毕业设计（论文）6300KVA硅铁矿热炉除尘器设计.doc

目 录摘 要III第一章 绪 论11.1 铁合金的定义及用途11.1.1、铁合金的定义11.1.2、 铁合金的用途11.2 铁合金的历史、现状及发展21.2.1、铁合金工业生产的起源21.2.2、国外铁合金工业的生产现状21.2.3、我国铁合金工业的飞跃发展21.2.4、铁合金生产技术的发展趋势31.3 硅铁生产工艺技术51.3.1、硅及其化合物的物理化学性质51.3.2、硅铁的冶炼方法及基本原理71.4 铁合金还原电炉91.5 硅尘的回收与利用101.5.1、硅尘的物理化学性质101.5.2、硅尘的综合利用121.6 FeSi75烟气、煤气、烟尘的参数131.6.1、工业硅炉烟气的产生及变化规律131.6.2、烟气的性质14第二章 除尘器的设计与选型162.1 除尘器工作机理和性能162.1.1、除尘器的工作机理和分类162.2 除尘器的主要性能指标及选型要点252.2.1、除尘器的主要性能指标252.2.2、除尘器的选型要点282.3 设计方案论证312.3.1、拟治理方案论证312.3.2、国外矿热电炉烟气治理概况332.3.3、治理方案33第三章 设计及选型353.1 烟气量的计算353.2 混入空气量的计算373.3 换热器计算373.4 除尘器设计计算383.5 烟囱部分的计算403.7 风机的选型473.8 效率核算47第四章 经济技术分析及讨论484.1 经济技术分析484.2 讨论50附录52参考资料：52翻译53翻译原文60摘 要近年来，我国铁合金工业的生产和技术有了很大的发展，但我国铁合金企业的环保和综合利用是比较落后的。硅铁电炉绝大部分还是敞口炉，锰铁和铬铁电炉已封闭的尚属少数，厂区的上空还大量散发烟尘对大气环境和自然生态环境的污染十分严重。气箱脉冲袋式收尘器是美国富乐公司引进具有九十年代水平的高效率袋式除尘器。它集分室反吹和脉冲喷吹等诸类除尘器的优点，克服了分室反吹清灰强度不够，脉冲喷吹清灰和过滤同时进行的特点，因而扩大了袋收尘器的应用范围，提高了收尘效率，延长履带使用寿命。本文根据硅铁厂6300kV·A电炉的基本参数、当地的实际情况及相关的排放标准来设计除尘器。通过对各类除尘器原理、运行费用、烟气及粉尘的性质等各方面综合考虑，选取FPPF96-2×10气箱脉冲袋式除尘器进行设计计算，确定除尘器的类型、除尘效率、布袋的参数、灰斗以及冷凝器的工艺参数等，并计算了相应的经济成本。袋式除尘器是高效除尘的一种重要手段，它广泛应用于冶金、铸造、建材、电力等行业；由于袋式除尘器具有除尘效率高、运行稳定、抗冲击负荷大、能满足严格排放的标准等一些列优点。随着袋式除尘器及其相关技术的不断改进及完善，它将为我国的铁合金企业及工农业的环境保护取得巨大的成就。 关键词：冷凝器、烟气量、袋式除尘器、清灰方式、6300kV·A电炉AbstractRecent years, the production and technology of ferroalloy industry have been greatly developed in our country, while the environmental protection and comprehensive utilize of ferroalloy enterprises are relatively lagging. Most ferrosilicon electric furnaces are open stove. Ferromanganese and ferrochromium electric furnaces which are closed-end are little.Large quantities of plume and dust which are seriously polluted to the atmosphere environment and natural ecological environment are emitting into the sky over the factory areas.Air case pulse-jet style bag house filter was introduced from Fule Company of American, with high efficiency technology of 1990s. It incorporated the advantages of separately bag house reverse blow and reverse pulse-jet of air and so on, overcame the low intensity of separately bag house reverse blow, and simultaneous operating of reverse blow and filtrate at a time. So it improved the dust collection efficiency, prolonged the operational life span, extended the usage of bag house filter. This text designed the filter according to the elementary parameters of the 6300kV·A electric furnace ferrosilicon factory, local conditions and related emitting standards. We took the principles of each dust collector operation fee and the character of smoke and dust into consideration, then chose FPPF96-2×10 air case pulse-jet bag filter to calculate. So to decide the type, collection efficiency, parameter of cloth bag dust hopper and cooler, also computed relate economical cost.Bag filter is a main way of high efficiency dust collection. And its extensively used in metallurgy, coin, building stuff, and power industries. For the bag filter has advantages of high dust collection efficiency, running steady, impulse rate resistant and can meet the strict emitting standards. As the improvement and integrity of bag filter and related technology, it will lead great achievement to the environmental protection of ferroalloy industry and agriculture.Key words: condenser, fumes, bag house filter, 6300kV·A stove.第一章 绪 论1.1 铁合金的定义及用途1.1.1、铁合金的定义铁合金是一种或两种以上的金属或非金属与铁元素组成的，并作为钢铁和铸造业的脱氧剂、脱硫剂和合金添加剂等的合金。例如硅铁是硅与铁的合金；锰铁是锰与铁的合金；硅钙是硅与钙的合金。就生产方法与用途而言，铁合金还包括含铁极低的锰、铬、钒及工业硅等合金金属。1.1.2、 铁合金的用途铁合金是钢铁工业和机械铸造业必不可少的重要原料之一，其主要用途：一是作为脱氧剂，消除钢铁中过量的氧；二是作为合金元素添加剂，改善钢的质量与性能；三是用作铸造晶核孕育剂，改善铸铁和铸钢的性能；四是用作还原剂，硅铁可用作生产钼铁、钒铁等其他铁合金的还原剂。其他方面的用途。在有色冶金和化学工业中，铁合金也越来越被广泛地使用。随着我国钢铁工业持续、快速地发展，钢的品种、质量的不断扩大和提高，对铁合金产品提出了更高要求，铁合金工业日益成为钢铁工业的相关技术和配套工程。1.2 铁合金的历史、现状及发展1.2.1、铁合金工业生产的起源铁合金的工业生产始于19世纪中期。1860年左右，贝尔努利用钨酸同铸铁起反应制得钨铁。1875年，法国普尔赛尔成功地在高炉中制得了含硅1018的硅铁。随后陆续的制得了各种铁合金。1910年以后还原电炉冶炼各种铁合金获得了迅速发展。1.2.2、国外铁合金工业的生产现状目前，世界约有五十多个国家生产铁合金，重点铁合金公司和贸易点1000多处。钢铁工业发达的前苏联、美国、日本、法国等铁合金工业也很发达。具有丰富矿物资源和能源的南非、挪威、巴西等国近些年在电炉铁合金工业方面发展得十分迅速，其产品大量涌进国际市场。加拿大及一些发展中国家，如印度、墨西哥、津巴布韦、菲律宾、伊朗等也新建起了铁合金企业。生产铁合金的各国除了铁合金电炉设备技术发展较快外，在铁合金品种方面的发展和变化也较大，新产品开发和产品再加工、精加工等方面也都有了新的进展。1.2.3、我国铁合金工业的飞跃发展据记载，我国铁合金工业生产的情况为：1894年在汉阳铁厂28.4m3高炉中炼制出锰合金；20世纪30年代末至40年代末期，我国曾经进行过多种铁合金的试制和小批量生产，当时只有几座小电炉生产硅铁、锰铁，年产量仅百吨。随着世界还原电炉大型化、机械化和自动化的进展，80年代中期至90年代间，除建设或技术改造一批新的6300kV·A、12500 kV·A、16500 kV·A半封闭及全封闭式还原电炉车间外，还建成了具有当今世界技术和装备水平的25000 kV·A、30000 kV·A、31500 kV·A及50000 kV·A的大型现代化还原电炉车间。目前我国有重点铁合金企业18家，地方中、小型骨干企业57家以及小型企业1000余家，年设备生产能力约500万t。至今，我国铁合金工业逐步形成多个品种、多种容量（规模）、多种生产方法的大、中、小型结合的行业格局。“八五”期间，我国坚持技术引进和自主开发并重，大力优化装备结构，年产铁合金突破300万t，雄踞世界首位，迈上大型铁合金电炉技术的新台阶。我国铁合金产品已经做到自给有余，“八五”期间实现年出口铁合金100万t，还相菲律宾、伊朗、巴基斯坦等国出口成套的铁合金工程和设备技术。至今，我国不仅是铁合金生产大国，同时也是产品出口大国。1.2.4、铁合金生产技术的发展趋势近20多年来，随着铁合金工业的发展和科学技术的进步，世界铁合金工业生产在品种、冶炼技术、技术装备、节能降耗、环境保护、能量回收和资源利用等技术方面都有迅速的发展和突破。略述于下。1、精料技术精料是电炉铁合金增产节电的重要环节。近10多年来，铁合金电炉生产采用精料的水平有了明显的提高，各国都在重视并相应采取了许多行之有效的措施。A、 采用优质组合碳质还原剂采用优质组合碳质还原剂，搭配气煤焦和烟煤，代替一部分冶金焦。这是国内外的一项成熟的操作技术。近年来，我国大中型硅铁电炉已普遍地使用以冶金焦为主，适量搭配气煤焦、蓝炭、半焦及烟煤等组合型碳质还原剂冶炼75硅铁，获得了优质、高产、节能的经济效果，一般每吨硅铁产品可节约7001000kW·h。B、 改善入炉矿石的制备技术铁合金电炉正常操作，尤其是大、中型还原电炉，要求炉料具有合适的块度以确保良好的透气性。当前优质块状锰矿和铬矿供应日趋减少，为适应这一情况，国内外已应用了多种造块技术，以有效的利用粉矿和精矿，并获得较好的冶炼指标。例如：硅铁生产的原料制备，主要是选用优质组合碳质还原剂。同时越来越多地对硅石和含铁材料的化学与物理性能给予重视，其中优选高品位、热稳定性能及还原性能好的硅石，并应做到入炉前进行水洗筛选及预焙烧处理。对含铁料，除普遍应用碳素钢屑外，人们越来越关注铁精矿球团、铁鳞及铁鳞球团的使用。尤其是大型硅铁电炉为实现机械化原料输送和自动化加料操作必须优先选用。2、环境保护及综合利用铁合金企业的环境保护主要是对“三废”及噪声的治理，消除对环境的污染。工业发达的国家中铁合金生产对环境的污染问题已基本解决。其主要措施：（1） 半封闭式电炉的废气的利用和除尘工艺的实现，尤其是在硅铁和工业硅生产进行了消烟除尘、回收的硅粉在建材、化工等行业的应用：（2） 锰铁和铬铁电炉分别有90和60为全封闭式电炉，煤气被净化后用于化工生产和用于干燥，烧结和炼球；（3） 铬、钒的化学处理污水、废渣、烟尘的处理；（4） 废水的净化；（5） 软水闭路循环系统；（6） 工业废物（含废渣）的有效利用等。就总体而言，我国铁合金企业的环保和综合利用是比较落后的，硅铁电炉绝大部分还是敞口炉，锰铁和铬铁电炉已封闭的尚属少数，这样不仅炉气中的热量未能回收，还大量散发烟尘。就吉林、上海、湖南、遵义等几家铁合金已实施封闭的电炉而言，其煤气回收及利用、水处理也未彻底解决。原料、产品输送和加工过程中的粉尘，出铁、浇铸过程中的烟尘也未妥善的处理和加以回收利用。高炉锰铁虽已在减少荒煤气放散、煤气的洗涤净化与利用以及污水处理、炉渣利用等方面取得一些成果，但离有关要求差距甚大。其他铁合金产品，如铬、钒的化学处理污水、废渣、烟尘也未得到彻底根治。80年代以来，遵义、西北、湖南、宜昌、峨嵋铁合金厂先后引进了电炉烟气干式除尘技术、电炉煤气干式净化技术，经消化创新并结合技改工程得到广泛应用，尤其硅铁电炉烟气净化回收的硅尘在建筑行业的应用取得了突破性进展，变废为宝，有着显著的经济和社会效益，从此更加推动了硅铁电炉烟气治理。1.3 硅铁生产工艺技术1.3.1、硅及其化合物的物理化学性质1、硅的物理性质硅是非金属元素，呈灰色，有金属光泽，性硬且脆。硅的含量约占地壳质量的26。硅的主要性质如下：相对原子质量 28.08 密度（g/cm3） 2.33熔点/K 1683 沸点/K 2953电阻率/（·m） 21402、硅的化学性质硅在常温下很不活波，但在高温下很容易与氧、硫、卤素及许多金属化合成相应的硅化物。硅和氧作用形成SiO2，放出大量的热：SiO2SiO2 H298-878.6kJ/mol硅与碳生成碳化硅，碳化硅是一种稳定的物质。当有铁存在时，稳定性大大下降。硅中只能溶解少量的碳，如1998K时在液态硅中只溶解0.32的碳。硅与铁可以以各种比例互相溶解，生成FeSi2、FeSi、Fe5Si3、Fe2Si，其中以FeSi最稳定。3、硅化铁硅铁是硅与铁互溶形成的固溶体，硅与铁化合物中，FeSi最稳定，其余均在固相或液相时分解。含硅4047时，熔点为16331533K；含硅7280时，熔点为15631613K。硅铁的密度取决于硅铁的含硅量，它的密度随合金含硅的增加而减小。由于硅铁内各相的密度差别很大，因而硅铁的合金容易产生偏析。另外硅铁中的铝、磷、砷等杂质可生成熔点较低的化合物，在硅铁缓慢冷却过程中，低熔点的化合物凝固较晚，而且较集中地分布在最后凝固部分及晶界上。当空气中的水份渗入铁锭内的裂缝，与这些低熔点的化合物反应，生成有毒的具有臭鸡蛋味的PH3和AsH3气体，合金晶界遭到破坏，铁锭因而粉化。4、硅铁冶炼的原料冶炼硅铁的主要原料是硅石、碳质还原剂和钢屑。硅石是由石英颗粒被粘合剂粘合而成的岩石，粘合剂成分也是SiO2。硅石中SiO2应大于97；有害杂质的含量要低；要具有良好的抗爆裂性；入炉的硅石还要求有一定的粒度。冶炼硅铁大多使用冶金焦作还原剂。在碳质还原剂化学成分中，主要应考虑固定碳、灰分、挥发分和水分。一般要求固定碳要高，冶金焦的固定碳大于84；灰分小于14，灰分中含磷量小于0.04；水分小于6。碳质还原剂的电阻率要大，气孔率要高，此外碳质还原剂要具有一定的机械强度，否则破碎损失大，产品成本增加，会影响料面透气性。钢屑是硅铁成分的调节剂。冶炼硅铁采用碳素钢屑，不准使用有色金属屑、合金钢屑和生铁屑。钢屑不应夹带外来杂质，锈蚀严重和沾有油污的钢屑不能入炉。钢屑含铁量应大于95，弯曲长度不超过100mm。除钢屑外，硅铁冶炼也可以选用碳素钢的铁鳞（轧钢铁皮）和铁精矿球团等。1.3.2、硅铁的冶炼方法及基本原理1、硅铁冶炼方法硅铁是在开口式或半封闭式（即矮烟罩）的还原炉内采用连续作业法进行冶炼的。在整个冶炼过程中，电极深而稳的插入炉料中，混匀的炉料，随料面的下沉而小批量的加入炉内。炉内料面始终保持一定高度，并呈平锥体形状，炉内铁水积存到一定程度时，打开炉眼放出铁水。2、冶炼原理二氧化硅是一种难还原的氧化物，而且其还原过程比较复杂。许多人对二氧化硅的还原机理和热力学进行过大量的研究，尽管他们提出的还原机理不完全相同，但有一点是公认的：用碳质还原剂还原二氧化硅时，有中间产物碳化硅和一氧化硅的生成与分解在二氧化硅的整个过程中起着重要作用。在较低温度下，二氧化硅与碳的作用： SiO2+3C=SiC+2CO G6703543.89TT开1523K在较高温度下，二氧化硅被碳还原成一氧化硅： SiO2+C=SiO+CO G15960077.94TT开2048K而且碳化硅在高温下因二氧化硅和一氧化硅的存在而被破坏： 2SiCSiO2=3Si+2CO G9738047.64TT开2043KSiCSiO=2Si+CO G4915024.59TT开1999K碳还原二氧化硅的总反应式为：SiO2+2C=Si+2CO G16740086.40TT开1938K在有铁存在时，还原出来的硅与铁反应，Si+Fe=FeSi G-285000.64T 碳化硅被铁破坏： FeSiCFeSiC G99009.14TT开1083K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： SiO22CnFeFenSi2CO 生成硅化铁因含量不同，反应放出的热量也不同，因而不同含硅量的硅铁，其开始还原温度也不同。熔炼的硅铁含硅量越低，二氧化硅被还原的理论开始反应温度也就越低。通过计算得出，冶炼45硅铁时，T开 为1861K；冶炼75硅铁时，T开 为1917K。1.4 铁合金还原电炉铁合金还原电炉可分为交流和直流还原电炉。交流还原电炉的分类方法很多，根据还原电炉的设备特点分类，有以下几种：（1）按电极相数可分为单相单电极电炉和三相三电极电炉；（2）按烟罩或炉盖设置形式可分为高烟罩及矮烟罩敞口式电炉、矮烟罩半封闭式电炉和全封闭式电炉；（3）按炉体可分为固定式和旋转式电炉；（4）按电极数量及布置形式可分为三相六电极圆形电炉和三相六级按“一”字形式排列的矩阵电炉。铁合金直流还原电炉是将直流电应用于铁合金电炉还原冶炼上。其主要特点是使用石墨电极或自焙电极，并且炉底接电源的一极，炉底既是导电体，又是熔炼坩埚。根据直流电炉的电极数量，它可分为单电极、双电极及三电极电炉。6300kV·A硅铁交流还原电炉技术性能如下：炉型：矮烟罩半封闭式，变压器容量6300kV·A，变压器一次侧电压10或35kV，变压器二次侧电压94106122V，变压器二次侧电压级数（级差）/级（V）：8(4)，电炉常用电压110、114V电炉常用电流32678A，电炉最大电流32678A，频率50Hz，相数3，接线方式D，d0（Y，d11），调压方式：无载电动，电极直径780mm，电极电流密度6.1A/cm2，电极极心圆直径1950mm，炉膛直径4500mm,炉膛深度1900mm，炉壳直径6000mm，炉壳高度3600mm，矮烟罩或炉盖净空高度1800mm电极升降工作行程1000mm，电极升降速度0.5m/min，平均日产量1414.5t，单位产品电耗：87008900kW·h/t，年工作日330340d。1.5 硅尘的回收与利用1.5.1、硅尘的物理化学性质硅尘（也称硅粉）是在还原电炉内生产硅铁和工业硅时，产生的大量挥发性很强的SiO2和Si气体与空气迅速氧化并冷凝而生成的，每吨硅铁（FeSi75）壳产生硅尘200300kg。1、化学成分硅尘的SiO2很高，一般可达8598。硅尘的颜色随C、Fe2O3含量增高而色泽由白、灰白到灰、深灰变化。就质量而言，SiO2含量高，颜色淡白，白度4050。2、细度 硅尘的颗粒极其细微，从表1-1看出，粒度小于1m的占80以上。平均粒径为0.10.15m的是一种超微固体物质。硅尘与其他粉状物质相比，其比表面积可达200000280000cm2/g，比粉煤灰大50倍左右，比水泥约大50100倍。超微粒的制造和应用是80年代的高技术。目前已有Al2O3、氧化锆、磁性氧化铁等多种超微粒和碳化硅、氮化硅及其他金属和合金超微粉，可用于精密陶瓷、高性能粉末冶金、导电性材料、磁性材料、传感器等新材料。因此，硅尘具有的超微特性，在改善和提高材料的性能方面有着极为重要的作用。表1-1硅尘的粒径分布粒径/m中国A厂/%中国B厂/%美国某厂/%日本某厂/%>102.34.75101.44.9356.514.324.6137.20.51.07.27.011.215.50.40.510.314.220.453.70.30.466.30.20.344.846.3615.10.10.263.5<0.121.421.23、颗粒形状硅尘在冷凝时的气、液、固相变过程中受表面张力的作用，形成呈大小不一的圆球状，且表面较为光滑，有些可能是两个或多个圆球状颗粒粘凝在一起的。掺有硅尘的物料，这种微小光滑的球状体可以起到润滑作用，减小物料颗粒之间的内摩擦力，从而改善了物料的可加工性能，可以相应的降低用水量，提高材料的性能。4、密度表1-2为硅尘与水泥、矿渣、粉煤灰等的物理性能的比较。由表可见，硅尘的密度只有水泥的1/6左右。5、矿相结构冷凝形成的硅尘的过程极为迅速，所以SiO2还来不及形成晶体，其矿物属于无定形矿物。它是一种具有很大表面活性的火山灰物质，是一种优质的水泥、混凝土掺合料和低水泥浇铸料的添加剂。用X衍射分析表明，硅粉的X衍射图谱显示为典型的玻璃态特征的弥散峰。表1-2 硅尘与其他材料物理性能比较项 目硅 尘水 泥矿 渣粉 煤 灰密度/（kg/m3）20030012001400100012009001000烧失量/%2412比表面积/（m2/kg）200002005002006006、其他性能耐火度（SiO2>90%时） >1630密度 2.13.0g/cm3堆密度 200250kg/m3pH值 6.78.0电阻率（常温下） 2.4×1014·m（150时） 3.3×1012·m自然倾斜角 38°43°