丁曉燕

（甘肅省武威市工業(yè)發(fā)展研究中心，甘肅武威 733000）

總結(jié)現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐可知，碳化硅的主要應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在新能源車電池和芯片制作當(dāng)中，所以為了穩(wěn)定新能源車的發(fā)展，同時(shí)為了強(qiáng)調(diào)芯片的開發(fā)與生產(chǎn)，需要對(duì)碳化硅的冶煉進(jìn)行分析與強(qiáng)調(diào)。對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段的碳化硅冶煉進(jìn)行分析可知，大部分的碳化硅生產(chǎn)企業(yè)基本實(shí)施的是無(wú)組織排放尾氣模式，這種模式導(dǎo)致的尾氣排放會(huì)造成空氣環(huán)境質(zhì)量下降，進(jìn)而引發(fā)更為嚴(yán)重的空氣污染等問(wèn)題，也會(huì)讓碳化硅冶煉脫離綠色可持續(xù)發(fā)展方向，因此在實(shí)踐中需要對(duì)碳化硅冶煉中的尾氣回收和處理進(jìn)行討論。武威市在我國(guó)碳化硅冶煉方面具有代表性，對(duì)武威市碳化硅冶煉過(guò)程中的尾氣回收處理方法進(jìn)行分析和總結(jié)，這能夠?yàn)檎麄€(gè)行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展提供參考。

1 碳化硅冶煉的基本概述

對(duì)我國(guó)的碳化硅冶煉進(jìn)行分析可知，其主要集中的區(qū)域是青海省、甘肅省、河南省、貴州省、寧夏回族自治區(qū)和東北的部分地區(qū)。在這些冶煉區(qū)域中，甘肅省武威市的碳化硅冶煉在國(guó)內(nèi)碳化硅冶煉體系中的規(guī)模比較大，年產(chǎn)量可達(dá)30萬(wàn)t，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)量中的占比達(dá)到了13%。對(duì)武威市碳化硅冶煉的基本情況進(jìn)行分析與討論，這于當(dāng)前實(shí)踐工作組織開展有突出現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1.1 碳化硅企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程

以武威市的碳化硅冶煉生產(chǎn)為例進(jìn)行分析，在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，其遵循的基本生產(chǎn)過(guò)程如下。

1.1.1 原料破碎

使用專業(yè)的設(shè)備對(duì)原料進(jìn)行破碎，需要讓原料破碎到需要的標(biāo)準(zhǔn)。在碳化硅的冶煉中，使用的原料是煤。

1.1.2 配料和混料

這個(gè)環(huán)節(jié)是碳化硅冶煉過(guò)程中不可缺少的一項(xiàng)內(nèi)容，其具體指的是按照規(guī)定配方進(jìn)行稱量和混勻加工處理的過(guò)程。在配料和混料的過(guò)程中，工藝標(biāo)準(zhǔn)和要求需要嚴(yán)格執(zhí)行，這樣可以保證此環(huán)節(jié)工作的質(zhì)量。

1.1.3 電爐準(zhǔn)備

電爐是冶煉過(guò)程中必須要使用的設(shè)備之一，基于冶煉的具體要求對(duì)電爐進(jìn)行檢查，確定其滿足生產(chǎn)要求。

1.1.4 裝爐

裝爐是碳化硅生產(chǎn)中不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要指的是在電爐當(dāng)中進(jìn)行材料的填裝。在材料填裝的過(guò)程中，需要對(duì)材料的類別、尺寸等進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。

1.1.5 送電

送電指的是在裝爐工作結(jié)束之后的電源接通。

1.1.6 冷卻

冷卻指的是在冶煉工作結(jié)束之后讓電爐自然冷卻，并在材料冷卻之后進(jìn)行扒爐。在冷卻的過(guò)程中還需要強(qiáng)調(diào)一項(xiàng)工作內(nèi)容便是進(jìn)行分級(jí)。

1.2 碳化硅冶煉過(guò)程中的尾氣

對(duì)碳化硅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行收集并對(duì)其成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)尾氣中的有害氣體主要有SO2、NO2、CO、煙（粉）塵，同時(shí)還存在著少量的NH3、H2S等[2]。對(duì)這些有害氣體的具體產(chǎn)生環(huán)節(jié)做分析可知，SO2、NO2、CO及少量NH3、H2S的產(chǎn)生主要發(fā)生在冶煉過(guò)程中，而粉塵的產(chǎn)生則是發(fā)生在原料和蟾皮破碎環(huán)節(jié)。

1.3 武威市的碳化硅冶煉現(xiàn)狀

對(duì)現(xiàn)階段武威市的碳化硅冶煉進(jìn)行總結(jié)可知，該市現(xiàn)階段存在碳化硅企業(yè)22家，其中天祝金強(qiáng)工業(yè)集中區(qū)寬溝工業(yè)園區(qū)16家，華藏寺鎮(zhèn)3家，打柴溝鎮(zhèn)3家。對(duì)這些企業(yè)的規(guī)模進(jìn)行總結(jié)可知規(guī)模以上的企業(yè)有12家，其余為規(guī)模以下的企業(yè)。這22家企業(yè)的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為114萬(wàn)t，已經(jīng)建成的產(chǎn)能為40萬(wàn)t，存在31條生產(chǎn)線，在國(guó)內(nèi)的碳化硅產(chǎn)能市場(chǎng)，其占比達(dá)到了50%左右[3]。

對(duì)武威市的碳化硅企業(yè)經(jīng)營(yíng)進(jìn)行分析可知其存在著兩方面的突出問(wèn)題，其一是企業(yè)生產(chǎn)存在著非常顯著的大氣污染問(wèn)題。相關(guān)組織對(duì)武威市，尤其是天柱縣的環(huán)境狀況進(jìn)行測(cè)評(píng)，從結(jié)果來(lái)看，大氣環(huán)境質(zhì)量不樂(lè)觀，而導(dǎo)致大氣質(zhì)量的一個(gè)重要原因便是碳化硅冶煉。其二是碳化硅企業(yè)的經(jīng)營(yíng)未辦理合法用地手續(xù)。因?yàn)楸疚闹饕懻摰氖翘蓟枰睙掃^(guò)程中尾氣的回收和處理，所以此問(wèn)題在這里不做過(guò)多贅述。

2 碳化硅冶煉過(guò)程中的尾氣回收處理

立足于武威市的碳化硅冶煉實(shí)踐進(jìn)行分析可知，大量的冶煉尾氣排放導(dǎo)致了比較嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，所以為了控制尾氣排放，解決空氣污染問(wèn)題，需要對(duì)碳化硅冶煉過(guò)程中的尾氣排放進(jìn)行處理。現(xiàn)階段，針對(duì)碳化硅冶煉尾氣，各國(guó)都開展了尾氣處理的研究，而且取得了不錯(cuò)的成績(jī)。就目前的總結(jié)來(lái)看，在碳化硅尾氣回收處理的過(guò)程中，主要的方案有兩個(gè)，分別是德國(guó) ESK公司方案和GA公司方案。

對(duì)德國(guó) ESK公司方案進(jìn)行分析討論可知在該方案的利用中，電爐的形狀為山型和 U型，此種電爐的保溫料層比較厚，冶煉排出的尾氣溫度較低，通過(guò)工程塑料包將整個(gè)碳化硅冶煉爐體給密封起來(lái)，然后利用爐底通道和抽氣系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行尾氣的收集，再對(duì)尾氣進(jìn)行處理后用以發(fā)電[4]。就此種方案的具體使用來(lái)看，其基本的工藝流程是尾氣回收→尾氣處理→尾氣發(fā)電。該方案的顯著特點(diǎn)在于能夠最大效率地實(shí)效尾氣的收集，并以此來(lái)保證尾氣資源的有效利用。對(duì)該方案能夠有效地提高碳化硅冶煉系統(tǒng)的性能。需要注意的是該方案存在著顯著的弊端，比如該方案在利用的過(guò)程中需要充分考慮周轉(zhuǎn)場(chǎng)地以及爐型等因素。而且該方案在具體實(shí)施的過(guò)程中，其對(duì)高強(qiáng)度塑料包有著較高的要求，因此在應(yīng)用實(shí)踐中會(huì)出現(xiàn)成本不斷提高的現(xiàn)象。除此之外，這種方案在具體利用的過(guò)程中因?yàn)闋t內(nèi)溫度較高，有著較強(qiáng)的可燃可爆性，因此有著較大的安全隱患。

GA公司方案在實(shí)施的過(guò)程中，整個(gè)冶煉車間是需要封閉的。在封閉空間之后在車間的屋頂進(jìn)行冶煉廢氣的抽取，當(dāng)其處理達(dá)標(biāo)之后再對(duì)其進(jìn)行排放或者是利用。此方案的工藝流程為廠房封閉→氣體置換→尾氣回收→尾氣處理→尾氣發(fā)電[5]。在使用該方案時(shí)需要將冶煉區(qū)域進(jìn)行封閉，從而使其形成一個(gè)全密閉的空間，在開爐前和停爐后，利用氮?dú)鈱⒚荛]空間內(nèi)的氣體進(jìn)行置換。氮?dú)馑哂械娘@著特性之一是存在惰性，不易燃，所以其保證了尾氣回收的安全性。冶煉廢氣經(jīng)過(guò)除塵、脫硫等手段凈化處理后，再送到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。這種方案的整體利用存在的顯著優(yōu)勢(shì)是提升了尾氣回收利用的效果，而且冶煉回收能夠?qū)崿F(xiàn)高度的自動(dòng)化，其對(duì)周邊環(huán)境的污染也比較小。不過(guò)在利用這種方案時(shí)，廠房建設(shè)需要執(zhí)行比較高的要求，而且尾氣回收技術(shù)應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜，所以投資成本較大。

3 武威市碳化硅尾氣回收處理的措施與方法

結(jié)合上述的分析可知，兩種方案在碳化硅冶煉尾氣的回收處理實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用均可以實(shí)現(xiàn)尾氣的收集，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)尾氣的有效利用，這對(duì)于降低冶煉尾氣的不利影響，提升整體生產(chǎn)實(shí)效有突出的現(xiàn)實(shí)意義。從實(shí)踐研究來(lái)看，在尾氣回收處理的過(guò)程中，尾氣的安全收集是必須要強(qiáng)調(diào)的，所以對(duì)尾氣安全收集的方法和措施進(jìn)行討論有突出的現(xiàn)實(shí)意義。以武威市目前的碳化硅冶煉實(shí)踐為例，為了保證尾氣回收處理的安全，在實(shí)踐中需要做好如下工作。

1）需要小功率，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)空氣的供電置換[6]?？偨Y(jié)目前的研究結(jié)果可知，不管是一氧化碳、甲烷還是氫氣，其燃爆極限與溫度存在著密切的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)其存在直線關(guān)系，即在溫度不斷升高的情況下，燃?xì)獗ǖ南孪拗禃?huì)明顯變低，同時(shí)上限值會(huì)不斷提升，這種情況會(huì)導(dǎo)致燃爆極限范圍明顯擴(kuò)大。在冶煉碳化硅的過(guò)程中，尾氣收集初期會(huì)存在爐內(nèi)氧氣濃度比較高的情況。在供電開始至1h這個(gè)范圍內(nèi)，采取小功率供電法，可以有效地降低爐內(nèi)的溫度，而且可燃混合氣體的極限爆炸范圍也可以降低。當(dāng)然，僅僅做到這一點(diǎn)是不夠的，還需要強(qiáng)調(diào)排氣口附近的火源禁止，這樣可以讓爐內(nèi)產(chǎn)生的伴生燃?xì)夂涂諝鈱?shí)現(xiàn)置換。

2）在實(shí)施送電之前使?fàn)t內(nèi)集氣空間發(fā)生惰化。在噴爐時(shí)，使用惰性氣體對(duì)集氣罩裂口尾氣可燃物進(jìn)行稀釋，混合氣體更容易被點(diǎn)燃?；谶@樣的結(jié)果，可以在尾氣收集的過(guò)程中，向可燃?xì)怏w與空氣混合氣體當(dāng)中進(jìn)行惰性氣體的填充。惰性氣體的接入會(huì)增加氣體的冷卻作用，所以爐內(nèi)的溫度會(huì)明顯地降低。另外，惰性氣體的含量增加之后，氧氣與可燃?xì)怏w的百分比會(huì)有明顯地降低，這種情況下燃?xì)獗O限的范圍會(huì)被縮小，如此一來(lái)，燃?xì)獗ǖ陌l(fā)生率會(huì)顯著降低?？偟膩?lái)講，在送電工作開始之前在爐內(nèi)進(jìn)行惰性氣體的填充，實(shí)現(xiàn)空氣的有效置換，這能夠減少爆炸的發(fā)生，這對(duì)于穩(wěn)定碳化硅生產(chǎn)，保證碳化硅生產(chǎn)安全有突出的現(xiàn)實(shí)作用。利用惰性氣體填充電爐，還能夠規(guī)避噴爐事故發(fā)生時(shí)外界空氣與伴生尾氣混合燃燒的現(xiàn)象，這樣一來(lái)，事故的整體影響會(huì)得到控制，碳化硅生產(chǎn)安全等獲得了有效保障。

3）通過(guò)隱射集氣空間氣體的方法來(lái)降低爐內(nèi)氣體的壓力，同時(shí)讓集氣空間保持微正壓的狀態(tài)?；诳扇?xì)怏w的爆炸理論分析，可燃?xì)怏w的壓力越低，氣體之間的分子間距越大，這種情況下的氣體分子碰撞幾率會(huì)減小，所以燃燒反應(yīng)的發(fā)生便會(huì)更難，如此一來(lái)，爆炸極限范圍也會(huì)縮小。當(dāng)氣體的壓力下降到臨界壓力以下后系統(tǒng)便不再會(huì)發(fā)生爆炸。基于該理論，在實(shí)踐中可以使用自制的射水抽氣器實(shí)現(xiàn)集氣空間內(nèi)可燃混合氣體的“引射”，以此來(lái)減小爐內(nèi)的空氣壓力以及濃度，降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率。在爆炸的過(guò)程中，氧氣濃度起著決定性作用，因此在碳化硅冶煉的過(guò)程中為了控制氧氣的密度，需要保證爐體的密閉，必須要對(duì)爐內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，要基于監(jiān)測(cè)的具體結(jié)果進(jìn)行氣體的隱射操作，這樣，爆炸控制的實(shí)際效果會(huì)更加地突出。當(dāng)然，在具體操作的時(shí)候，還需要在排氣口設(shè)置手動(dòng)復(fù)位安全閥，以便在突然停電時(shí)能關(guān)閉排氣口。

4）采用多芯爐進(jìn)行冶煉，以此來(lái)杜絕碳化硅冶煉噴爐事故。在冶煉碳化硅的過(guò)程中會(huì)發(fā)生噴爐事故，該事故會(huì)對(duì)碳化硅冶煉安全以及尾氣的回收處理產(chǎn)生不良影響，所以在實(shí)踐中需要積極地研究噴爐事故的發(fā)生原因，同時(shí)要對(duì)該問(wèn)題的解決策略和方法進(jìn)行總結(jié)。在組織開展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，選用耐高溫集氣材料可以經(jīng)受住非常高的溫度，但是耐高溫黏結(jié)劑和耐高溫涂料顯然不能令人滿意，有時(shí)，高溫黏結(jié)劑在高溫下會(huì)失去黏結(jié)性而導(dǎo)致集氣罩破裂，高溫涂料在高溫下起皮，甚至脫落，故氣體收集過(guò)程中一定要杜絕噴爐事故發(fā)生?；谶@樣的試驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)中選用了多芯爐冶煉碳化硅技術(shù)。在多芯爐冶煉碳化硅的過(guò)程中，嚴(yán)格控制爐芯材料、裝爐工藝和供電制度，多芯爐冶煉碳化硅時(shí)，發(fā)生噴爐事故的情況明顯減少，這說(shuō)明利用多芯爐冶煉碳化硅技術(shù)在保障碳化硅冶煉安全，維持冶煉尾氣回收處理穩(wěn)定性方面有突出的現(xiàn)實(shí)意義。

5）采用防護(hù)網(wǎng)，隔離爐體與周圍環(huán)境。分析武威市目前的碳化硅冶煉實(shí)踐可知，無(wú)論氣體收集工藝多么可靠，突發(fā)事故都有可能發(fā)生，所以為了防止突發(fā)意外事故，確保安全，必須在爐內(nèi)周邊一定范圍內(nèi)加設(shè)防護(hù)鋼網(wǎng)，以免爆炸碎片傷及人與物。簡(jiǎn)單來(lái)講，通過(guò)隔離網(wǎng)的布置將碳化硅冶煉與外部空間進(jìn)行隔離，這樣可以有效地降低碳化硅冶煉安全事故的不良影響。

6）對(duì)工人及實(shí)驗(yàn)室工作人員進(jìn)行安全教育和規(guī)范操作培訓(xùn)。在碳化硅冶煉以及尾氣回收處理實(shí)踐中，人員在各個(gè)環(huán)節(jié)中的作用是不可忽視的，如果人員本身的操作水平、理論認(rèn)知水平、安全意識(shí)等存在問(wèn)題，那么很可能會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槿藛T失誤而導(dǎo)致的安全事故，這對(duì)于碳化硅冶煉以及尾氣回收利用是非常不利的，所以需要積極地解決人員問(wèn)題，以目前的實(shí)踐為例，需要對(duì)工作人員進(jìn)行安全培訓(xùn)，同時(shí)還要基于崗位特點(diǎn)進(jìn)行崗前培訓(xùn)，要讓工作人員的專業(yè)性得到加強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

碳化硅在目前的社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中有著非常重要的利用，所以穩(wěn)定碳化硅的生產(chǎn)具有必要性。在冶煉碳化硅的過(guò)程中，尾氣的排放會(huì)造成大氣污染，但尾氣可以被回收利用，所以基于空氣質(zhì)量控制和資源充分利用考慮，對(duì)碳化硅冶煉過(guò)程中的尾氣回收處理進(jìn)行分析與討論有突出的現(xiàn)實(shí)意義。