硅铁电炉操作对环境状态的影响──烟气动力学的研究

Stein Jore Johansen   Halvard Tveit^(*)  Svend
Gradahl Aasgeir Valderhaug^(**)·^(*)(埃肯公司Thamshavn，挪威)^(**)(埃肯研究院，挪威)

Jon Age Byberg

(NTNU,SINTEF 金属技术研究院，挪威)

　　摘要　挪威铁合金工业协会（FFF）为了理解和改善金属硅及硅铁的生产工艺，大力提倡与此相差的研究工作。其中一项是关于废气动力学的研究，此项研究的目的是要获得对生产工艺以及环境状态明确的了解。该项目包括对42MVA硅铁电炉的综合测试及理论研究和模拟试验工作。对烟气中主污染物NO_x、CO₂、及SO₂等进行了测定。并测量了坩埚气体压力以及炉料湿度。发现在推料和加料等正常操作状况下，其废气的成分和排出的烟气温度有较大的差别。从该项目中获得的知识可用于满足新的严格的环境规定以及改善电炉的操作。

　　前言

　　在以前的研究中我们已经分析了控制硅铁电炉排烟烟道堵塞的机理^[1]。该研究显示了气体的成分和温度随时间的变化而显著变化。在实际测试过程中，其操作周期对局部的温度分布和气体化学成分的组成产生重要的影响，通过对CO燃烧及颗粒紊流沉积率的动态分析，我们能够并允许排烟温度在平均高于其温度的基础上减少烟道堵塞，从而能够增加废气中回收电能的比率。

　　从所观察到的烟气成分的气体动力学特性显示出我们需要了解更多的工艺过程的基本知识，要想提高工艺操作过程中的环境状态，对其工艺基础知识的了解是十分重要的。

　　挪威铁合金工业协会（FFF）接受了这一挑战，并发起有关研究工作，以了解和提高有关金属硅及硅铁的冶炼工艺，因此就废气动力学进行了详细的研究。该项目的研究目的是对工艺操作及环境状态方面有更好的了解。本文发表了对42MVA硅铁电炉的综合测试结果，并对如何提高环境状况提供了指导。

　　工业规模试验

　　整个试验于1996年6月在位于Thamshavn Orkanger的埃肯铁合金厂的2^＃炉上进行了两天，从图示中可以看到电炉设有排烟系统和余热锅炉。从图1中我们可以看出试验点的位置。

　　在位置1、2和8点设有快速热电偶测量排烟的气体温度，可以看出在电炉两条上升烟道内的烟气温度有很大的不同，在位置3将内径为6.3mm的钢管插入电极底部并使之接触坩埚区域通过管中的气体直接测量坩埚压力^[2]。在第5测点的尘样（硅尘及烟炭）由一种蓄热采样器来采集^[3]，这些样品每10分钟被采集一次并通过光学技术分析其表面亮度。在测点6对烟气中CO、CO₂、O₂、SO₂和NO_x等气体成分进行分析。

　　硅尘浓度在测点9通过激光设备进行监测，而接近测点8的烟气流量由一种S管（压差原理）进行测量，最后一个特殊探测器被用于测量加料时的温度和压力，该探测器将报告两个不同测点的温度和压力。险些之外，还对在炉门开启、加料时的阀门开启及捣炉机的运行等操作情况下的温度及压力进行电子监测。所有测点的数据都以数字方式每5秒钟被记录一次，此外还可记录工厂正常生产的工艺数据，这对研究小组的工作很有帮助。

　　试验结果

　　温度波动

　　在图2中我们可以看到在测点4测量到的温度。在第一天其原料为半连续地加入炉内，而第二天的加料是以每30分钟一间隔分批进行的。在图2中的我们看到，在两天内温度的波动较大，第一天的温度普通上升是由于烟气中吸入的空气量急剧减少造成的。所观察到的温度波动并不取决于电炉的工艺操作，在图3中我们看到排烟温度的峰值出现在推料、加料过程中，也出现在电炉炉盖关闭无特殊操作的状况下。

　　很明显，温度的升高可能是处于电极底部坩埚区域的炉内原料发生反应造成的。

　　烟碳的产量

　　从图3中我们可以看到在电炉维修中烟尘（SiO₂和烟碳）的光度比较低，在正常操作中烟尘是比较亮的（高光度）。这主要是由于SiO₂的产量高，烟尘被SiO₂稀释所致。于是我们可以得知在推料及加料期烟炭的产量可能会比较高。

　　排烟气体的成分

　　排烟气体的成分变化同大规模的温度波动一致。在图2中看到在烟温的峰值，经常伴有高浓度的SO₂、CO₂、CO的生成且有时会出现高浓度的SO₂，同时氧的含量降低到预期值。这可从图5中看到。SO₂的浓度通常在400ppm左右，但在第二天由于加料为分批进行的，在图4中看出平均的的SO₂浓度降至400ppm以下，随之而来的气体成分出现比较大的波动而同时SO₂浓度达到峰值。在试验中我们不能推断SO₂释放量减少是持续的还是间断的，在间断减少的情况下硫是作为一种非气体成分带出的。

　　从图4中看到的比较大的气体成分的波动可能与炉料的成分和温度差异有关，这个问题将在下面进行细致的讨论。

　　NO_x的排出

　　我们预计变化与NO_x的排出量之间可能有对应之处。在图6中我们看到在测点4，温度峰值时测量的NO_x浓度没有随之而变化，可是可以清楚地看到烟尘浓度（主要为SiO₂）和NO_x的排出量却是相一致的。这点我们可以从图7中，依据烟尘的温度和烟尘的温度和浓度（SiO₂）绘出的NO_x浓度图中观察到。我们发现在烟炭浓度和NO_x浓度之间存在明显的关系。排烟温度对NO_x排出物没有影响。对于这种现象唯一的解释是SiO燃烧的火焰区域的热量很高，致使NO_x产生并释放。预计NO_x的生成率与SiO燃烧值成正比。

　　炉料温度

　　从图8中显示的由炉料探测器记录的温度值中，我们发现料面下的温度接近1300℃，这么高的温度是没有预料，这就说明炉料从炉膛内部到料层表面都发生了化学反应。

　　在试验时间为13小时20分时，炉料探测器被大约1立方米厚的冷炉料所覆盖，在最高温度区位置比较低处的热电偶所测量的温度是很稳定的。而位置比较高的热电偶随着冷炉内温度的增长非常缓慢，大约每小时为200℃。由此可以大胆假设部分炉料是相对较凉的，在此区域内，焦炭的挥发分可以存在较长时间，因而其形成了烟炭。

　　值得注意的是在电炉内表面的新的冷炉料对所观测到的温度波动起着稳定的作用。对些的解释是，可能由于粉矿通过块状炉料时在新的炉料底部形成一层透气性比较差的物质，因此使炉料的局部气流速度降低，温度是由辐射和传导而不是对流来决定的。

　　电极（坩埚）压力

　　试验中利用插入电极内的钢管定期测量炉口压力，钢管的局部堵塞可能是由于来自炉口的SiO冷凝在较冷的部位造成的。在此期间如图9所示，当电极（坩埚）压力较低时SiO₂尘量比较高，这说说明炉料透气，炉内的SiO能够从炉料中逸出并燃烧成SiO₂。在另一时期电极端压力高且SiO的释放是很少的。需要注意的是图示是不完全的，该周期我们只是在一根电极上测得的比较满意的数据。然而电极压力似乎是局部相连的，这表明接近三根电极底部形成的气腔是部分时间相互连接的。更有趣的结果是电极的压力高于环境压力0.1大气压，这表明电炉炉料的透气性在此期间特别低。

　　如果我们将图9中13小时48分左右的数据用比较大的时间坐标画出后，我们可以在图10中看到电极端压力缓慢下降而SiO₂的产量以稳定比率上升。在13小时47分40秒，电极端压力突然快速下降后急速上升，松驰后缓慢上升，我们可以解释为接近电极的炉料发生坍料，期使料面顶部暂时打开，然后炉料下落或滑入使炉气的逸出受到阻碍；这就导致压力的峰值衰减至一种比较平衡的状态，在此出现的比较有趣的现象看起来象是坍料使SiO₂、SO₂、CO₂等气体突然排出。此时电炉状况不受操作及加料的干扰。

　　试验数据的分析

　　在目前的研究中最重要之处是在突然排出SiO₂、SO₂及CO₂气体的同时伴随着产生很高的气体温度。如果我们假设设有过剩空气进入排烟系统，则其温度突变的能量相当于250－1600m³的CO量或者是近似于50－200m³的SiO的体积量，这么大量的可燃气体并不能隐藏在炉内多孔的炉料组织中，因此对这种独特状况的唯一解释是炉料中的煤的挥发和碳化不完全。当炉料内包含的挥发分进入相当热的人区域时，挥发分受热分解释放出去，虽然这种状况是不太可信的，但试验的一些结果证实了此种假设。

　　Ⅰ）假如加入炉内的炉料成堆，则炉料的受热就很慢。这可以被解释为炉料中的粉矿渗透至料堆的底部并形成了一层透气性很差的料层。因此电炉烟气热量的传导只能有一小部分用于加热新的冷炉为。

　　Ⅱ）高温烟气的突然产生看来是由于炉料的坍料造成的。

　　Ⅲ）改变加料方式后，尽管SO₂的峰值看起来是上升的，但的平均释放量是减少的。这表明分批加料导致炉料不均匀。

　　Ⅳ）坩埚压力达到高于环境压力0.1大气压。对此现象可解释为SiO在较冷的炉料上凝结并包围在炉料内在局部区域形成膜，在这种情况下炉为产的透气性可能很差。

　　炉料的透气性已经通过对炉料的流态模型得到验证。我们使用室内商业CFD方式的FLUENT　V2.98的修改版本^[4]。通过炉料的压力降比试验得到的数据低，假定原料粒度为25mm，炉料内的气体体积比例按0.1按算，坩埚压力为360Pa，此数据比试验的峰值低30%，另一方面如果体积密度为1000kg/m³，则每米炉料的静压头为1000Pa，这说明如果炉料表面下1m为不透气的情况，可以对试验的压力峰值进行解释。在这种情况下炉料的气体压力愈来愈大，直至“盖”破裂并出现坍料现象同时逸出大量可燃气体。

　　结论

　　NO_x从硅铁电炉的释放与SiO₂粉尘的生成量有很大的关系，在合理的操作下，硅回收率高时，可以保持NO_x的排放量在下限。此外NO_x的排出与排烟气体平均温度的变化无关。因此我们可以在不使NO_x排放量增加的情况下，从烟气中回收更多的热能。

　　实验数据表明，炉料内产生的坍落对电炉排烟气体的温度和组成有重要的影响，坍料的发生在时间间隔上相当有规律，并且在相当程度上不受电炉操作如推料等操作的制约。

　　炉料坍落现象的发生是由于比较高的坩埚压力及由于SiO的凝结使炉料的透气性降低造成的。突然产生大量的可燃气体的原因可能是由于炉料焦化不佳。炉料的不均匀性已在实验中得到证实，实验显示一堆（大约1m³）炉料每小时升温仅200℃。

　　硅尘中烟炭成分在推料时为最大，SiO₂产量高时烟炭所占的比例较低。

　　了解控制烟气中烟炭的形成机理和烟炭的燃烧方法还需做很多工作。