CN107902663A - 利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法及装置，所述方法以焙烧后的微硅粉为硅源，利用工业硅冶炼烟气为热源，通过液相法生产高纯水玻璃；所述装置包括分离单元、焙烧单元、反应单元、换热冷却单元、过滤单元和废热回收单元，利用所述装置并按照上述方法生产高纯水玻璃。本发明将微硅粉先通过焙烧除去微硅粉中的可挥发性杂质，继而充分利用废气余热来进行液相反应，所产水玻璃无色透明、模数高且纯度高，工艺合理、转化率高且成本低，解决了粉尘污染问题，提高了附加值，具有很好的经济和社会效益。

Description

利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法及装置

技术领域

本发明属于液体水玻璃生产的技术领域，更具体地讲，涉及一种利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法及装置。

背景技术

微硅粉是工业硅或硅铁合金生产过程中，在矿热电炉内产生的SiO和Si气体逸出并被空气迅速氧化、冷却而成的含硅工业微细粉尘，是微米级细粉且二氧化硅含量高，被人吸入后对身体危害大，属于固体废弃物。随着国家环保力度的加强，工业硅生产企业烟气中的微硅粉开始通过环保布袋除尘设备进行收集，以达到达标排放；而含微硅粉的烟气排放温度高达500～650℃，有时甚至达到900℃，为保护布袋在安全温度范围内运行，大多数企业都是在布袋除尘器前加装一个空气冷却器进行大气散热降温，而后在烟气降至200℃左右进入布袋除尘器收集微硅粉，该烟气量巨大，使得空气冷却器造价不菲，并且最终大量热能散失于大气中，没有得到有效利用。

工业硅冶炼烟气中收集的微硅粉中SiO₂含量一般在90～98.2％，理论上可用做混凝土原料、耐火材料，具有较好的耐腐蚀性、绝缘性、耐磨性、抗渗性、抗冻性、耐高温性，也可用于橡胶、树脂等有机化合物的填充材料。但因工业硅生产的特性，其炉内负压、烟气温度有波动，因而其烟气中的微硅粉含量很不稳定，直接应用的力学性能又欠佳，微硅粉的实际加入量比例很少，作用不明显，实际应用量非常有限，大量的微硅粉屯积，市场消化困难，已成为制约工业硅企业清洁环保生产的一大障碍。

工业硅微硅粉中的SiO₂呈非晶态无定型结构，含量高达90～98.2％，与晶态SiO₂比较，其化学反应活性更高，加之粒度细小，表面积大，在碱性溶液中的反应活性很强，因此，以此微硅粉为原料制备高品质钾、钠水玻璃是工业硅固废变废为宝和减少粉尘二次污染的有除途径。

水玻璃是一种应用广泛的无机化工基础材料。它的主要品种有钾水玻璃和钠水玻璃，生产方法分为固相高温熔融法和液相法两种，其中固相高温熔融法是用晶态石英砂和碳酸钠(钾)或硫酸钠(钾)在1400～1500℃的高温融炉内熔融反应制得，其优点是可根据需要制备不同模数的水玻璃产品，其缺点是能耗大、废气环保处理费用高并且石英砂等原料中的金属杂质全部融入了产品中。液相法则是用氢氧化钠溶液和石英砂在130～160℃的温度、0.3～0.63MPa的反应压力下反应制得，优点是能耗相对前者更低，缺点是生产的水玻璃模数低且碱耗大。

综上所述，现有技术存在的问题是：

1、现有生产水玻璃技术受限于各自原料来源、特定的工艺条件，要么注重产品模数的提高，要么注重能耗、成本降低，要么注重产品纯度的提高，未能很好地同时做到生产的水玻璃成本低、产品模数高、纯度高。

2、微硅粉制备水玻璃的现有技术中，所采用的微硅粉未经处理，所含硫、磷、碳及碳氢氧化合物等有害成分会进入反应制备的水玻璃和滤渣中，使水玻璃色度深、有异味、有害成分多，属于低端水玻璃产品，无法应用于高端产品，而且滤渣更易造成二次污染。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种利用工业硅微硅粉和废气热源液相法生产高纯水玻璃的方法及装置，通过去除微硅粉中煤焦油、碳等有机挥发份来避免其对后续产品生产和质量的影响并充分利用烟气废热进行反应，有效地利用工业硅硅微粉实现了水玻璃产品的工业化生产，同时实现生产的水玻璃成本低、产品模数高、纯度高的效果。

本发明的一方面提供了利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，所述方法包括以下步骤：

A、将从工业硅冶炼烟气中热分离收集得到的高温微硅粉进行富氧气氛下的高温焙烧得到焙烧微硅粉；

B、将所述焙烧微硅粉与液体氢氧化钠/液体氢氧化钾和水一起加入反应釜中搅拌混合均匀并以工业硅冶炼烟气作为热源反应得到高温水玻璃母液；

C、将所述高温水玻璃母液冷却后过滤得到高纯水玻璃。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的一个实施例，在步骤A中，采用旋风分离器从工业硅冶炼烟气中热分离收集得到高温微硅粉，所述高温微硅粉的温度为560～650℃；控制焙烧温度为720～1100℃，焙烧时间为15～90分钟；所述焙烧微硅粉中无挥发份。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的一个实施例，在步骤B中，控制SiO₂:NaOH/KOH:H₂O的质量比为2～2.7:1:3～9.5；控制反应温度为165～210℃，优选为170～200℃，更优选为175～190℃；控制反应时间为60～360分钟，优选为120～300分钟，更优选为180～240分钟。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的一个实施例，在步骤B中，向反应釜中通入余热蒸汽加热混合物料进行反应，其中，在余热锅炉中将水与从工业硅冶炼烟气中分离出微硅粉之后的高温烟气热交换回收废热得到所述余热蒸汽，余热蒸汽的压力为1～3MPa、温度为220～450℃。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的一个实施例，在步骤C中，采用管式换热器将所述高温水玻璃母液冷却至室温～80℃，优选地冷却至40～80℃，更优选地冷却至50～60℃；采用吸滤机或压滤机对水玻璃母液进行过滤得到高纯水玻璃。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的一个实施例，所述方法还包括将所述高温烟气回收废热之后得到的低温烟气进行再次除尘回收和将部分余热蒸汽再次回收余热的步骤，其中，将所述低温烟气进行除尘回收得到细微硅粉和合格尾气并将所述细微硅粉返回与高温硅微粉一起进行高温焙烧，将部分余热蒸汽用于发电并将所得电能用于焙烧高温硅微粉。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的一个实施例，所述高纯水玻璃无色透明、无味；当高纯水玻璃为钠水玻璃时，质量浓度在21.0wt％以上，二氧化硅含量在15.5wt％以上，铁含量低于10ppm，铝含量低于25ppm，重金属含量低于3ppm，模数为3～3.4；当高纯水玻璃为钾水玻璃时，质量浓度在22.5wt％以上，二氧化硅含量在15.5wt％以上，铁含量低于10ppm，铝含量低于25ppm，重金属含量低于3ppm，模数为3.4～3.8。

本发明的另一方面提供了一种利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，采用所述装置并按照上述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法生产水玻璃，所述装置包括分离单元、焙烧单元、反应单元、换热冷却单元、过滤单元和废热回收单元；

所述分离单元的烟气入口与工业硅尾气***连接、烟气出口与废热回收单元的烟气入口连接、物料出口与焙烧单元的物料入口连接；

所述焙烧单元的物料出口与反应单元的物料入口连接；

所述反应单元的物料出口与换热冷却单元的物料入口连接、热源入口与废热回收单元的蒸汽出口连接；

所述换热冷却单元的物料出口与过滤单元的物料入口连接、冷却水入口与水源连接、热水出口与反应单元的物料入口连接。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置的一个实施例，所述分离单元为旋风分离器或布袋除尘器，所述焙烧单元为焙烧炉，所述反应单元为反应釜，所述换热冷却单元为管式换热器，所述过滤单元为吸滤机或压滤机，所述余热回收单元为余热锅炉。

根据本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置的一个实施例，所述装置还包括回收单元，所述回收单元包括烟气回收子单元和余热回收子单元；

所述余热回收子单元为发电机，所述发电机的蒸汽入口与废热回收单元的蒸汽出口连接并且所述发电机直接给焙烧单元供电；

所述烟气回收子单元的烟气入口与废热回收单元的烟气出口连接、烟气出口与大气连通、物料出口与焙烧单元的物料入口连接，所述烟气回收子单元包括依次连接的布袋降尘器和脱硫脱硝器。

与现有技术相比，本发明以工业硅副产微硅粉为硅源并通过焙烧处理去除了其中的大部分有害杂质，进一步活化微硅粉，为水玻璃品质的提高提供了保障；同时，本发明利用工业硅冶炼烟气为能源，利用烟气余热锅炉及余热发电提供的蒸汽和电力，完全可以满足液相法水玻璃生产的需要，有效回收利用了废弃能源，降低了生产成本；通过焙烧的微硅粉与氢氧化钠或氢氧化钾溶液液相法反应生产的液体钠水玻璃或钾水玻璃的模数高、纯度高，产品附加值比提高50～120％；本工艺易于工业化，解决了工业硅清洁环保节能生产的技术障碍，为工业硅资源化利用微硅粉和废气热源以及高效、低成本制备高模数、高纯度钠(钾)水玻璃提供了一种全新的方法。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的工艺流程图。

图2示出了根据本发明示例性实施例利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置的结构框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明是以焙烧后的微硅粉为硅源，同时利用工业硅冶炼烟气为热源，通过液相法生产得到高纯水玻璃。

本发明所采用的工业硅副产微硅粉是工业硅或硅铁合金生产过程中，在矿热电炉内产生的SiO和Si气体逸出并被空气迅速氧化、冷却而成的含硅工业微细粉尘。经检测，通过工业硅冶炼烟气收集的微硅粉中的挥发份为1.62～4.78wt％，挥发份中的主要成分为煤焦油和碳粉。该挥发份使得反应后的液体中形成一层油状胶凝物，增大了过滤阻力并部分溶入液体水玻璃中，使水玻璃带色并伴有严重的异味；二是微硅粉粒度太细，使得反应体系的配水量要大，否则反应体系粘稠度大而不利于反应，因而导致最终液体浓度低，同时未反应的细微硅粉与煤焦油、碳粉形成更为致密的沉淀物，难于过滤。

针对所发现的上述问题，本发明通过富氧高温焙烧的方法去除微硅粉中的挥发份(主要是煤焦油和碳粉)，同时通过高温将微硅粉发生烧结从而增大微硅粉密度和粒度，有效降低后续应用的反应用水量，提高了最终反应液浓度，并且在保证其反应活性的条件下大大提高了液体的过滤效率。最重要的是，经过上述方式对微硅粉进行处理之后，再将所得焙烧微硅粉用于制备水玻璃，反应、过滤出的水玻璃无色透明且模数高、纯度高，能够为产品的后续广泛应用和高端市场应用奠定基础。

下面先对本发明的利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法进行详细说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法的工艺流程图。如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述工业硅微硅粉除杂活化的方法具体包括以下步骤。

步骤A：微硅粉的分离收集及焙烧

将从工业硅冶炼烟气中热分离收集得到的高温微硅粉进行富氧气氛下的高温焙烧得到焙烧微硅粉。

其中，优选地采用旋风分离器从工业硅冶炼烟气中热分离收集得到微硅粉，该微硅粉是温度为560～650℃的高温微硅粉，将该高温微硅粉直接进行焙烧，有利于节约能源。具体地，可以将该高温微硅粉连续送入焙烧炉中进行焙烧并在焙烧后连续出料，焙烧过程中持续通入富氧空气或纯氧气形成富氧气氛，其中微硅粉优选地以连续送入的动态方式进行焙烧。由此，动态的微硅粉能够与持续通入的富氧空气或纯氧气充分均匀地接触，并在此富氧高温环境下让微硅粉中的煤焦油和碳粉等挥发份得到迅速地燃烧分解并放出大量的热能，该热能能够保持焙烧炉内的高温，适当地节约了部分加热能源，从而使微硅粉在焙烧炉内保持持续高温。并且，通过外加的热源控制焙烧炉内的温度为720～1100℃，焙烧时间控制在15～90分钟，由此实现充分的挥发份分解。其中，焙烧炉可以为沸腾焙烧炉、回转焙烧炉或微波焙烧炉，焙烧炉的热源可以为天然气、煤、电或微波。

根据本发明的优选实施例，优选地控制焙烧炉内的焙烧温度为850～1100℃，焙烧时间为15～50分钟；更优选地控制焙烧炉内的焙烧温度为900～1000℃，焙烧时间为18～40分钟；最优选地控制焙烧炉内的焙烧温度为920～950℃，焙烧时间为20～30分钟。

在上述温度和时间条件以及动态条件下对微硅粉进行焙烧处理，一是可以将微硅粉中的煤焦油、碳等有机挥发份充分燃烧分解，二是能够在高温焙烧的同时使细腻的微硅粉粒子发生烧结，形成多孔微粒，粒度***且密度加大，利于后续反应。

经检测，焙烧之后的焙烧微硅粉中不含有煤焦油和碳粉等挥发份。

步骤B：液相反应

将步骤A得到的焙烧微硅粉与液体氢氧化钠/液体氢氧化钾和水一起加入反应釜中搅拌混合均匀并以工业硅冶炼烟气作为热源进反应得到高温水玻璃母液。其中，液体氢氧化钠可以为液碱或利用固体氢氧化钠配制成的氢氧化钠溶液，液体氢氧化钠的质量浓度优选为30～50wt％，液体氢氧化钾与之类似。

具体地，本发明通过向反应釜中通入余热蒸汽加热混合物料进行反应，其中，在余热锅炉中将水与从工业硅冶炼烟气中分离出微硅粉之后的高温烟气热交换回收废热得到该余热蒸汽，余热蒸汽的压力为1.0～3.0MPa、温度为220～450℃。余热锅炉可以控制烟气温度从500～650℃降至200℃左右，确保后面的低温烟气温度能够在布袋安全运行范围内，余热锅炉所产生的余热蒸汽一部分用于后续反应加热，一部分可以用于发电并提供部分动力。

在本步骤中，控制SiO₂:NaOH/KOH:H₂O的质量比为2～2.7:1:3～9.5；控制反应温度为165～210℃，优选为170～200℃，更优选为175～190℃；控制反应时间为60～360分钟，优选为120～300分钟，更优选为180～240分钟。反应后得到高温水玻璃母液。在反应过程中，可以采用保温或保压的方式控制反应。

步骤C：冷却过滤

将高温水玻璃母液冷却后过滤得到高纯水玻璃。

具体地，可以采用管式换热器将高温水玻璃母液冷却至室温～80℃，优选地冷却至40～80℃，更优选地冷却至50～60℃。随后，可以采用吸滤机或压滤机对水玻璃母液进行过滤得到高纯水玻璃。

高纯水玻璃无色透明、无味；当高纯水玻璃为钠水玻璃时，质量浓度在20.0wt％以上，二氧化硅含量在15.5wt％以上，铁含量低于10ppm，铝含量低于25ppm，重金属含量低于3ppm，模数为3～3.4；当高纯水玻璃为钾水玻璃时，质量浓度在22.5wt％以上，二氧化硅含量在15.5wt％以上，铁含量低于10ppm，铝含量低于25ppm，重金属含量低于3ppm，模数为3.4～3.8。

如图1所示，本发明的方法还包括将高温烟气回收废热之后得到的低温烟气进行再次除尘回收和将部分余热蒸汽再次回收余热的步骤。其中，将低温烟气进行除尘回收得到细微硅粉和合格尾气(经过脱硝脱硫处理)，并将细微硅粉返回与高温硅微粉一起进行高温焙烧，将部分余热蒸汽用于发电并将所得电能供给焙烧炉用于焙烧高温硅微粉。

本发明采用上述焙烧微硅粉通过液相法反应生产的水玻璃过滤效率高，滤后液体无色透明；同时利用烟气热能高效率、低成本地制备高纯度、高品质、不同模数的水玻璃，能够顺利实现微硅粉制水玻璃的工业化生产。

本发明还提供了一种利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置，优选地采用该装置并按照上述方法生产水玻璃。

图2示出了根据本发明示例性实施例利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置的结构框图。如图2所示，该装置包括分离单元10、焙烧单元20、反应单元30、换热冷却单元40、过滤单元50和废热回收单元60。

根据本发明，分离单元10的烟气入口与工业硅尾气***连接、烟气出口与废热回收单元60的烟气入口连接、物料出口与焙烧单元20的物料入口连接。由此，工业硅冶炼烟气直接进入分离单元10中分离得到高温微硅粉和和高温烟气，高温烟气通过烟气出口进入废热回收单元60中进行废热回收，高温微硅粉则进入焙烧单元20中进行焙烧。

焙烧单元20的物料出口与反应单元30的物料入口连接。由此，焙烧微硅粉进入反应单元30中与液态氢氧化钠/氢氧化钾和水混合反应生成高温水玻璃母液。

反应单元30的物料出口与换热冷却单元40的物料入口连接、热源入口与废热回收单元60的蒸汽出口连接。由此，反应后得到的高温水玻璃母液进入换热冷却单元40中进行换热冷却得到降温水玻璃母液，废热回收单元60回收废热得到的余热蒸汽进入反应单元30中为液相反应提供热能。

换热冷却单元40的物料出口与过滤单元50的物料入口连接、冷却水入口与水源连接、热水出口与反应单元30的物料入口连接。由此，冷却后的降温水玻璃母液通过过滤得到高纯水玻璃，换热冷却单元40的介质换热水可以用于下一轮的液相反应。

根据本发明的示例性实施例，上述装置还包括回收单元，该回收单元包括烟气回收子单元80和余热回收子单元70，烟气回收子单元80用于回收低温烟气中的细微硅粉并对烟气进行最终处理，余热回收子单元70则用于对部分余热蒸汽进行热量回收再利用。

具体地，余热回收子单元70可以为发电机，发电机的蒸汽入口与废热回收单元60的蒸汽出口连接并且发电机直接给焙烧单元20供电或给其他组件供电。烟气回收子单元80的烟气入口与废热回收单元60的烟气出口连接、烟气出口与大气连通、物料出口与焙烧单元20的物料入口连接，由此经处理后的烟气能够直接排入大气，而回收得到的细硅微粉可以返回继续进行焙烧和后续反应。

此外，本发明的分离单元10可以为旋风分离器或布袋除尘器，焙烧单元20可以为焙烧炉，反应单元30可以为反应釜，换热冷却单元40可以为管式换热器，过滤单元50可以为吸滤机或压滤机，余热回收单元70可以为余热锅炉，烟气回收子单元80可以包括依次连接的布袋降尘器和脱硫脱硝器。但本发明不限于此，只要能够实现相应功能的装置均可。

下面结合具体实施例对本发明利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法及装置作进一步说明。

其中，实施例1至4均采用图2所示连接方式和作用原理的装置进行水玻璃的制备。

实施例1：

将从工业硅冶炼烟气中热分离出的高温微硅粉加入焙烧炉中进行焙烧，除去挥发份之后得到SiO₂含量为97.0wt％的焙烧微硅粉，将该焙烧微硅粉24.75Kg、质量浓度为30wt％的液体氢氧化钠33.5Kg和水65Kg加入带搅拌器的200L反应釜中混合搅拌均匀，直接通入压力为3.0MPa、温度为450℃的余热蒸汽加热混合物料，控制反应温度为175℃，搅拌转速为85r/min，保压反应180分钟，反应放热后反应釜内最高温度达到195℃，反应生成高温水玻璃母液。排出后经换热冷却降温至55℃时，用吸滤机过滤，过滤时间5分钟，得到无色、无味、透明的液体高纯钠水玻璃。

经工业硅钠GB/T4209-2008标准中滴定分析法分析，所得高纯钠水玻璃中的SiO₂含量为17.10wt％、Na₂O含量为5.69wt％，模数为3.10；经722分光光度计分析，其中的Fe含量为3ppm、Al含量为12ppm，重金属未检出；二氧化硅转化率达85.5wt％。

实施例2：

将从工业硅冶炼烟气中热分离出的高温微硅粉加入焙烧炉中进行焙烧，除去挥发份之后得到SiO₂含量为95.32wt％的焙烧微硅粉，将该焙烧微硅粉4吨、质量浓度为30wt％的液体氢氧化钠5吨和水12吨加入带搅拌器的25m³反应釜中混合搅拌均匀，直接通入压力为3.0MPa、温度为450℃的余热蒸汽加热混合物料，控制反应温度为185℃，搅拌转速为85r/min，保温反应240分钟，反应生成高温水玻璃母液。排出后经换热冷却降温至60℃时，用压滤机过滤，过滤时间26分钟，得到无色、无味、透明的液体高纯钠水玻璃。

经工业硅钠GB/T4209-2008标准中滴定分析法分析，所得高纯钠水玻璃中的SiO₂含量为16.42wt％、Na₂O含量为5.12wt％，模数为3.31；经722分光光度计分析，其中的Fe含量为5ppm、Al含量为8ppm，重金属未检出；二氧化硅转化率达89.4wt％。

实施例3：

将从工业硅冶炼烟气中热分离出的高温微硅粉加入焙烧炉中进行焙烧，除去挥发份之后得到SiO₂含量为98.2wt％的焙烧微硅粉，将该焙烧微硅粉41.3Kg、质量浓度为30wt％的液体氢氧化钠48Kg和水110Kg加入带搅拌器的200L反应釜中混合搅拌均匀，直接通入压力为3.0MPa、温度为450℃的余热蒸汽加热混合物料，控制反应温度为190℃，搅拌转速为85r/min，保温反应240分钟，反应生成高温水玻璃母液。排出后经换热冷却降温至75℃时，用吸滤机过滤，过滤时间9分钟，得到无色、无味、透明的液体高纯钠水玻璃。

经工业硅钠GB/T4209-2008标准中滴定分析法分析，所得高纯钠水玻璃中的SiO₂含量为19.15wt％、Na₂O含量为5.82wt％，模数为3.40；经722分光光度计分析，其中的Fe未检出、Al含量为12ppm，重金属未检出；二氧化硅转化率达86.4wt％。

实施例4：

将从工业硅冶炼烟气中热分离出的高温微硅粉加入焙烧炉中进行焙烧，除去挥发份之后得到SiO₂含量为98.2wt％的焙烧微硅粉，将该焙烧微硅粉34Kg、质量浓度为30wt％的液体氢氧化钠50Kg和水110Kg加入带搅拌器的200L反应釜中混合搅拌均匀，直接通入压力为3.0MPa、温度为450℃的余热蒸汽加热混合物料，控制反应温度为190℃，反应240分钟，反应生成高温水玻璃母液。排出后经换热冷却降温至80℃时，用吸滤机过滤，过滤时间11分钟，得到无色、无味、透明的液体高纯钾水玻璃。

经GB/T4209-2008标准中滴定分析原理分析，所得高纯钾水玻璃中的SiO₂含量为16.06wt％、K₂O含量为6.617wt％，模数为3.80；经722分光光度计分析，其中的Fe未检出、Al含量为12ppm，重金属未检出；二氧化硅转化率达90.18wt％。

对比例1：

从工业硅冶炼烟气中直接分离出的高温微硅粉冷却后检测其SiO₂含量为94.5wt％，挥发份3.21wt％，不对其进行焙烧，直接用该微硅粉24.75Kg、质量浓度为30wt％的液体氢氧化钠33.5Kg和水65Kg加入带搅拌器的200L反应釜中混合搅拌均匀，直接通入压力为3.0MPa、温度为450℃的余热蒸汽加热混合物料，控制反应温度为175℃，搅拌转速85r/min，保压反应，反应至48分钟时，反应釜搅拌开始变慢，并出搅拌电机现电磁噪音，传动皮带轮打滑，55分钟时，搅拌转速降至约34r/min，通过调整电机转速，传动皮带打滑更严重，此时反应温度190℃，后通过换热外冷却降低反应物料温度至150℃，搅拌转速恢复，再反应15分钟后，温度升到173℃，搅拌转数又开始变慢。后通过换热冷却控制反应温度在160℃，反应总时间控制在240分钟，之后放料，放料后发现，在釜体上部及搅拌器上部粘附有大量如水水泥般的粘性硬块。排出的悬浮液渣量大，经换热冷却降温至65℃，用吸滤机过滤，过滤时间1个小时，仅过滤得到少量液体水玻璃，其余不再过滤，且所得液体清澈，呈深褐色，有严重异味，观察滤饼面上一层黑色油墨状粘性物，异味更浓。

经工业硅钠GB/T4209-2008标准中滴定分析法分析，所得钠水玻璃中的SiO₂含量为13.61wt％、Na₂O含量为5.47wt％，模数为2.47；经722分光光度计分析，其中的Fe含量为17ppm、Al含量为21ppm，重金属未检出。

对比例2：

从工业硅冶炼烟气中直接分离出的高温微硅粉冷却后检测其SiO₂含量为94.5wt％，挥发份3.21wt％，不对其进行焙烧，直接用该微硅粉24.75Kg、质量浓度为30wt％的液体氢氧化钠33.5Kg和水130Kg加入带搅拌器的200L反应釜中混合搅拌均匀，直接通入压力为3.0MPa、温度为450℃的余热蒸汽加热混合物料，控制反应温度为175℃，保压反应180分钟，反应放热后反应釜内最高温度达到184℃，反应生成高温水玻璃母液。排出后经换热冷却降温至60℃时，用吸滤机过滤，过滤时间5小时，得到褐黄色清澈液体水玻璃，有明显异味。滤饼表面一层黑色油墨状粘性物，异味浓。

经工业硅钠GB/T4209-2008标准中滴定分析法分析，所得钠水玻璃中的SiO₂含量为8.82wt％、Na₂O含量为2.68wt％，模数为3.19；经722分光光度计分析，其中的Fe含量为7ppm、Al含量为15ppm，重金属未检出；二氧化硅转化率达86.3wt％。

通过对比例可知，不经焙烧的微硅粉，生产的水玻璃质量浓度低、带色、有异味，且生产效率很低，难于工业化。而按本发明方法不仅可保证所产水玻璃质量，而且易于工业化生产。

综上所述，本发明提供一种资源化利用工业硅副产微硅粉和其矿热炉烟气的热能，高效率、低成本地制备高纯度、高品质、不同模数水玻璃的一种全新的工艺和装置，具有良好的应用前景。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、将从工业硅冶炼烟气中热分离收集得到的高温微硅粉进行富氧气氛下的高温焙烧得到焙烧微硅粉；

B、将所述焙烧微硅粉与液体氢氧化钠/液体氢氧化钾和水一起加入反应釜中搅拌混合均匀并以工业硅冶炼烟气作为热源反应得到高温水玻璃母液；

C、将所述高温水玻璃母液冷却后过滤得到高纯水玻璃。

2.根据权利要求1所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，在步骤A中，采用旋风分离器从工业硅冶炼烟气中热分离收集得到高温微硅粉，所述高温微硅粉的温度为560～650℃；控制焙烧温度为720～1100℃，焙烧时间为15～90分钟；所述焙烧微硅粉中无挥发份。

3.根据权利要求1所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，在步骤B中，控制SiO₂:NaOH/KOH:H₂O的质量比为2～2.7:1:3～9.5；控制反应温度为165～210℃，优选为170～200℃，更优选为175～190℃；控制反应时间为60～360分钟，优选为120～300分钟，更优选为180～240分钟。

4.根据权利要求1所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，在步骤B中，向反应釜中通入余热蒸汽加热混合物料进行反应，其中，在余热锅炉中将水与从工业硅冶炼烟气中分离出微硅粉之后的高温烟气热交换回收废热得到所述余热蒸汽，余热蒸汽的压力为1～3MPa、温度为220～450℃。

5.根据权利要求1所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，在步骤C中，采用管式换热器将所述高温水玻璃母液冷却至室温～80℃，优选地冷却至40～80℃，更优选地冷却至50～60℃；采用吸滤机或压滤机对水玻璃母液进行过滤得到高纯水玻璃。

6.根据权利要求1所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述高温烟气回收废热之后得到的低温烟气进行再次除尘回收和将部分余热蒸汽再次回收余热的步骤，其中，将所述低温烟气进行除尘回收得到细微硅粉和合格尾气并将所述细微硅粉返回与高温硅微粉一起进行高温焙烧，将部分余热蒸汽用于发电并将所得电能用于焙烧高温硅微粉。

7.根据权利要求1所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法，其特征在于，所述高纯水玻璃无色透明、无味；当高纯水玻璃为钠水玻璃时，质量浓度在20.0wt％以上，二氧化硅含量在15.5wt％以上，铁含量低于10ppm，铝含量低于25ppm，重金属含量低于3ppm，模数为3～3.4；当高纯水玻璃为钾水玻璃时，质量浓度在22.5wt％以上，二氧化硅含量在15.5wt％以上，铁含量低于10ppm，铝含量低于25ppm，重金属含量低于3ppm，模数为3.4～3.8。

8.一种利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置，其特征在于，采用所述装置并按照权利要求1至7中任一项所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的方法生产水玻璃，所述装置包括分离单元、焙烧单元、反应单元、换热冷却单元、过滤单元和废热回收单元；

所述分离单元的烟气入口与工业硅尾气***连接、烟气出口与废热回收单元的烟气入口连接、物料出口与焙烧单元的物料入口连接；

所述焙烧单元的物料出口与反应单元的物料入口连接；

所述反应单元的物料出口与换热冷却单元的物料入口连接、热源入口与废热回收单元的蒸汽出口连接；

所述换热冷却单元的物料出口与过滤单元的物料入口连接、冷却水入口与水源连接、热水出口与反应单元的物料入口连接。

9.根据权利要求8所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置，其特征在于，所述分离单元为旋风分离器或布袋除尘器，所述焙烧单元为焙烧炉，所述反应单元为反应釜，所述换热冷却单元为管式换热器，所述过滤单元为吸滤机或压滤机，所述余热回收单元为余热锅炉。

10.根据权利要求8所述利用工业硅副产微硅粉和废热生产水玻璃的装置，其特征在于，所述装置还包括回收单元，所述回收单元包括烟气回收子单元和余热回收子单元；

所述余热回收子单元为发电机，所述发电机的蒸汽入口与废热回收单元的蒸汽出口连接并且所述发电机直接给焙烧单元供电；

所述烟气回收子单元的烟气入口与废热回收单元的烟气出口连接、烟气出口与大气连通、物料出口与焙烧单元的物料入口连接，所述烟气回收子单元包括依次连接的布袋降尘器和脱硫脱硝器。