武威市碳化硅冶炼尾气回收处理方法研究

丁晓燕

（甘肃省武威市工业发展研究中心，甘肃武威 733000）

总结现阶段的工业生产实践可知，碳化硅的主要应用价值体现在新能源车电池和芯片制作当中，所以为了稳定新能源车的发展，同时为了强调芯片的开发与生产，需要对碳化硅的冶炼进行分析与强调。对我国现阶段的碳化硅冶炼进行分析可知，大部分的碳化硅生产企业基本实施的是无组织排放尾气模式，这种模式导致的尾气排放会造成空气环境质量下降，进而引发更为严重的空气污染等问题，也会让碳化硅冶炼脱离绿色可持续发展方向，因此在实践中需要对碳化硅冶炼中的尾气回收和处理进行讨论。武威市在我国碳化硅冶炼方面具有代表性，对武威市碳化硅冶炼过程中的尾气回收处理方法进行分析和总结，这能够为整个行业的进步和发展提供参考。

1 碳化硅冶炼的基本概述

对我国的碳化硅冶炼进行分析可知，其主要集中的区域是青海省、甘肃省、河南省、贵州省、宁夏回族自治区和东北的部分地区。在这些冶炼区域中，甘肃省武威市的碳化硅冶炼在国内碳化硅冶炼体系中的规模比较大，年产量可达30万t，在国内产量中的占比达到了13%。对武威市碳化硅冶炼的基本情况进行分析与讨论，这于当前实践工作组织开展有突出现实价值。

1.1 碳化硅企业的生产过程

以武威市的碳化硅冶炼生产为例进行分析，在企业生产实践中，其遵循的基本生产过程如下。

1.1.1 原料破碎

使用专业的设备对原料进行破碎，需要让原料破碎到需要的标准。在碳化硅的冶炼中，使用的原料是煤。

1.1.2 配料和混料

这个环节是碳化硅冶炼过程中不可缺少的一项内容，其具体指的是按照规定配方进行称量和混匀加工处理的过程。在配料和混料的过程中，工艺标准和要求需要严格执行，这样可以保证此环节工作的质量。

1.1.3 电炉准备

电炉是冶炼过程中必须要使用的设备之一，基于冶炼的具体要求对电炉进行检查，确定其满足生产要求。

1.1.4 装炉

装炉是碳化硅生产中不可忽视的一个环节，其主要指的是在电炉当中进行材料的填装。在材料填装的过程中，需要对材料的类别、尺寸等进行强调。

1.1.5 送电

送电指的是在装炉工作结束之后的电源接通。

1.1.6 冷却

冷却指的是在冶炼工作结束之后让电炉自然冷却，并在材料冷却之后进行扒炉。在冷却的过程中还需要强调一项工作内容便是进行分级。

1.2 碳化硅冶炼过程中的尾气

对碳化硅冶炼过程中产生的尾气进行收集并对其成分进行分析发现尾气中的有害气体主要有SO2、NO2、CO、烟（粉）尘，同时还存在着少量的NH3、H2S等[2]。对这些有害气体的具体产生环节做分析可知，SO2、NO2、CO及少量NH3、H2S的产生主要发生在冶炼过程中，而粉尘的产生则是发生在原料和蟾皮破碎环节。

1.3 武威市的碳化硅冶炼现状

对现阶段武威市的碳化硅冶炼进行总结可知，该市现阶段存在碳化硅企业22家，其中天祝金强工业集中区宽沟工业园区16家，华藏寺镇3家，打柴沟镇3家。对这些企业的规模进行总结可知规模以上的企业有12家，其余为规模以下的企业。这22家企业的设计产能为114万t，已经建成的产能为40万t，存在31条生产线，在国内的碳化硅产能市场，其占比达到了50%左右[3]。

对武威市的碳化硅企业经营进行分析可知其存在着两方面的突出问题，其一是企业生产存在着非常显著的大气污染问题。相关组织对武威市，尤其是天柱县的环境状况进行测评，从结果来看，大气环境质量不乐观，而导致大气质量的一个重要原因便是碳化硅冶炼。其二是碳化硅企业的经营未办理合法用地手续。因为本文主要讨论的是碳化硅冶炼过程中尾气的回收和处理，所以此问题在这里不做过多赘述。

2 碳化硅冶炼过程中的尾气回收处理

立足于武威市的碳化硅冶炼实践进行分析可知，大量的冶炼尾气排放导致了比较严重的环境问题，所以为了控制尾气排放，解决空气污染问题，需要对碳化硅冶炼过程中的尾气排放进行处理。现阶段，针对碳化硅冶炼尾气，各国都开展了尾气处理的研究，而且取得了不错的成绩。就目前的总结来看，在碳化硅尾气回收处理的过程中，主要的方案有两个，分别是德国 ESK公司方案和GA公司方案。

对德国 ESK公司方案进行分析讨论可知在该方案的利用中，电炉的形状为山型和 U型，此种电炉的保温料层比较厚，冶炼排出的尾气温度较低，通过工程塑料包将整个碳化硅冶炼炉体给密封起来，然后利用炉底通道和抽气系统来进行尾气的收集，再对尾气进行处理后用以发电[4]。就此种方案的具体使用来看，其基本的工艺流程是尾气回收→尾气处理→尾气发电。该方案的显著特点在于能够最大效率地实效尾气的收集，并以此来保证尾气资源的有效利用。对该方案能够有效地提高碳化硅冶炼系统的性能。需要注意的是该方案存在着显著的弊端，比如该方案在利用的过程中需要充分考虑周转场地以及炉型等因素。而且该方案在具体实施的过程中，其对高强度塑料包有着较高的要求，因此在应用实践中会出现成本不断提高的现象。除此之外，这种方案在具体利用的过程中因为炉内温度较高，有着较强的可燃可爆性，因此有着较大的安全隐患。

GA公司方案在实施的过程中，整个冶炼车间是需要封闭的。在封闭空间之后在车间的屋顶进行冶炼废气的抽取，当其处理达标之后再对其进行排放或者是利用。此方案的工艺流程为厂房封闭→气体置换→尾气回收→尾气处理→尾气发电[5]。在使用该方案时需要将冶炼区域进行封闭，从而使其形成一个全密闭的空间，在开炉前和停炉后，利用氮气将密闭空间内的气体进行置换。氮气所具有的显著特性之一是存在惰性，不易燃，所以其保证了尾气回收的安全性。冶炼废气经过除尘、脱硫等手段净化处理后，再送到燃气轮机发电系统进行发电。这种方案的整体利用存在的显著优势是提升了尾气回收利用的效果，而且冶炼回收能够实现高度的自动化，其对周边环境的污染也比较小。不过在利用这种方案时，厂房建设需要执行比较高的要求，而且尾气回收技术应用相对复杂，所以投资成本较大。

3 武威市碳化硅尾气回收处理的措施与方法

结合上述的分析可知，两种方案在碳化硅冶炼尾气的回收处理实践中进行应用均可以实现尾气的收集，同时还可以实现尾气的有效利用，这对于降低冶炼尾气的不利影响，提升整体生产实效有突出的现实意义。从实践研究来看，在尾气回收处理的过程中，尾气的安全收集是必须要强调的，所以对尾气安全收集的方法和措施进行讨论有突出的现实意义。以武威市目前的碳化硅冶炼实践为例，为了保证尾气回收处理的安全，在实践中需要做好如下工作。

1）需要小功率，以此来实现炉内空气的供电置换[6]。总结目前的研究结果可知，不管是一氧化碳、甲烷还是氢气，其燃爆极限与温度存在着密切的关系。通过试验分析发现其存在直线关系，即在温度不断升高的情况下，燃气爆炸的下限值会明显变低，同时上限值会不断提升，这种情况会导致燃爆极限范围明显扩大。在冶炼碳化硅的过程中，尾气收集初期会存在炉内氧气浓度比较高的情况。在供电开始至1h这个范围内，采取小功率供电法，可以有效地降低炉内的温度，而且可燃混合气体的极限爆炸范围也可以降低。当然，仅仅做到这一点是不够的，还需要强调排气口附近的火源禁止，这样可以让炉内产生的伴生燃气和空气实现置换。

2）在实施送电之前使炉内集气空间发生惰化。在喷炉时，使用惰性气体对集气罩裂口尾气可燃物进行稀释，混合气体更容易被点燃。基于这样的结果，可以在尾气收集的过程中，向可燃气体与空气混合气体当中进行惰性气体的填充。惰性气体的接入会增加气体的冷却作用，所以炉内的温度会明显地降低。另外，惰性气体的含量增加之后，氧气与可燃气体的百分比会有明显地降低，这种情况下燃气爆炸极限的范围会被缩小，如此一来，燃气爆炸的发生率会显著降低。总的来讲，在送电工作开始之前在炉内进行惰性气体的填充，实现空气的有效置换，这能够减少爆炸的发生，这对于稳定碳化硅生产，保证碳化硅生产安全有突出的现实作用。利用惰性气体填充电炉，还能够规避喷炉事故发生时外界空气与伴生尾气混合燃烧的现象，这样一来，事故的整体影响会得到控制，碳化硅生产安全等获得了有效保障。

3）通过隐射集气空间气体的方法来降低炉内气体的压力，同时让集气空间保持微正压的状态。基于可燃气体的爆炸理论分析，可燃气体的压力越低，气体之间的分子间距越大，这种情况下的气体分子碰撞几率会减小，所以燃烧反应的发生便会更难，如此一来，爆炸极限范围也会缩小。当气体的压力下降到临界压力以下后系统便不再会发生爆炸。基于该理论，在实践中可以使用自制的射水抽气器实现集气空间内可燃混合气体的“引射”，以此来减小炉内的空气压力以及浓度，降低爆炸风险的发生率。在爆炸的过程中，氧气浓度起着决定性作用，因此在碳化硅冶炼的过程中为了控制氧气的密度，需要保证炉体的密闭，必须要对炉内的压力进行监测，要基于监测的具体结果进行气体的隐射操作，这样，爆炸控制的实际效果会更加地突出。当然，在具体操作的时候，还需要在排气口设置手动复位安全阀，以便在突然停电时能关闭排气口。

4）采用多芯炉进行冶炼，以此来杜绝碳化硅冶炼喷炉事故。在冶炼碳化硅的过程中会发生喷炉事故，该事故会对碳化硅冶炼安全以及尾气的回收处理产生不良影响，所以在实践中需要积极地研究喷炉事故的发生原因，同时要对该问题的解决策略和方法进行总结。在组织开展实验的过程中，选用耐高温集气材料可以经受住非常高的温度，但是耐高温黏结剂和耐高温涂料显然不能令人满意，有时，高温黏结剂在高温下会失去黏结性而导致集气罩破裂，高温涂料在高温下起皮，甚至脱落，故气体收集过程中一定要杜绝喷炉事故发生。基于这样的试验结果，在实验中选用了多芯炉冶炼碳化硅技术。在多芯炉冶炼碳化硅的过程中，严格控制炉芯材料、装炉工艺和供电制度，多芯炉冶炼碳化硅时，发生喷炉事故的情况明显减少，这说明利用多芯炉冶炼碳化硅技术在保障碳化硅冶炼安全，维持冶炼尾气回收处理稳定性方面有突出的现实意义。

5）采用防护网，隔离炉体与周围环境。分析武威市目前的碳化硅冶炼实践可知，无论气体收集工艺多么可靠，突发事故都有可能发生，所以为了防止突发意外事故，确保安全，必须在炉内周边一定范围内加设防护钢网，以免爆炸碎片伤及人与物。简单来讲，通过隔离网的布置将碳化硅冶炼与外部空间进行隔离，这样可以有效地降低碳化硅冶炼安全事故的不良影响。

6）对工人及实验室工作人员进行安全教育和规范操作培训。在碳化硅冶炼以及尾气回收处理实践中，人员在各个环节中的作用是不可忽视的，如果人员本身的操作水平、理论认知水平、安全意识等存在问题，那么很可能会出现因为人员失误而导致的安全事故，这对于碳化硅冶炼以及尾气回收利用是非常不利的，所以需要积极地解决人员问题，以目前的实践为例，需要对工作人员进行安全培训，同时还要基于岗位特点进行岗前培训，要让工作人员的专业性得到加强。

4 结束语

碳化硅在目前的社会生产实践中有着非常重要的利用，所以稳定碳化硅的生产具有必要性。在冶炼碳化硅的过程中，尾气的排放会造成大气污染，但尾气可以被回收利用，所以基于空气质量控制和资源充分利用考虑，对碳化硅冶炼过程中的尾气回收处理进行分析与讨论有突出的现实意义。