建设212500KVA工业硅矿热炉生产线及相关辅助生产设施可行性实施报告Word格式.docx
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1.5.1.3、目标就是要把公司发展成为煤电冶结合、
1.5.2、公司领导锐意进取,有一定的市场竞争意识和经济价值观念;
企业在长期的生产实践中培养了一批优秀的工程技术人员和管理人员,并有一支素质较高的熟练生产工人队伍,这对工程顺利建设提供了可靠的技术保证。
1.5.3、高耗能工业园区在基础建设、税收政策上为本工程的实施提供了良好的条件,也为公司的发展提供了良好的机遇。
1.6、厂址及建设条件
1.6.1、厂址位置
扩建工程地址将在一期工程紧邻,目前已做好场平。
1.6.2、建设条件
1.6.2.1、原料供应
化学硅生产的主要原料有:
硅石、石油焦、木炭、木块、木屑、低灰分烟煤等;
由于化学级工业硅产品中Al、Ca、Fe的含量限制严格,特别是Fe的含量,故对各种原料质量要求很高。
硅石:
本地**等地有丰富的优质硅石资源,可长期满足生产需要;
也可从**等地区购入。
其理化指标完全满足化学硅生产需要。
石油焦:
是冶炼化学硅的主要还原剂,主要在、、新疆、等地购买。
低灰分烟煤:
采用低灰分烟煤和当地丰富的苞谷芯取代木炭,,不足部分从省外购买。
碳素电极:
Ø
1050㎜的碳素电极国技术相当成熟,而且生产厂家较多。
木块、木屑:
可以从本地的林场、木材加工厂购木材的边角余料。
木炭由于资源短缺、价格较贵可以采用高油焦无炭生产工艺。
但是,工业硅炉的一次、二次启动和处理异常炉况时还是要准备一些库存备用。
1.6.2.2、供电条件
新建2×
12500KVA化学级工业硅矿热炉工程电能由**35KV变电站引架空线路至厂区35KV配电室,供矿热炉及厂动力用电。
1.6.2.3、供水条件
本工程新建的闭路软化冷却循环水系统能够满足生产用水、生活用水和消防用水需求。
1.6.2.4、交通运输条件
硅业有限公司位于**工业园区,规划建设面积**m2。
园区距中心**Km,距**火车站**Km,距**飞机场**Km,已经开的高速公路将贯穿园区,交通十分方便。
1.6.2.5气象条件及地震烈度
地区属于半干燥气候,干热少雨,干湿季节分明,蒸发强烈,日照充足,冬无严寒,夏无酷暑。
年平均气温**18.5~20.4℃
极端最高气温39.8℃
极端最低气温-2.2℃
年平均降雨量800㎜
年日照时数**2745h
主导风向**南风、北风
地震烈度:
1.7、工业硅的用途
工业硅又称金属硅、结晶硅,被广泛应用于冶金、化工、电子等行业,是现代工业尤其是高科技产业必不可少的原材料。
其主要作用有以下几个方面:
1.7.1、工业硅在制取铝合金方面的用量,约占总用量的50%以上。
铝合金的耐热、耐腐蚀性能好,热膨胀系数小,广泛用于汽车制造业,航空工业、电气工业和船舶制造等方面。
1.7.2、化学级工业硅还是国家鼓励发展的现代高技术多晶硅、单晶硅、有机硅的原料。
化学级金属硅经多道工序加工处理提纯为高纯工业硅—多晶硅—单晶硅,最后制成太阳能电池组件,太阳能电池片和单晶硅硅片,单晶硅片是集成电路、电子元件必避可少的材料。
日本把钢铁、铝和半导体硅统称为三大金属材料。
当今世界正进入信息时代,电子信息技术已成为经济增长的强大动力,信息化程度的高低,已成为衡量一个国家现代化水平的标志。
1.7.3、工业硅在化学工业中,用于生产有机化合物如硅油、硅橡胶、建筑物防水剂和防腐剂等。
它具有耐高温、电绝缘、耐腐蚀、防水等独特性能,被广泛用于科学研究以及电气、航空、机械、化工、医药、国防等部门。
1.7.4、工业硅在冶金工业中用于脱氧或作为合金元素,可生产硅钢片和工具钢。
硅钢是最大的一种软磁材料,在发电机、电动机和变压器制造等方面大量应用。
工具钢含鉻、硅时,能提高钢的淬透性,适用于制造要求变形小的工器具和材料。
1.7.5工业硅还用作某些金属的还原剂,用于制造新型陶瓷合金等。
目前金属硅的应用,还在不断开发新领域,制造太阳能电池组件进行光伏发电,制造氮化硅和合成光纤等。
1.8、工业硅的国外市场
目前,世界上有近20个国家生产工业硅硅,总生产能力约120~140万吨/年,我国已有工业硅生产厂家400多家,工业硅生产能力达90万吨,实际年生产量约为70万吨以上,我国已成为世界上最大的工业硅生产国家,出口的工业硅占总产量的60~70以上,截止2006年底我国的工业硅出口量在50万吨以上。
目前、工业硅生产大国美国等国家在逐步关停工业硅和炭素生产线,今年,国市场和国际市场工业硅供不应求,价格上涨(化学级工业硅15000元/吨,平均价格14500元/吨)还有国铝合金和有机硅不断扩大规模,工业硅提纯为高纯工业硅和多晶硅的迅速发展,使国对工业硅的需求量增加。
从世界围看,美国、日本、韩国和西方和欧共体国家对化学级工业硅、高纯工业硅、太阳能级的需求量在持续增长,信息产业和光伏发电将成为最可靠的新能源。
目前,工业硅的价格:
化学级工业硅的销售价格为14500~16000元/吨。
2、设计原则和设计方案
2.1、主要设计原则
根据国家有关经济建设的方针政策,结合工程的实际情况,确定了下列建设原则:
2.1.1、设计符合国家现行的技术法规和产业政策的要求;
2.1.2、各专业设计符合国家有关设计规的要求;
2.1.3、采用成熟、可靠、先进的工艺技术;
2.1.4、工程设计精打细算,力求在满足工艺要求的前提下,尽量节省投资;
2.1.5、环保贯彻“三同时”的原则,各种污染须经治理达标后排放。
2.2、主要设计容
对项目的建设容进行了详细的分析研究,并结合建设地区的特点和条件,综合论证后,确定项目的建设容为2×
12500工业硅矿热炉及其相关设施,其主要容包括:
两台工业硅矿热炉钢结构厂房、原料场地、原料机械化制备、机械化配料、、电炉设备制作、高低压供电、配电、闭路软化冷却供水、电炉冷却循环水、厂区排水、成品精整、厂区道路、绿化、环保除尘及相关的配套设施。
2.3、设计方案
2.3.1、方案的可行性论证
本可行性研究对产品方案、化学级工业硅市场、工艺技术、设备选型和总图布置都进行了研究,电炉容量及数量确定为2×
12500KVA工业硅矿热炉,产品方案以生产化学级工业硅为主。
执行GB2881-2008规定的工业硅技术条件。
(见表一)
表一、工业硅技术条件GB2881-2008
名称
牌号
化**学**成**分**%
应用围
Si,不小于
杂质,不大于
Fe
Al
Ca
S
P
C
Ti
A级硅
Si-A
99.60
0.20
0.10
0.02
0.015
0.003
0.03
0.013
化学用硅
B级硅
Si-B
99.20
0.30
0.05
0.004
C级硅
Si-C
99.00
0.40
0.1
-
D级硅
Si-D
98.70
0.50
一级硅
Si-1
----
——
—
冶金用硅
二级硅
Si-2
99.30
三级硅
注:
1.化学用硅指经化学处理后用于制取有机硅等所的工业硅,冶金用硅是指冶金方面用语配制铝硅等各种合金所用的工业硅。
2.硅含量以100%减去杂质含量总和来确定,仅作参考。
3.分析结果的判定采用修约比较法,数值修约按GB/T8170的规定进行,修约数位与表中所列极限值数位一致。
4.表中“——”是表示该杂质不受限制,但必须分析,并在质量证明书中报出结果。
5.如有特殊要求,供需双方另行协议。
2.3.2、主要工艺技术的选择
根据国的生产实践,结合业主的实际情况,设计选用成熟可靠的半封闭矮烟罩矿热炉、Φ1050mm碳素电极、全液压电极升降、抱紧电极、压放电极、全钢结构主厂房。
该方案可缩短建设周期,减少建设投资,降低设备运行成本,提高电炉功率因数和电炉生产能力。
3、半密闭式12500KVA工业硅矿热炉的设计
3.1、设计依据
本项工作采用如下设计规:
《中国节能技术政策大纲》(2005);
《冶金企业安全卫生设计暂行规定》(1988);
《建筑设计防火规》(GBJ16-87);
《工业炉窑大气污染排放标准》(GB9078-1996);
《工业炉砌筑工程施工及验收规》(GB50211-2004)。
3.2、设计容
3.2.1、电炉变压器选型
大容量矿热炉具有单炉产量大、能量供应均衡性好、便于实现机械化、便于余热综合利用、热稳定性好、便于操作等一系列优点,是业界一致认可的矿热炉发展的方向。
为了促进国工业硅行业冶炼水平的提高和设备装备的现代化,因此设计采用12500KVA容量的矿热炉变压器。
12500KVA工业硅矿热炉变压器具体技术参数如下:
型号:
HKSSPZ20-12500/35壳式强油水冷矿热炉变压器;
额定容量:
12500KVA,可长期超载30%;
**冷却方式:
OFWF;
**一次电压(KV):
35;
**二次额定电压(V):
151;
二次电压(V):
175,172,169,166,,160,157,154,151,148,145,142,,136,133共15档;
**阻抗电压(短路电压):
ex%=4-6%。
3..2.2、矿热炉电气参数的确定
在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化密切相关,控制最佳的供电制度对保证取得好的经济技术指标十分重要。
一般而言,提高矿热炉的二次电压在功率一定情况下电流就可以降下来,这有利于提高线路功率因数和减少电损失,但是过分提高矿热炉电压,电极就不能深插,炉膛料面就会过热,热损失增加,硅回收率降低,因此每台电炉都有其适宜的二次电压值。
在设计电炉时往往利用米古林斯基公式[68、83]来确定矿热炉正常工作时的二次电压:
V2=KP1/3
式中:
K为电压系数,取6.0-7.5;
P是变压器额定功率,KVA。
因此这次设计时取二次电压V2=6.5×
125001/3=150.85≈151V,
**二次电流I2=
=47795.2A。
3.2.3、矿热炉结构设计
正确设计矿热炉的结构是保障矿热炉工作性能的先决条件,是设计工作者面临的最大困难。
好的矿热炉结构设计不仅有利于炉子保障高产、优质、低能耗、少故障的生产,而且有利于节约筑炉成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。
3.3、电极直径的选取
在确定矿热炉其它结构尺寸之前,必须先确定电极直径,它决定着矿热炉其它结构尺寸的大小。
电极直径有许多计算方法,一般根据电极电流和电极电流密度确定:
**d=
=102.4cm=Φ1024mm,
式中I2为电极电流,A,△I为电极电流密度5.5-6.1A/cm2,取5.8计算。
根据国厂家生产碳素电极的标准,取电极直径为Φ1050mm。
3.4、极心圆直径计算
极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备结构参数,电极极心圆直径选得适当(图5-1),三根电极电弧作用区域部分刚好相交于炉心,各电极反应区既相互相连又重叠部分最小,在这种情况下,炉热量分配合理,坩埚熔池最大,吃料均匀,炉况稳定,炉况也易于调节。
另外的极心圆设计就不适当,热量不是过分集中(图5-2)就是热量分散(图5-3),这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。
设计中极心圆直径可按下式计算:
**Dg=ad=2.3×
Φ1050=Φ2415mm
式中a为极心圆倍数,a=2.2-2.3,这里取2.3计算。
结合矿热炉容量、可调极心圆围(±
100)、留有实际电气参数调节空间,这里取极心圆直径为Φ2500mm。
**
图5-1极心圆适当**图5-2极心圆过小**图5-3极心圆过大
3.5、炉膛径计算
在选择炉膛径时,要保证电流流过电极—炉料—炉壁时所受的阻力大于经过电极—炉料—电极或炉底时所受的阻力。
否则,炉膛径选择尺寸过大,矿热炉表面散热面积大,还原剂烧损严重,出硅口温度低,出硅困难,炉况会恶化。
炉膛径选择过小,电极—炉料—炉壁回路上通过的电流增加,反应区偏向炉壁,将使炉热量分散,炉心反应区温度低,炉壁腐蚀严重,炉况也会恶化。
炉膛径可按下面经验公式计算:
**Dn=rd=5.8×
1050=Φ6090mm
式中r为炉膛径倍数,r=5.8-6.0,这里取5.8。
炉膛径设计中取为Φ6200mm。
3.6、炉膛深度计算
在选择炉膛深度时,要保证电极端部与炉底之间有一定的距离、电极有效插入的深度和料层有一定的厚度。
炉膛深度若过深,电极与炉底距离远,电极不能深插,高温区上移,炉底温度低,炉底SiC会沉积,炉底上抬,堵塞出硅口,炉况变差。
炉膛深度若太浅,料层厚度将很薄,炉口温度升高,硅挥发损失增加,容易露弧操作,能耗增大。
合适的炉膛深度可按下面经验公式计算:
**h=βd=2.5×
1050=2625mm
式中β为炉膛深度倍数,β=2.5-2.8,这里取2.5。
炉膛深度这次设计中取为2700mm。
3.7、炉体与炉底的结构、尺寸及材料选择
一般而言,炉衬、炉底结构包含了工作层、保温层、隔热层、绝热层、钢板层5个主要层次,但是每个层次的具体尺寸却是很有技术含量的,因为这涉及到筑炉成本、炉子性能、炉子寿命等许多经济因素。
炉衬厚度过厚,引起筑炉成本上升,占地面积扩大,炉衬表面积增加,散热面积也增大;
炉衬厚度过薄,抑或炉衬强度不够,抑或无法保温。
炉底厚度亦是如此。
国外对炉衬、炉底散热强度计算表明,保持炉衬与炉底热损失为2-4%是合理的围[84],或者保持炉衬表面温度在70-120℃是允许的。
因此按照这个条件以及结合所选择材料的使用温度,根据传热学知识可确定炉衬与炉底工作层、保温层、隔热层、绝热层的厚度,钢板层的厚度根据强度需要而定。
我们在设计中,工作层都使用自焙碳砖、保温层选用新型隔热耐火粘土砖(热导率<
0.44W/m•k)、隔热层使用纳米隔热材料、绝热层使用复合硅酸铝纤维毯、钢板选用:
炉壳14mm厚的锅炉钢板、炉底钢板18mm厚的锅炉钢板,如图一。
1电极孔2烟罩上盖板3烟囱孔4冷却水道5观测孔6捣料炉门7红砖8隔热耐火砖
9纳米绝热材料10复合硅酸铝纤维毯11钢板12出硅口13高铝砖14自焙炭砖
**图一、12500KVA工业硅矿热炉结构图
3.8、出硅口位置、结构与材料选择
**出硅口是矿热炉上非常重要的一个部位,它的位置、结构形状、尺寸、材料选择都是需要仔细斟酌的。
位置布置不当,出硅口部位温度低,出硅不畅或者是操作不方便;
结构形状尺寸不当,也会导致出硅不畅或者封堵困难或者出硅时间延长;
材料选择不当,容易氧化腐蚀,维修频繁。
出硅口设计二个,每个出硅口水平位置与炉底齐平并比炉底水平线下倾斜30,角度位置它处于炉心与电极中心两点的延长线与炉壁的焦点上。
出硅口应当设计成圆形,便于烧穿与封堵,尺寸根据出硅时间要求计算并结合实际操作需要来决定大小为直径100-120mm,出炉口材料选择碳化硅刚玉砖,改变原组合式炉门碳砖。
3.9、炉门结构与材料选择
大容量炉最大的问题是炉缘距离炉心远,上料困难,特别是国强调以人工精细加料来取得好质量与低能耗产品的观点下,普遍认为在大容量炉子在国不如6300KVA炉子的性能,因此一次又一次的阻碍了投资方建造大容量炉子的热情。
我们设计了3个捣料炉门,上料操作机械化上料系统来完成,克服了大容量炉存在的最大恼人的问题。
机械化上料系统将炉料分别配送在大小炉门料位,人工加料。
捣炉功能通过窥视孔根据需要打开捣料炉门进行捣炉操作,捣炉机要求设绝缘。
捣炉炉门门槛下部与炉沿等高,门槛长1200mm,高1500mm,使用单独水冷结构。
不需要捣炉时,炉门关上,密闭冶炼。
3.10、烟罩结构、与材料选择
大容量矿热炉炉膛尺寸、跨度大,烟罩设计较困难,同时从烟罩通过的电流大,处理不好涡流损失大。
为了解决烟罩结构强度与防止涡流损失,我们采取用水冷钢管(隔磁)做骨架并起吊固定在三楼楼板(梁)底部,上下盖板采用水冷盖板。
电极中心盖板采用不锈钢材料(1cr18ni9Ti)制作,通水冷却。
烟罩高度离炉沿2400--2500mm,直径与炉壳直径等同,水冷盖板厚度90mm。
设水冷立柱、上下两道绝缘,尽量扩大出烟口,设两个出烟口,设置通水冷却集烟罩。
每台炉两根钢烟囱,烟囱直径不小于Φ1800mm,烟囱下段4000mm为水冷循环设计,每根烟囱上部直段设气动翻板阀一个,开闭烟道。
设置三个大炉门(双扇两节对开)用于捣炉、投料作业,设置三个小炉门用于投料和拨料作业,炉门按烟罩的弧线制作,炉门背面焊接锚栓,用耐火浇注料捣打。
炉壁剩余部位用耐火砖砌筑,外围再覆盖钢板,矮烟罩要求封闭好,排烟气顺畅,隔离热辐射,降低炉台的操作温度。
3.11、电极把持器系统参数及制作
电极把持器的结构由压力环(单向油缸)、导电铜瓦(每相8块)、导电铜管、水冷保护大套、下把持筒、电极密封圈、导向轮、上把持筒、摩擦环式上下抱闸、座式液压升降油缸、压放油缸组成。
压力环采用Q345R钢板隔磁制作(厚度18mm),高度450m,三层水冷设计,压力环置单相液压缸、碟簧顶紧导电铜瓦,能保证足够的压力将铜瓦与电极压紧,铜瓦采用锻造铜瓦,每相压力环构成1个循环水路,做到有效冷却,延长铜瓦的使用周期。
水冷保护大套为节约投资可以采用Q345R钢板隔磁制作,钢板厚度外部10mm部8mm,大套厚度80mm,安装在压力环上部,分为两个半圆制作,安装时组合,便于铜瓦事故抢修的拆装。
锻造导电铜瓦材料T2号,厚度80mm,导电铜管(Φ60×
10)与铜瓦连接采用锥形压接方式,压接的接触导流面积大,便于铜瓦的拆装,不渗漏水。
压接选择不锈钢压板和螺栓。
下把持筒采用Q345R钢板厚度12mm隔磁制作,法兰厚度18mm采用不锈钢制作,上把持筒采用钢板制作。
电极密封圈12mmQ235A钢板隔磁分为两体制作,通水冷却,底部与水冷盖板绝缘处理可靠,上部设4个导向轮顶紧保护大套,密封圈连接不锈钢螺丝,设调节极心圆长孔。
密封采用定做的轻质保温耐火砖,电极的密封在水冷保护大套上部采用硅酸铝纤维毡。
座式升降液压缸(每相2个)固定在三楼钢制的调整框架平台上,向上提升、下降电极把持筒,工作行程1200mm,最大行程1600mm油缸直径200mm;
设计上下2个摩擦环式抱闸,抱闸置6个单相液压油缸、碟簧,一对一顶紧方式,摩擦片采用耐热硫化橡胶板(厚度15mm)德国进口的钢与橡胶的胶水粘接牢固,压放电极采用液压升降油缸。
技术指标参数:
设计完成以后有关该炉的技术参数与性能如下:
电极直径:
Φ1050mm;
极心圆直径:
Φ2500mm;
炉膛直径:
Φ6200mm;
炉膛深度:
2700mm;
炉壳直径:
Φ8000mm;
炉壳高度:
4618mm;
烟罩高度:
2500mm;
理论日产量:
25吨;
理论电单耗量:
12800KVAh/吨(不含动力电消耗);
3.12、电炉短网、烧穿短网
电炉短网由温度补偿器、水冷电缆、短网铜管、导电铜管等组成。
铜管规格Φ60×
10,温度补偿器规格2000mm2长度800mm;
水冷电缆规格2000mm2长度2600mm;
吊挂绝缘夹板采用不锈钢制作,螺栓为不锈钢、绝缘采用“3240”。
烧穿短网由铜排、吊挂夹板、大电流开关、软铜绞线电缆组成。
烧穿短网自电炉短网的其中一相接出。
3.13、钢平台、接电极平台
3.13.1、钢平台是固定液压升降油缸,调节电极极心圆的钢结构框架,采用400槽钢和工字钢制作。
3.13.2、接电极平台是接长电极和压放电极的操作平台,材料选择300槽钢、工字钢、花纹钢板等制作。
3.13.4、电炉使用碳素电极Φ1050mm,吊装电极选择LDA型单梁电动葫芦吊车,接长电极的附属装置有铝合金电极接头、液压电极卡具等。
3.14、其他附属设备
其他附属设备如下:
(1)液压工作站2个;
(2)QDY16/5t桥式双梁双制动吊车2台;
(3)LD-A型10t单梁电动葫芦吊车2台;
(4)LD-A型5t单梁电动葫芦吊车2台;
(5)空气压缩机站;
(含空气储罐)2台1开1备;
(6)液态氧气储罐;
1套;
(7)全液压增速捣炉机;
6台;
(8)底部吹氧精炼硅水抬包10个;
(9)分体组合式硅水地模(3000×
2000六套);
(10)出炉口引风机2台;
(11)水冷烧穿器4套;
(12)电动硅水抬包车4台;
(13)备用抬包车4台;
(14)硅块运输平台车;
(15)硅块半自动夹具1个;
(16)电极临时卡具6个;
(17)水洗硅石电动滚筒筛1台;
(18)皮带输送机4台;
(19)锤式破碎机1台;
(20)电动直线振动筛3台;
(21)电磁铁3套;
(22)移动轮式水洗木炭槽1个;
(23)圆盘锯、手提电锯各1台;
(24)门形吊钩1个;
(25)2吨地上衡2台(不采用机械化配料原料检斤用)
(26)自动电子吊钩秤2台);
(27)30型装载机1台;
(28)叉车1台;
3.15、高低压电气设备
(1)12500KVA电炉变压器2台;
(2)3500KVA电力变压器1台;
(3)35KV高压进线柜2台;
(4)35KV电炉变压器柜2台;
(5)35KVPT柜2台;
(6)直流电源屏2台;
(7)配电操作台2
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