武威市碳化硅冶煉尾氣回收處理方法研究

丁曉燕

（甘肅省武威市工業(yè)發(fā)展研究中心，甘肅武威 733000）

總結現階段的工業(yè)生產實踐可知，碳化硅的主要應用價值體現在新能源車電池和芯片制作當中，所以為了穩(wěn)定新能源車的發(fā)展，同時為了強調芯片的開發(fā)與生產，需要對碳化硅的冶煉進行分析與強調。對我國現階段的碳化硅冶煉進行分析可知，大部分的碳化硅生產企業(yè)基本實施的是無組織排放尾氣模式，這種模式導致的尾氣排放會造成空氣環(huán)境質量下降，進而引發(fā)更為嚴重的空氣污染等問題，也會讓碳化硅冶煉脫離綠色可持續(xù)發(fā)展方向，因此在實踐中需要對碳化硅冶煉中的尾氣回收和處理進行討論。武威市在我國碳化硅冶煉方面具有代表性，對武威市碳化硅冶煉過程中的尾氣回收處理方法進行分析和總結，這能夠為整個行業(yè)的進步和發(fā)展提供參考。

1 碳化硅冶煉的基本概述

對我國的碳化硅冶煉進行分析可知，其主要集中的區(qū)域是青海省、甘肅省、河南省、貴州省、寧夏回族自治區(qū)和東北的部分地區(qū)。在這些冶煉區(qū)域中，甘肅省武威市的碳化硅冶煉在國內碳化硅冶煉體系中的規(guī)模比較大，年產量可達30萬t，在國內產量中的占比達到了13%。對武威市碳化硅冶煉的基本情況進行分析與討論，這于當前實踐工作組織開展有突出現實價值。

1.1 碳化硅企業(yè)的生產過程

以武威市的碳化硅冶煉生產為例進行分析，在企業(yè)生產實踐中，其遵循的基本生產過程如下。

1.1.1 原料破碎

使用專業(yè)的設備對原料進行破碎，需要讓原料破碎到需要的標準。在碳化硅的冶煉中，使用的原料是煤。

1.1.2 配料和混料

這個環(huán)節(jié)是碳化硅冶煉過程中不可缺少的一項內容，其具體指的是按照規(guī)定配方進行稱量和混勻加工處理的過程。在配料和混料的過程中，工藝標準和要求需要嚴格執(zhí)行，這樣可以保證此環(huán)節(jié)工作的質量。

1.1.3 電爐準備

電爐是冶煉過程中必須要使用的設備之一，基于冶煉的具體要求對電爐進行檢查，確定其滿足生產要求。

1.1.4 裝爐

裝爐是碳化硅生產中不可忽視的一個環(huán)節(jié)，其主要指的是在電爐當中進行材料的填裝。在材料填裝的過程中，需要對材料的類別、尺寸等進行強調。

1.1.5 送電

送電指的是在裝爐工作結束之后的電源接通。

1.1.6 冷卻

冷卻指的是在冶煉工作結束之后讓電爐自然冷卻，并在材料冷卻之后進行扒爐。在冷卻的過程中還需要強調一項工作內容便是進行分級。

1.2 碳化硅冶煉過程中的尾氣

對碳化硅冶煉過程中產生的尾氣進行收集并對其成分進行分析發(fā)現尾氣中的有害氣體主要有SO2、NO2、CO、煙（粉）塵，同時還存在著少量的NH3、H2S等[2]。對這些有害氣體的具體產生環(huán)節(jié)做分析可知，SO2、NO2、CO及少量NH3、H2S的產生主要發(fā)生在冶煉過程中，而粉塵的產生則是發(fā)生在原料和蟾皮破碎環(huán)節(jié)。

1.3 武威市的碳化硅冶煉現狀

對現階段武威市的碳化硅冶煉進行總結可知，該市現階段存在碳化硅企業(yè)22家，其中天祝金強工業(yè)集中區(qū)寬溝工業(yè)園區(qū)16家，華藏寺鎮(zhèn)3家，打柴溝鎮(zhèn)3家。對這些企業(yè)的規(guī)模進行總結可知規(guī)模以上的企業(yè)有12家，其余為規(guī)模以下的企業(yè)。這22家企業(yè)的設計產能為114萬t，已經建成的產能為40萬t，存在31條生產線，在國內的碳化硅產能市場，其占比達到了50%左右[3]。

對武威市的碳化硅企業(yè)經營進行分析可知其存在著兩方面的突出問題，其一是企業(yè)生產存在著非常顯著的大氣污染問題。相關組織對武威市，尤其是天柱縣的環(huán)境狀況進行測評，從結果來看，大氣環(huán)境質量不樂觀，而導致大氣質量的一個重要原因便是碳化硅冶煉。其二是碳化硅企業(yè)的經營未辦理合法用地手續(xù)。因為本文主要討論的是碳化硅冶煉過程中尾氣的回收和處理，所以此問題在這里不做過多贅述。

2 碳化硅冶煉過程中的尾氣回收處理

立足于武威市的碳化硅冶煉實踐進行分析可知，大量的冶煉尾氣排放導致了比較嚴重的環(huán)境問題，所以為了控制尾氣排放，解決空氣污染問題，需要對碳化硅冶煉過程中的尾氣排放進行處理。現階段，針對碳化硅冶煉尾氣，各國都開展了尾氣處理的研究，而且取得了不錯的成績。就目前的總結來看，在碳化硅尾氣回收處理的過程中，主要的方案有兩個，分別是德國 ESK公司方案和GA公司方案。

對德國 ESK公司方案進行分析討論可知在該方案的利用中，電爐的形狀為山型和 U型，此種電爐的保溫料層比較厚，冶煉排出的尾氣溫度較低，通過工程塑料包將整個碳化硅冶煉爐體給密封起來，然后利用爐底通道和抽氣系統(tǒng)來進行尾氣的收集，再對尾氣進行處理后用以發(fā)電[4]。就此種方案的具體使用來看，其基本的工藝流程是尾氣回收→尾氣處理→尾氣發(fā)電。該方案的顯著特點在于能夠最大效率地實效尾氣的收集，并以此來保證尾氣資源的有效利用。對該方案能夠有效地提高碳化硅冶煉系統(tǒng)的性能。需要注意的是該方案存在著顯著的弊端，比如該方案在利用的過程中需要充分考慮周轉場地以及爐型等因素。而且該方案在具體實施的過程中，其對高強度塑料包有著較高的要求，因此在應用實踐中會出現成本不斷提高的現象。除此之外，這種方案在具體利用的過程中因為爐內溫度較高，有著較強的可燃可爆性，因此有著較大的安全隱患。

GA公司方案在實施的過程中，整個冶煉車間是需要封閉的。在封閉空間之后在車間的屋頂進行冶煉廢氣的抽取，當其處理達標之后再對其進行排放或者是利用。此方案的工藝流程為廠房封閉→氣體置換→尾氣回收→尾氣處理→尾氣發(fā)電[5]。在使用該方案時需要將冶煉區(qū)域進行封閉，從而使其形成一個全密閉的空間，在開爐前和停爐后，利用氮氣將密閉空間內的氣體進行置換。氮氣所具有的顯著特性之一是存在惰性，不易燃，所以其保證了尾氣回收的安全性。冶煉廢氣經過除塵、脫硫等手段凈化處理后，再送到燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電。這種方案的整體利用存在的顯著優(yōu)勢是提升了尾氣回收利用的效果，而且冶煉回收能夠實現高度的自動化，其對周邊環(huán)境的污染也比較小。不過在利用這種方案時，廠房建設需要執(zhí)行比較高的要求，而且尾氣回收技術應用相對復雜，所以投資成本較大。

3 武威市碳化硅尾氣回收處理的措施與方法

結合上述的分析可知，兩種方案在碳化硅冶煉尾氣的回收處理實踐中進行應用均可以實現尾氣的收集，同時還可以實現尾氣的有效利用，這對于降低冶煉尾氣的不利影響，提升整體生產實效有突出的現實意義。從實踐研究來看，在尾氣回收處理的過程中，尾氣的安全收集是必須要強調的，所以對尾氣安全收集的方法和措施進行討論有突出的現實意義。以武威市目前的碳化硅冶煉實踐為例，為了保證尾氣回收處理的安全，在實踐中需要做好如下工作。

1）需要小功率，以此來實現爐內空氣的供電置換[6]。總結目前的研究結果可知，不管是一氧化碳、甲烷還是氫氣，其燃爆極限與溫度存在著密切的關系。通過試驗分析發(fā)現其存在直線關系，即在溫度不斷升高的情況下，燃氣爆炸的下限值會明顯變低，同時上限值會不斷提升，這種情況會導致燃爆極限范圍明顯擴大。在冶煉碳化硅的過程中，尾氣收集初期會存在爐內氧氣濃度比較高的情況。在供電開始至1h這個范圍內，采取小功率供電法，可以有效地降低爐內的溫度，而且可燃混合氣體的極限爆炸范圍也可以降低。當然，僅僅做到這一點是不夠的，還需要強調排氣口附近的火源禁止，這樣可以讓爐內產生的伴生燃氣和空氣實現置換。

2）在實施送電之前使爐內集氣空間發(fā)生惰化。在噴爐時，使用惰性氣體對集氣罩裂口尾氣可燃物進行稀釋，混合氣體更容易被點燃?；谶@樣的結果，可以在尾氣收集的過程中，向可燃氣體與空氣混合氣體當中進行惰性氣體的填充。惰性氣體的接入會增加氣體的冷卻作用，所以爐內的溫度會明顯地降低。另外，惰性氣體的含量增加之后，氧氣與可燃氣體的百分比會有明顯地降低，這種情況下燃氣爆炸極限的范圍會被縮小，如此一來，燃氣爆炸的發(fā)生率會顯著降低?？偟膩碇v，在送電工作開始之前在爐內進行惰性氣體的填充，實現空氣的有效置換，這能夠減少爆炸的發(fā)生，這對于穩(wěn)定碳化硅生產，保證碳化硅生產安全有突出的現實作用。利用惰性氣體填充電爐，還能夠規(guī)避噴爐事故發(fā)生時外界空氣與伴生尾氣混合燃燒的現象，這樣一來，事故的整體影響會得到控制，碳化硅生產安全等獲得了有效保障。

3）通過隱射集氣空間氣體的方法來降低爐內氣體的壓力，同時讓集氣空間保持微正壓的狀態(tài)?；诳扇細怏w的爆炸理論分析，可燃氣體的壓力越低，氣體之間的分子間距越大，這種情況下的氣體分子碰撞幾率會減小，所以燃燒反應的發(fā)生便會更難，如此一來，爆炸極限范圍也會縮小。當氣體的壓力下降到臨界壓力以下后系統(tǒng)便不再會發(fā)生爆炸。基于該理論，在實踐中可以使用自制的射水抽氣器實現集氣空間內可燃混合氣體的“引射”，以此來減小爐內的空氣壓力以及濃度，降低爆炸風險的發(fā)生率。在爆炸的過程中，氧氣濃度起著決定性作用，因此在碳化硅冶煉的過程中為了控制氧氣的密度，需要保證爐體的密閉，必須要對爐內的壓力進行監(jiān)測，要基于監(jiān)測的具體結果進行氣體的隱射操作，這樣，爆炸控制的實際效果會更加地突出。當然，在具體操作的時候，還需要在排氣口設置手動復位安全閥，以便在突然停電時能關閉排氣口。

4）采用多芯爐進行冶煉，以此來杜絕碳化硅冶煉噴爐事故。在冶煉碳化硅的過程中會發(fā)生噴爐事故，該事故會對碳化硅冶煉安全以及尾氣的回收處理產生不良影響，所以在實踐中需要積極地研究噴爐事故的發(fā)生原因，同時要對該問題的解決策略和方法進行總結。在組織開展實驗的過程中，選用耐高溫集氣材料可以經受住非常高的溫度，但是耐高溫黏結劑和耐高溫涂料顯然不能令人滿意，有時，高溫黏結劑在高溫下會失去黏結性而導致集氣罩破裂，高溫涂料在高溫下起皮，甚至脫落，故氣體收集過程中一定要杜絕噴爐事故發(fā)生?；谶@樣的試驗結果，在實驗中選用了多芯爐冶煉碳化硅技術。在多芯爐冶煉碳化硅的過程中，嚴格控制爐芯材料、裝爐工藝和供電制度，多芯爐冶煉碳化硅時，發(fā)生噴爐事故的情況明顯減少，這說明利用多芯爐冶煉碳化硅技術在保障碳化硅冶煉安全，維持冶煉尾氣回收處理穩(wěn)定性方面有突出的現實意義。

5）采用防護網，隔離爐體與周圍環(huán)境。分析武威市目前的碳化硅冶煉實踐可知，無論氣體收集工藝多么可靠，突發(fā)事故都有可能發(fā)生，所以為了防止突發(fā)意外事故，確保安全，必須在爐內周邊一定范圍內加設防護鋼網，以免爆炸碎片傷及人與物。簡單來講，通過隔離網的布置將碳化硅冶煉與外部空間進行隔離，這樣可以有效地降低碳化硅冶煉安全事故的不良影響。

6）對工人及實驗室工作人員進行安全教育和規(guī)范操作培訓。在碳化硅冶煉以及尾氣回收處理實踐中，人員在各個環(huán)節(jié)中的作用是不可忽視的，如果人員本身的操作水平、理論認知水平、安全意識等存在問題，那么很可能會出現因為人員失誤而導致的安全事故，這對于碳化硅冶煉以及尾氣回收利用是非常不利的，所以需要積極地解決人員問題，以目前的實踐為例，需要對工作人員進行安全培訓，同時還要基于崗位特點進行崗前培訓，要讓工作人員的專業(yè)性得到加強。

4 結束語

碳化硅在目前的社會生產實踐中有著非常重要的利用，所以穩(wěn)定碳化硅的生產具有必要性。在冶煉碳化硅的過程中，尾氣的排放會造成大氣污染，但尾氣可以被回收利用，所以基于空氣質量控制和資源充分利用考慮，對碳化硅冶煉過程中的尾氣回收處理進行分析與討論有突出的現實意義。