淺談多晶硅特殊廢氣的余熱回收

楊美林

(上海明諾環(huán)境科技有限公司上海200000)

0 引言

目前，工業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染日益嚴重，污染也呈現(xiàn)多樣性，熱污染就是其中的一種。如何能有效的處理廢氣（水）中的熱污染，甚至，從節(jié)能的角度，把廢氣（水）中的熱轉(zhuǎn)化成蒸汽或過熱水，再回用至工業(yè)生產(chǎn)生活中去，選用怎樣合適的技術手段，這值得全社會認真探討，也吸引了環(huán)保相關行業(yè)人士不斷地嘗試。

下面介紹某硅材料有限責任公司年產(chǎn)1000噸多晶硅材料高新技術產(chǎn)業(yè)的廢氣廢液處理項目，經(jīng)過焚燒工段后產(chǎn)生的高溫煙氣所采用的余熱回收工藝系統(tǒng)。

1 廢氣廢液處理項目整體工藝流程

圖1 廢氣廢液處理項目整體工藝流程

廢氣的來源主要分為兩塊，一是在多晶硅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣，主要包括TCS合成工藝、冷凝工藝、蒸餾工藝、再生工藝中產(chǎn)生的廢氣；二是在多晶硅生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液，廢液由壓縮空氣霧化后與其它廢氣一起處理。處理的廢氣總量為269.6060kg/h、廢液處理總量為81.1835kg/h。廢氣、廢液投入焚燒爐進行焚燒處理，廢氣直接以氣態(tài)形式進入焚燒爐，廢液經(jīng)霧化后進入焚燒爐焚燒，焚燒爐采用天然氣作為助燃燃料。廢氣經(jīng)焚燒爐焚燒后煙氣溫度約為950℃；煙氣進入水管余熱鍋爐進行降溫處理，利用煙氣的余熱間接加熱脫鹽水，使其變成低壓蒸汽或過熱水供廠區(qū)使用。少量沉積在鍋爐內(nèi)的SiO2灰塵通過聲波清灰器清理后回收利用。煙氣經(jīng)水管余熱鍋爐將從950℃降至220℃左右，后依次進入布袋除塵器裝置、淋洗降溫裝置、增濃吸收裝置，去除SiO2塵粒、繼續(xù)對煙氣進行降溫、HCl增濃吸收、煙囪排放。

本文主要介紹余熱鍋爐工段，余熱鍋爐工段把焚燒爐排放出的950℃高溫煙氣通過水管余熱鍋爐降溫至220℃，得到0.8MPa的低壓飽和蒸汽。

2 余熱鍋爐的選用

使溫度較高的載熱體把熱量傳給另一較低的載熱體的裝置，稱為熱交換設備或換熱器。換熱器可按作用原理分類，也可按用途分類，但最普遍采用的分類法是按加熱表面的形狀和結(jié)構(gòu)來分。

本系統(tǒng)選用的是管殼式換器（余熱鍋爐），這類換熱器由一組兩端被固定在特殊管板中的管束和一個殼體組成。其中一種載熱體流經(jīng)管內(nèi)，另一種載熱體流經(jīng)管間（或過內(nèi)）。

3 余熱鍋爐進爐廢氣性質(zhì)

3.1 焚燒爐出口（即余熱鍋爐進口）煙氣條件

1）煙氣量：V=6300Nm3/h

2）煙氣溫度：950度

3）煙氣組份

續(xù)表

4)煙氣主要成份含量

續(xù)表

廢氣量為6300Nm3/h，進廢氣溫度為950℃，廢氣中除含有O2，N2，H2O，CO2外，還含有 HCl，Cl2，SiO2等特殊組份，系統(tǒng)排放廢氣溫度為220℃，回收飽和蒸汽約4t/h（0.8MPa）。

3.2 余熱鍋爐廢氣余熱回收工藝流程

圖2 余熱鍋爐廢氣余熱回收工藝流程

廢氣余熱回收工藝設備有：

（1）脫鹽水箱：承壓，廠區(qū)脫鹽水來水壓力在0.3～0.5MPa。

（2）除氧器：采用臥式熱力除氧器，除氧溫度約105℃，壓力約0.13 MPa，出力為 4t/h。

（3）汽包：壓力為 0.8 MPa，出力為 4t/h。

（4）余熱鍋爐本體：本體蒸發(fā)器分為三段，有蒸發(fā)器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，省煤器等，蒸發(fā)器可以分段維修，減少維修強度，提高運行效率。

（5）水泵：本工藝中選用的水泵為高溫高壓泵，要求質(zhì)量精良，運行可靠，水泵的無故障運行決定了整個系統(tǒng)的可靠及長期正常運轉(zhuǎn)。

3.3 煙氣系統(tǒng)

余熱鍋爐進氣端為高溫特殊煙氣。余熱鍋爐分為二側(cè)，均布有蒸發(fā)器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。根據(jù)煙氣量，可選擇運行一側(cè)或二側(cè)鍋爐。經(jīng)過蒸發(fā)器換熱后余熱鍋爐排放出220℃±20℃的中溫煙氣。

煙道采用不銹鋼材質(zhì)，并采用防腐處理，做法為：管道內(nèi)里層涂醇酸防銹底漆，外層涂高溫面漆；煙道外側(cè)作保溫；煙道內(nèi)廢氣溫度均≥200℃，高于廢氣中所含HCl的露點溫度（約150℃），以防止鹽酸腐蝕煙道。

煙氣管有水平、垂直兩種。水平管風速取3～4m/s，垂直管風速取6～10m/s。出風管除塵段宜垂直或傾斜（45～60度）布置，受條件限制，后段必須水平布置，風管內(nèi)保持足夠大的流速，并采取防止積塵的措施，風管愈短愈好。為了清掃方便，除塵風管在適當部位設置清掃口。除塵支風管從側(cè)面或上部與主風管連接，三通夾角取15～45度。

余熱鍋爐熱力計算匯總表如下：

余熱鍋爐換熱面煙風阻力計算表如下：

續(xù)表

3.4 脫鹽水系統(tǒng)

為防止鍋爐內(nèi)換熱盤管受無機鹽、溶氧腐蝕，余熱鍋爐系統(tǒng)使用脫氧脫鹽水，脫鹽水管材質(zhì)采用鍋爐鋼（20GB3087）。脫鹽水箱出來的水可用補水泵泵入除氧器，也可利用來水壓力經(jīng)超越管直接壓入除氧器。

除氧器在經(jīng)過飽和蒸汽加熱除氧后，經(jīng)給水泵打入省煤器。給水泵出口可分二條支路，分別進入鍋爐的二側(cè)。給水泵揚程為85m，屬高壓泵，運行時不備壓。泵出口設有回水管，當水泵流量大于鍋爐所需流量，部分脫鹽水回流入除氧器。

3.5 蒸汽系統(tǒng)

鍋爐初啟動時需要接收廠區(qū)蒸汽，一路管通向除氧器使脫鹽水熱力除氧，另一路通入汽包以加熱鍋爐中的脫鹽水。當鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽后，除一路給除氧器自用外，另可產(chǎn)生約3t/h蒸汽供工廠使用。

余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽量計算表如下：

續(xù)表

3.6 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

汽包與鍋爐本體之間采取強制循環(huán)，汽包與鍋爐二側(cè)各有循環(huán)泵進行循環(huán)。循環(huán)泵的入口接汽包的下降管，同時接省煤器出水，出口接蒸發(fā)器Ⅰ；蒸發(fā)器Ⅲ的汽水混合物接汽包，飽和蒸汽排出，冷凝下來的水又進入下降管，整個過程形成內(nèi)循環(huán)。

強制循環(huán)泵過流的為高溫高壓脫氧脫鹽水。脫鹽水在約0.8MPa的壓力下，溫度高達170℃。循環(huán)泵選用鍋爐專用水泵；水泵進出口尤其是出口軟接頭應選專用產(chǎn)品，內(nèi)襯鋼絲高溫橡膠接頭。

3.7 排污系統(tǒng)

鍋爐排污包括汽包連續(xù)排污及鍋爐本體定期排污，二處污水均排入排污擴容器。鍋爐排出的高溫高壓水在排污擴容器中汽水分離后，蒸汽再回收利用，水液排入水箱，水箱還接受脫鹽水箱的放空水、除氧器溢流液及循環(huán)泵的循環(huán)冷卻水，這些清潔排水通過水泵打入回用水池，循環(huán)利用。

3.8 其它系統(tǒng)

煙氣含有一定量的二氧化硅等固體顆粒，這些固體顆粒行經(jīng)鍋爐時，會有部分粘留在換熱管上，因此在鍋爐上設有機械清灰振打裝置，定期清除。清除下來的灰渣進入鍋爐下部的灰斗，集中收集。

本工段安全系統(tǒng)包括鍋爐本體上設有泄爆管：當壓力過高時，防爆膜片彈開；余熱鍋爐出煙氣總管上設置超越管，當后續(xù)工段故障時，中溫煙氣通過超越管排至安全區(qū)域。

4 自動控制

本工段采取全自動控制，在各子系統(tǒng)布設有溫度計、液位計、壓力計、流量計等控制儀表；通過PLC系統(tǒng)監(jiān)控鍋爐進、出口煙溫，汽包壓力、液位及回收蒸汽流量。

本文所述的特殊廢氣除溫度高外，還含有HCl、Cl2等腐蝕性氣體，這就對所采用的工藝管道的材質(zhì)、防腐及保溫提出較高的要求。余熱鍋爐工段屬高壓高危險，在保證系統(tǒng)運行安全的前提下，對焚燒爐排放的高溫煙氣進行換熱回收，得到低壓飽和蒸汽產(chǎn)品，這為處理類似熱污染提供了一種思路，為工程實施提供了一定的借鑒經(jīng)驗。

[1]《三廢處理工程師手冊》（廢氣卷）.北京市環(huán)境保護科學研究院等主編.北京.化學工業(yè)出版社.2000.

[2]《動力管道設計手冊》.《動力管道設計手冊》編寫組編.北京.機械工業(yè)出版社.2006.1.

[3]《給水排水設計手冊》.北京市市政工程研究總院主編第二版.北京.中國建筑工業(yè)出版社.2004.2.