程中的尾气处理问题，不应成为制约行业发展的瓶颈。对于碳化硅冶炼时的尾气处理技术，我国尚需要进行进一步的探索和实验。
论文作者:代晓南,耿红生
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：碳化硅论文; 尾气论文; 方案论文; 过程中论文; 气体论文; 车间论文; 浓度论文; 《电力设备》2018年第19期论文;