1、概述
1.1 硅铁烟气污染特征
钢铁厂的大气污染源包括硅铁炉冶炼产生的烟气、出铁口产生的烟气、配料与上料过程产生的粉尘、硅铁破碎产生的粉尘、硅铁炉烟气处理系统收集的粉尘及硅微粉临时堆存过程中产生的扬尘、原料堆存过程中产生的扬尘。对于硅铁厂各废气源的治理措施工艺相对简单。
硅铁生产过程中,由于氧化还原的反应作用,除生产出硅铁产品外,同时伴生有大量烟尘即二氧化硅微粉。 二氧化硅烟尘是一种极细粉末颗粒形状的物质,具有高5102含量(90%),他是在硅铁和结晶硅生产过程中产生的。他的特点在于在高温产生的510在空气中氧化被迅速冷却之后,其内部主要含5102,他以非晶体状态存在,而且他是由具有比表面为20一25 mZ/g的细颗粒组成的。硅微粉是冶炼硅铁合金时被烟气带出炉外的细颗粒,其主要成分是5102,同时含有少量炉料的机械吹出物,主要成分是碳及铁、镁、钙的氧化物。 硅微粉呈灰白色和银白色,5102含量在85%一93%之间,具有优越的火山灰性能。
在硅铁炉气态污染无排放的总量方面，我国用于硅铁生产的电炉有800余座，总装机容量达到6.8×106KW，硅铁的年产量达到320万吨，每生产一吨75%的硅铁产生的粉尘在200Kg左右，产生的烟气为5×104Nm3，每年的硅铁生产产生的粉尘约为80万吨，烟气为4×1010Nm3。目前所有的硅铁炉都有自身的烟气净化系统，粉尘的出口浓度在4g/Nm3左右。
我国硅铁冶炼主要集中余我国内蒙和西北等人烟稀少和矿产资源相对丰富的地区，硅铁炉生产对这些地区大气环境造成的影响尤为突出。在2004年，专家对西北铁合金厂两台容量分别为5000KVA、12500VKA的75%硅铁电炉进行了现场测定，测定内容包括: 烟囱自然排放烟尘状况、车间内空气含尘浓度以及粉尘物理化学性质等。硅铁冶炼电炉对环境的污染相当严重。
1.2 国内外硅铁电炉烟气净化技术现状及发展趋势
目前我国硅铁电炉总数约为534台，其中9000－50000kVA电炉仅14台，其余均为小电炉，设备总容量为160万kVA，年设备生产能力约130万吨。“八五”期间全国硅铁年均产量90万吨，可以收集硅灰15万吨左右，但实际仅为2万吨，
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约占总量的13%。这是由于：其一，装备落后，国内硅铁电炉大多为1800－6000kVA高烟罩小功率电炉，烟气无法回收；其二，烟气滤袋除尘设备投资大，企业筹措资金困难；其三，环保意识不强。
我国拥有6300一25(X) okVA铁合金电炉约1000多台,但配置烟气净化系统设施的仅占少数。电炉在冶炼过程中,将产生大量的烟尘,每生产h硅铁将产生250 kg硅尘,全年生产各类铁合金将向大气中排放约100多万t粉尘,如不治理将严重污染环境。硅尘中510:含量在90%左右,粒度小于1协m的占90%,硅粉的比表面积大,细度只有水泥的F50一1/100,即使在常温下也显现出较大的火山灰活性,是优良的水泥掺和剂,对于提高水泥的强度和加强混凝土的致密性,十分有效。同时,硅粉在耐火材料、石油工业等方面均有广泛的用途。
硅铁电炉烟气的治理方式主要有湿式除尘、高压静电除尘和袋式除尘。湿式除尘只有采用高能耗洗涤器或文丘里除尘器才能达到净化要求，虽然设备简单、投资省，但存在动力消耗大（约为袋式除尘器的3~6倍），水处理系统复杂，收集的粉尘难以回收利用；高压静电除尘技术需要粉尘的比电阻范围为1×104~2×1010Ω·cm，而硅铁粉尘的比电阻超过此范围，需进行增湿调质处理，由于增湿过程要求控制系统精度高，有一定技术难度，且投资大；硅铁电炉烟气除尘系统采用袋式除尘在目前国内外硅铁行业已形成共识，国内硅铁生产企业烟气达标排放且运行管理较好的都选用袋式除尘器，袋式除尘器的特点是除尘效率高、运行可靠、管理简单。
国外，半封闭式矿热电炉的烟尘治理主要采用干法袋式除尘器，按是否回收能源分为热能回收型和非热能回收型两种。采用热能回收型干洁净化设施必须对炉气燃烧的过剩空气量严格控制，一般要做到使半封闭罩出口的废气温度控制在700-900℃左右，然后进人余热锅炉，余热锅炉出口废气温度小于250℃。净化设备采用吸入型袋式除尘器和压入型袋式除尘器均可。由于原料还原剂冶炼操作和生产管理等原因限制了热能回收型净化工艺流程的推广应用。所以国内外当前处理半封闭式矿热电炉废气，绝大数是采用非热能回收型干法净化设施。
1.3 设计思路
废气净化的思路就是把污染物质收集起来，输送到净化设备中将其分离出来或转化成无害物质，净化后的气体排入大气。一个完整的废气净化系统应该包括五个部分：废弃收集装置、输送管道、净化设备、风机、排气筒。相应地，废气
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净化系统的设计内容也就是对上述五个部分的设计。
废弃收集装置的设计：废弃收集装置俗称吸气罩。其设计主要包括罩子的结构形状、尺寸、安装位置等。有组织的排放源一般情况下不存在吸气罩的设计。
管道设计：主要包括管径大小、管道压力损失、及管道布置。
净化设备设计：为待处理的污染物选择设计净化装置，将污染物从气流中分离出来或转化成无害物质。
风机选择：根据整个系统的阻力降（包括吸气罩、管道、净化装置的压力损失）及要处理的废气量，选择相应的风机。
排气筒设计：主要包括排气筒的结构尺寸、高度、出口径等。 本此设计主要针对的是管道、净化设备以及风机的设计。
废气净化装置的设计分三个阶段：基础资料调查、设计技术、施工图设计。 基础资料的调查主要包括生产工艺调查、污染源调查、背景资料调查、技术经济资料调查。
技术设计要求根据调查掌握的资料，确定污染源的排放参数，确定废气净化方案，净化设备的设计计算，管道、风机的设计选型，整个净化系统的技术经济分析，设计图绘制，工程概算。
施工图设计一般包括工艺流程简图（3号）、系统平面图（1号）、系统立面图（1号）、除尘装置三视图（2号）、换热装置图、部分零部件图）
2、硅铁冶炼原理及烟尘特性分析
2.1 硅铁冶炼原理
硅铁是用带埋弧电极的电弧炉生产的。混合物炉料主要由硅石、铁屑和作为还原剂的焦炭组成。反应产物为硅铁、一氧化碳、其他各种挥发物质、水蒸气和一氧化硅气体。
硅铁合金生产工艺是采用矿热炉法，即在电炉中用碳作还原剂生产铁合金的方法。电炉冶炼铁合金是以电作为能源，通过电极和炉料之间放电产生热弧，使电能在弧光中转化为热能，热能借助辐射和电弧的直接作用产生1900~3000℃的高温，在熔融状态下，金属和矿石发生氧化还原反应，直至出铁。冶炼时从炉口加人混合好的原料，电极深而稳的插入炉料中，依靠电弧和电流通过炉料而产生的电阻热进行加热，通过出铁口定时出铁放渣，随着炉料下沉从炉料口不断加人
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新的炉料。生产是连续进行的。
SiO2是一种难还原的氧化物，而且其还原过程比较复杂。用碳质还原剂还原二氧化硅时，中间产物碳化硅和一氧化硅的生成与分解在SiO2还原的整个过程中起着重要作用。其化学反应过程如下：
（1）SiC的生成区：SiC的生成温度范围为1000-2100K，在此区域内Si也能同时生成，此区内的主要反应是SiO的分解和吸附并生成SiC。1800K以前为炉料预热和SiC的生成区，SiO从炉内高温区上升到低温区后与碳作用生成SiC，其反应式为：
SiO + 2C = SiC(s) + CO(g) 3SiO + CO = 2SiO2 + SiC
2SiO = Si + SiO2
SiO通过上层炉料按不同反应变成SiC、Si、和SiO2，并沉积于炉料中。随着炉料的下沉和温度的升高，碳还原SiO2生成SiC的热力学条件成熟：
SiO2 + 2C = SiC + 2CO
（2）SiC分解区：即Si和SiO的生成区，此区内的主要反应为：
2SiO2 + SiC = 3SiO +CO SiO2 + 2SiC = 3Si+2CO
综合上两式得：
3SiO2 +2 SiC = Si+ 4SiO + 2CO
另外，气态的SiO与SiC相互作用：
SiO +SiC = 2Si +CO
当铁存在时，还原出来的硅与铁反应：Si + Fe = FeSi
由于硅与铁生成硅化铁的反应是放热反应，因而它降低二氧化硅还原反应的理论开始反应温度。同时，铁的存在可以促进硅沉入熔池，使之离开反应区，从而改善二氧化硅的还原条件。冶炼硅铁时，二氧化硅的还原反应可以用下式表示:
SiO2 + 2C + nFe = Fe nSi+ 2CO
炉气中的CO在进入集气罩的过程中被空气中的氧气氧化成二氧化碳。 综上，硅石中的SiO2用碳还原生成硅铁，要按以下两条路线，一条是先生成中中间产物SiO，然后再被C还原生成Si，Si和铁结合成硅铁；另一条是先
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