电熔氧化锆生产过程节能降耗探析

电熔氧化锆及锆复合材料具有十分优异的物理和化学性能，可满足陶瓷、耐火材料、核电、钢铁、航天等行业对氧化锆的各种工艺要求，在工业和各技术领域中被广泛应用。

电熔氧化锆是继化学法生产氧化锆之后的又一新兴工艺。我国自1991年开始生产、填补国内空白以来，发展至今已有32家企业近60条生产线生产，产能达70000吨。与化学法相比，电熔法生产氧化锆的优点是生产流程简易、污染小、成本低，但缺点是高耗能。因此，如何广泛应用节能的先进技术、做好节能降耗工作?如何把科学用能和节约用能放在工作首位?如何加快产业的科技创新和技术进步?这些问题必将是各生产企业认真考虑的工作重点。

电弧炉的节能分析

电熔法生产氧化锆的核心设备是电弧炉，目前，国内均采用交流三相电弧炉生产。由于各企业装备及工艺技术差别，其能耗差异很大，正常熔化原料阶段电流不小于5000安，精炼阶段炉内温度控制在2500℃~3000℃，吨产品单耗用电4000千瓦时~5500千瓦时。电熔氧化锆的能源消耗主要体现在电弧炉的用电消耗，占生产工艺过程总消耗能源的90%~95%，因此，电弧炉的节能是电熔氧化锆生产节能的关键。电弧炉节能效果又涉及诸多因素，如配合料的制备及均匀性、熔化功率设定、加料方式及工艺要求、熔化时间的控制、收尘系统方式的确定和风量大小的调控以及工艺操作水平差异等。而且在电熔氧化锆生产过程中，电弧炉所用电能产生的热量只有一部分被物料吸收，大部分热量随烟气排出，或被电炉冷却水带走，其热效率仅为35%~40%，这足以说明其节能潜力很大。所以，要做好电弧炉节能降耗，就要从多方面有针对性地做好工作。

电熔氧化锆生产过程的节能降耗

电弧炉熔化过程实现稳定工艺控制是节能降耗的基本保证。目前，国内生产电熔氧化锆企业的装备不尽相同(如电弧炉的规格、变压器额定容量的差别等)，但工艺流程大致类似。由于电熔锆生产是还原反应过程，还原工艺特点是“低压高流”，熔化过程各个阶段设置的功率制度是否合理、熔化过程加料量及方式是否得当等，都会直接影响熔化时间，熔化时间长，耗能就高。笔者认为，电熔氧化锆生产过程，实现稳定的工艺控制尤为重要。一是合理确定熔化原料过程各阶段的不同功率制度及电压与电流的最佳匹配值，使电能热效率得以充分利用，保持炉温稳定;二是避免一次性加料过多。若混合料集中投入炉内，由于透气性不好，加之炉温很高，以及电弧更高温度的作用，水蒸气和还原剂所产生的大量烟气会促使炉内局部压力瞬间增大，极易产生喷炉现象，就必然会增大热能损耗。所以，根据炉内还原反应的特点，应采用少加、勤加的均衡加料方式，以有利于熔化分解稳定。

封闭炉盖应用是节能降耗的必备条件。随着国家对节能减排的要求，各生产电熔锆企业积极落实，目前，电弧炉的敞口生产方式已有明显改观，加之除尘器的作用，节能减排均收到可喜效果。应该说封闭炉盖的应用是节能减排的必备条件，一方面可以使炉内熔化还原分解过程基本处于正压;另一方面可以使高温烟气和气态SiO不断逸出，由于有封闭炉盖，在正常除尘系统的作用下，使排烟有序进行。与敞口炉相比，在很大程度上减少空气对流，会有效减少热损。另外也应注意，不能忽略炉嘴的密封。电弧炉熔化过程中，炉嘴处漏风也必然要增加热损。总之，电弧炉的密封程度决定炉温是否稳定，与节能效果有直接关系。

选用复合还原剂更宜于脱硅，对节能降耗有促进作用。制备ZrO2 的主要原料为锆英砂(ZrSiO4)，一般含锆在65%~66%。由于锆英砂是ZrO2和SiO2的化合物，制取ZrO2首先应将ZrO2和SiO2分离，锆英砂的分解温度为1540°C~2000°C，熔点为2190°C～2420°C，所以采用电熔法利用电弧炉的高温这一必备条件将ZrSiO4分解，分离出SiO2，制得电熔氧化锆。此外，电熔法生产电熔氧化锆，还应注重还原剂的使用。应根据实际工艺过程中功率设置，炉温高低，兼顾各方面因素，摸索总结一套科学合理的复合还原剂组分及不同还原剂的颗粒级配，则有利于锆英砂在炉内全过程稳定脱硅。这样不但还原剂用量少，脱硅效果好，而且能缩短熔化时间，对节能降耗有明显促进作用。

改进电弧炉炉体结构，对降低能耗会有明显作用。国内生产电熔氧化锆企业，其电弧炉壳内基本是两种结构方式：一种是自料炉衬，外设水冷喷淋方式;一种是炉内砌筑石墨块，作为电弧炉内衬的方式。这两种方式各有利弊。自料炉衬维护简单且费用低，不用定期修炉，可保持连续运行。而以石墨块砌筑内衬的方式需定期检修，若绝缘不好，更需频繁维护。但就节能降耗而言，以石墨砌块做为炉的内衬优于自料炉衬的电弧炉。其主要原因是没有水冷喷淋直接带走热量的作用，相对热损少。若从节能角度来看，这两种方式都有节能潜力可挖。

电弧炉能耗与收尘系统的有效控制。硅微粉作为电熔氧化锆的副产品回收利用，既能降低成本，增加企业效益，又能实现锆英砂资源的综合利用，同时又能减少排放。生产过程中，每吨电熔氧化锆产品会产生450千克~500千克的硅微粉，平均粒径为0.15微米~0.85微米，矿物结构为非晶体形状颗粒。电熔氧化锆生产企业均设有硅微粉和烟气的收尘装备系统。那么收尘系统的控制与电炉耗能有怎样的关系呢?实际情况是：当锆英砂与适量还原剂经混合后投入电弧炉内，首先分解成ZrO2和SiO2，SiO2与碳反应生成气态SiO，并随高温烟气不断急剧上浮，在进入收尘系统前，气态SiO遇空气氧化成SiO2，经收尘系统予以回收。

这就需要考虑：一是收尘抽力不能过大，过大会降低炉内温度，影响正常熔化状态，热损高。只有注重收尘系统合理稳定运行的有效性，调控收尘系统风压和风量与电弧炉内温度稳定控制相对应，才能达到有效节能和有效除尘的双重目的;二是收尘效果与吸风口的位置关系，即吸风口的设置在炉的上部相对合理，这样便于将不断急剧上浮的烟气顺畅排出。避免在炉盖侧面设置风口，因为在侧面设置吸风口，势必要相对增大抽力，甚至引起冷风进入炉内，加剧对流，降低炉内温度。当炉内最佳反应温度和最佳还原剂碳比确定后，如何使ZrSiO4的分解转化完全，获得高的ZrSiO4分解率，取决于最佳分解反应温度的恒温时间长短，时间长则有利。所以，电弧炉能耗与烟气收尘系统的有效控制的平衡关系是密切相关的;三是收尘系统布袋过滤面积要符合要求，并定期清理布袋附着的细粉，减小单位面积的阻力。在布袋的选择上，应具备耐高温性能，从而不但可延长布袋使用寿命，提高收尘效果，也对实现有效控制，避免炉温大的波动。

“一步法”生产对节能降耗有着重要意义。电熔氧化锆产品主要包括电熔脱硅单斜氧化锆和稳定氧化锆两大类。目前国内已形成品位达99.8%的高纯级系列电熔氧化锆、锆复合产品及高端氧化锆产品的综合生产能力。

保温炉盖应用是节能降耗的必然趋势。电熔氧化锆生产采用封闭炉盖可有效减少热损，这已是事实，若实现保温炉盖应用，无疑节能意义会更大，其热效率可以提高20%甚至更高。但要实现保温炉盖应用，的确是一大课题：一是生产电熔氧化锆的电弧炉炉温高达2500℃以上，选用适用的保温材料就困难，即便有适用的保温材料，其价格也会很昂贵;二是炉内熔化状态多变，保温结构设计难度大，需要考虑温度场的波动范围、热荷载的变化、烟气对流的影响、保温层厚度及施工要点、热损测定、保温效果分析等等，更主要的是使用周期是否理想。这些方面都是客观事实。不论怎样，保温炉盖的应用是节能降耗的必然趋势，只要面对实际问题不回避，大胆设想创新，发挥聪明才智，电熔氧化锆生产应用保温炉盖一定能实现。

从节能角度选用大功率电弧炉是发展方向。电熔氧化锆生产在国内仅有20多年发展过程，与国外相比，无论技术水平、工艺装备水平还是产品水平仍有较大差距。所以，随着企业对电熔氧化锆生产技术认识的深化和树立赶超世界先进水平的雄心，我们一定会逐步缩小与世界先进水平的差距，而选用大功率电弧炉用于电熔氧化锆的生产，就是实现这一目标的重要举措之一。大功率电弧炉的应用不仅会直接提高生产效率，有利于产品质量的稳定与提高，还会对于降低产品能耗和生产成本发挥积极作用。过去国内电熔氧化锆生产用电弧炉额定容量为650千伏安~1200千伏安，目前，主要生产厂家电弧炉额定容量为3200千伏安~4000千伏安，今后额定容量大于4000千伏安甚至达到4500千伏安的电弧炉将投入运行，这对于电熔氧化锆产业的发展将起到引领作用，更能体现节能降耗效果。

电熔氧化锆生产的余热利用。生产电熔氧化锆，其电弧炉热量损失主要集中在两个方面，一方面是喷淋水带走的热量(水温可达40℃~60℃)，有些企业将这部分热水用于洗浴或冬季采暖;一方面是烟气带走的热量(其烟气温度最高可达500℃~600℃)。一些企业采用热管换热器或其它换热装置，将这部分热量用于烘干物料及用于助燃二次风的加热，这都是可行的余热利用方式。

另外，高温设备包括电弧炉应用电能的同时，采用一次能源即天然气辅助加热方式也在探索中，若取得成功，这种方式无疑会对电弧炉节能降耗起到直接作用，国内已有企业在尝试。