除霧器在硫酸生產(chǎn)中的應(yīng)用及故障分析

王以飛

[?？缕諣柪梗ㄖ袊?guó)）環(huán)保設(shè)備有限公司，上海 201103]

除霧器也稱之為纖維除霧器、燭式過(guò)濾器、纖維床除霧器、過(guò)濾元件等，被大量應(yīng)用于硫酸生產(chǎn)中的干燥塔、一吸塔、二吸塔和尾吸塔收集硫酸霧，實(shí)現(xiàn)保護(hù)下游設(shè)備和尾氣達(dá)標(biāo)排放的目的。硫酸霧的形成主要有三種機(jī)理[1]：①機(jī)械作用：由于氣流速度差等機(jī)械慣性作用，從液膜或液滴中依靠剪切力產(chǎn)生粒徑更小的液滴（霧）分離并懸浮在氣流中，形成硫酸霧；②熱變化：由于存在溫度變化，冷卻氣體降到露點(diǎn)以下成為過(guò)飽和態(tài)而產(chǎn)生冷凝析出液滴，形成硫酸霧；③化學(xué)反應(yīng)：SO3蒸氣和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生液態(tài)硫酸液滴，形成硫酸霧。這三種機(jī)理同時(shí)存在于硫酸霧的形成過(guò)程中，機(jī)械作用形成的液滴往往較大，而最細(xì)的液滴是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的。除霧器是將氣體中的液滴進(jìn)行分離的設(shè)備，也稱之為氣液分離器。根據(jù)處理對(duì)象粒徑的不同和效率的要求，可分為高效除霧器、節(jié)能型除霧器、經(jīng)濟(jì)型除霧器、絲網(wǎng)除霧器、葉片除霧器和旋流器等。

該文重點(diǎn)分析了硫酸生產(chǎn)裝置干燥塔、吸收塔和尾吸塔除霧器的應(yīng)用情況、常見(jiàn)故障及解決方案。

1 干燥塔除霧器

1.1 干燥塔除霧器的結(jié)構(gòu)

干燥塔多采用w(H2SO4)98%濃硫酸噴淋吸收引入空氣的水分同時(shí)除去雜質(zhì)，為硫磺焚燒提供干燥的氧氣。室外空氣經(jīng)過(guò)分酸器和填料與濃硫酸充分接觸，其中的水分和粉塵顆粒物被凈化除去，但空氣中會(huì)夾帶著硫酸霧液滴，容易造成設(shè)備腐蝕，所以需要在干燥塔頂部安裝除霧器去除夾帶的硫酸霧。由于干燥塔硫酸霧的形成主要是基于機(jī)械碰撞原理，所以產(chǎn)生的液滴粒徑相對(duì)較大，大部分粒徑分布在0.6～10 μm。干燥塔除霧器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為單層結(jié)構(gòu)的絲網(wǎng)除霧器，硫酸霧去除效率能達(dá)到90%，如要求更高的去除效率，則會(huì)采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 干燥塔除霧器雙層結(jié)構(gòu)示意

干燥塔除霧器多采用金屬絲網(wǎng)編制結(jié)構(gòu)，采用304、316L、alloy20、高硅鋼等金屬材料。為提高小液滴的捕集效率也可采用混編結(jié)構(gòu)，即在絲網(wǎng)中編入特氟龍、玻璃纖維等材料，但成本也會(huì)增加。

1.2 干燥塔除霧器常見(jiàn)故障及處理措施

1.2.1 運(yùn)行壓差超過(guò)設(shè)計(jì)值

運(yùn)行壓差超過(guò)設(shè)計(jì)值多是由于待處理空氣的前端凈化裝置故障或者取風(fēng)口位置不合理造成絲網(wǎng)堵塞。取風(fēng)口多采用濾筒式過(guò)濾器，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，空氣中的雜質(zhì)在濾筒內(nèi)部不斷堆積，過(guò)濾壓差變大，甚至出現(xiàn)穿孔造成氣流短路而使過(guò)濾效率下降，此時(shí)空氣中的灰塵容易進(jìn)入干燥塔，與循環(huán)酸形成酸泥堵塞在絲網(wǎng)除霧器內(nèi)部，日積月累導(dǎo)致運(yùn)行壓差過(guò)大。

為解決上述故障，可采取以下兩種處理方法：

1）檢查空氣凈化裝置是否發(fā)生破損或者堵塞。在空氣過(guò)濾器后端安裝壓力監(jiān)控儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣過(guò)濾器運(yùn)行壓差，如發(fā)生運(yùn)行壓差過(guò)高或過(guò)低均需檢查過(guò)濾器的狀態(tài)，必要時(shí)更換過(guò)濾器。

2）清洗絲網(wǎng)除霧器。在停車檢修期間，拆除絲網(wǎng)除霧器，使用高壓水槍清洗除去雜質(zhì)，但要及時(shí)烘干，防止出現(xiàn)稀酸腐蝕。

1.2.2 干燥塔除霧器腐蝕

干燥塔除霧器的腐蝕因素主要有操作運(yùn)行和產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩個(gè)方面：

1）由于高濃度硫酸具有強(qiáng)氧化性，會(huì)在金屬表面形成鈍化膜防止金屬腐蝕，但是當(dāng)w(H2SO4)低于93%時(shí)，硫酸會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生明顯的腐蝕影響，而循環(huán)酸由于不斷吸收空氣中的水分，濃度會(huì)逐漸降低，所以需要不斷地補(bǔ)充濃硫酸以維持循環(huán)酸的濃度。

2）采用劣質(zhì)不合格的金屬絲也會(huì)導(dǎo)致絲網(wǎng)過(guò)早發(fā)生腐蝕。硫酸干燥塔除霧器絲網(wǎng)的金屬材質(zhì)需要經(jīng)過(guò)機(jī)械拉伸、成型、編制、鈍化等多道工序處理，以保證其孔隙率、比表面積、填充密度、絲徑圓整率和表面光潔度等。通過(guò)準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的除霧器使用壽命可以達(dá)到5年以上，但不合理的設(shè)計(jì)加上原材料加工工藝的控制不當(dāng)，會(huì)明顯降低其性能，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)金屬纖維腐蝕、坍塌等問(wèn)題。

在生產(chǎn)操作過(guò)程中，配備監(jiān)控儀表對(duì)循環(huán)酸濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于陰雨和晴朗天氣空氣中的含濕量變化較大，引入空氣的含濕量會(huì)隨天氣的變化而變化，單位體積的水蒸氣含量也會(huì)有所波動(dòng)，因而補(bǔ)充循環(huán)酸的量和頻率也要根據(jù)室外天氣的變化而及時(shí)調(diào)整。另外，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間停車的硫酸裝置需要及時(shí)封堵進(jìn)氣口，防止含有大量水分的室外空氣進(jìn)入干燥塔，對(duì)除霧器產(chǎn)生稀酸腐蝕。

1.2.3 除霧器出口硫酸霧量過(guò)大

如果干燥塔除霧器在排除絲網(wǎng)堵塞和存在質(zhì)量問(wèn)題之后，硫酸霧的捕集效果仍然不是很理想，那么需要進(jìn)行除霧器的氣體流速設(shè)計(jì)檢查。干燥塔除霧器采用絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于其除霧機(jī)理為慣性碰撞和攔截去除氣體中的液滴，為達(dá)到慣性作用力需要使氣體流速達(dá)到設(shè)計(jì)值，才能達(dá)到良好的硫酸霧捕集效果，氣體流速過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響氣液的分離效果。

2 吸收塔除霧器

吸收塔分為一吸塔和二吸塔，是使用除霧器最多的兩個(gè)塔體。吸收塔硫酸霧的產(chǎn)生主要基于化學(xué)反應(yīng)，其硫酸霧粒徑較干燥塔明顯偏小，大部分位于亞微米區(qū)間。具有低溫?zé)峄厥展に嚨牧蛩嵛账捎谘h(huán)酸溫度明顯高于傳統(tǒng)工藝，產(chǎn)生的硫酸霧粒徑也會(huì)更小，且更多地集中在亞微米區(qū)間，其硫酸霧負(fù)荷也更大，通常在5～50 g/m3（具體值取決于循環(huán)酸的溫度和流速），所以對(duì)除霧器的性能要求更高。

一吸塔主要采用高效除霧器或超高效除霧器，安裝形式分為站立式和懸掛式；二吸塔多采用經(jīng)濟(jì)型除霧器，安裝方式多為站立式。吸收塔除霧器安裝方式見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 站立式除霧器安裝方式

圖3 懸掛式除霧器安裝方式

2.1 一吸塔除霧器

一吸塔使用的高效纖維除霧器采用特殊處理過(guò)的超細(xì)玻璃纖維作為過(guò)濾介質(zhì)。目前高端除霧器采用的玻璃纖維大多經(jīng)熔融工藝生產(chǎn)而后采用特殊的化學(xué)處理后抽絲而成，在含有硫酸的高腐蝕環(huán)境中對(duì)亞微米硫酸霧的去除效果表現(xiàn)優(yōu)異，正常使用壽命可以達(dá)到10年以上。一吸塔除霧器常見(jiàn)的故障主要有出口硫酸霧超標(biāo)、運(yùn)行壓差過(guò)大和纖維腐蝕等。

2.1.1 出口硫酸霧超標(biāo)

出口硫酸霧超標(biāo)主要有除霧器設(shè)計(jì)不合理、安裝不規(guī)范和發(fā)生短路等原因。一吸塔高效除霧器的工作原理為靠布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的粘滯力將亞微米粒徑的液滴通過(guò)纖維捕集、凝結(jié)并形成大液滴，并通過(guò)重力和氣流的推動(dòng)進(jìn)行收集。一吸塔對(duì)氣體流速的控制、氣流分布、除霧器纖維的選型、除霧器的尺寸規(guī)格等都有嚴(yán)格的要求。

圖4為除霧器的氣流分布示意圖，表示各除霧器流量分配的均勻程度。一般來(lái)講對(duì)于圓形塔體，靠近中心的除霧器處理氣量較四周的要高一些，為保證同一塔體內(nèi)各除霧器處理氣量的均勻性，最優(yōu)設(shè)計(jì)會(huì)將除霧器進(jìn)行編號(hào)，要求業(yè)主按照設(shè)計(jì)的除霧器編號(hào)進(jìn)行對(duì)位安裝。

圖4 纖維除霧器氣流分布示意

圖5給出了不同位置單只除霧器氣流沿軸向流速的變化曲線，該曲線表明正確設(shè)計(jì)和加工的除霧器測(cè)得的氣流速度與軸向距入口距離的數(shù)據(jù)呈線性關(guān)系。數(shù)據(jù)測(cè)定方法為：除霧器被安裝在花板各法蘭孔上，氣流通過(guò)法蘭孔進(jìn)入除霧器，沿高度方向不斷上升，同時(shí)沿徑向方向穿過(guò)過(guò)濾層向四周擴(kuò)散。以除霧器軸向向上的速度矢量作為檢測(cè)點(diǎn)，如果氣流向四周均勻擴(kuò)散，那么單位長(zhǎng)度上除霧器處理的氣量是一致的，該檢測(cè)的速度矢量也會(huì)在除霧器高度方向從下往上逐漸減小。

圖5 單只纖維除霧器軸向流速分布圖

安裝不規(guī)范也是造成除霧器常見(jiàn)故障的因素之一，比如密封墊片沒(méi)有按照操作流程安裝，造成局部短路、液封管或液封杯沒(méi)有預(yù)先進(jìn)行注酸液封等。墊片安裝不規(guī)范會(huì)造成氣流短路使除霧效率下降。除霧器一般配套四氟帶或整體四氟墊片作法蘭密封，四氟帶為窄面材料，成本較低，需要交錯(cuò)圍繞螺栓安裝，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝要求較高，容易因安裝不規(guī)范導(dǎo)致泄漏。整體四氟墊片按照法蘭整體切割成型，安裝時(shí)只需將四氟墊片與法蘭螺栓孔對(duì)準(zhǔn)即可，現(xiàn)場(chǎng)安裝和檢修極為方便，可靠性更高。目前為了杜絕因墊片安裝不規(guī)范對(duì)除霧效果產(chǎn)生不利影響，有條件的廠家開始使用整體四氟墊片，但其造價(jià)遠(yuǎn)高于四氟帶。四氟墊片具有彈性，需要按順序逐步緊固才能保證密封良好，16個(gè)螺栓的緊固順序見(jiàn)圖6。

圖6 16個(gè)螺栓的緊固順序示意

2.1.2 運(yùn)行壓差過(guò)大

運(yùn)行壓差較大屬于除霧器較為常見(jiàn)的故障，一般來(lái)講除霧器的運(yùn)行壓差是在工藝參數(shù)約定的情況下設(shè)計(jì)，運(yùn)行氣量、溫度、壓力及硫酸霧負(fù)荷等因素都會(huì)影響除霧器的運(yùn)行壓差。但大多數(shù)情況下，酸泥堵塞是除霧器運(yùn)行壓差過(guò)大的因素之一。通過(guò)設(shè)計(jì)除霧器預(yù)過(guò)濾器，將酸泥在進(jìn)入主除霧器之前進(jìn)行攔截，達(dá)到保護(hù)下游主除霧器的目的。建議在每個(gè)檢修期間清理預(yù)過(guò)濾器表面的酸泥或者視使用情況進(jìn)行更換。

2.1.3 除霧器纖維腐蝕

除霧器除了出現(xiàn)運(yùn)行壓差過(guò)大，還可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行壓差偏低的情況，此時(shí)需要檢查除霧器是否發(fā)生短路。所謂“短路”，是指氣體沒(méi)有經(jīng)過(guò)除霧器過(guò)濾層而直接進(jìn)入下游，使得除霧器過(guò)濾作用失效，即使單只除霧器發(fā)生短路，對(duì)整個(gè)塔體除霧效果的影響都是致命的。

纖維層腐蝕或者坍塌是除霧器發(fā)生短路的常見(jiàn)情況。如果處理氣體中含有氟化物，玻璃纖維微米級(jí)的絲徑在含有高濃度氟化氫的環(huán)境中很容易被腐蝕。嚴(yán)格意義上來(lái)講，任何濃度的氟化氫對(duì)玻璃纖維都會(huì)有腐蝕作用，所以需要檢查上游凈化工序的脫氟效果，嚴(yán)格控制煙氣中氟化物的含量，尤其是對(duì)于冶煉煙氣制酸工藝。針對(duì)煙氣含氟的工況，近些年有硫酸廠開始使用碳纖維除霧器，但在實(shí)際運(yùn)行中，也已出現(xiàn)除霧器發(fā)生腐蝕的情況，因此碳纖維除霧器的運(yùn)行效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 二吸塔除霧器

二吸塔采用的除霧器單只尺寸較小，處理氣量是高效除霧器的3～5倍，所以在同等氣量下二吸塔使用的除霧器較高效除霧器的數(shù)量要少，可以節(jié)省設(shè)備投資，故稱之為“經(jīng)濟(jì)型除霧器”。采用經(jīng)濟(jì)型除霧器也能保證出口硫酸霧(ρ)小于20 mg/m3。

現(xiàn)有大部分硫酸廠將氣體經(jīng)過(guò)二吸塔處理后直接通過(guò)煙囪排入大氣，但隨著國(guó)家對(duì)大氣污染物排放控制得日益嚴(yán)格，硫酸霧(ρ)的排放標(biāo)準(zhǔn)也從50 mg/m3逐步提高到20 mg/m3和5 mg/m3，因而很多硫酸廠面臨著尾氣處理裝置的改造，傳統(tǒng)方式為在二吸塔下游加裝尾吸塔，進(jìn)一步除去尾氣中的SO2和硫酸霧。新建硫酸廠為了降低尾吸塔的運(yùn)行負(fù)荷，會(huì)將二吸塔除霧器設(shè)計(jì)成高效纖維除霧器，盡可能地將硫酸霧在進(jìn)入脫硫塔之前捕集下來(lái)。

3 尾吸塔除霧器

尾吸塔除霧器安裝于尾吸塔上部，根據(jù)脫硫工藝的選擇可設(shè)計(jì)成絲網(wǎng)式、葉片式或高效纖維除霧器。

隨著國(guó)家環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，尾吸塔除霧器作為整個(gè)硫酸生產(chǎn)流程的把關(guān)排放設(shè)備，對(duì)尾氣硫酸霧達(dá)標(biāo)排放起關(guān)鍵作用。但考慮到成本因素，大多數(shù)尾吸塔采用板式絲網(wǎng)除霧器，但對(duì)于硫酸霧(ρ)不高于5 mg/m3的排放要求，按現(xiàn)行的HJ 544—2016 《固定污染源廢氣 硫酸霧的測(cè)定 離子色譜法》檢測(cè)，絲網(wǎng)除霧器的除霧效果完全滿足排放標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有一定難度，因此推薦使用高效纖維除霧器用于尾吸塔，且在國(guó)內(nèi)外已有成功案例。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硫酸生產(chǎn)裝置干燥塔、吸收塔和尾吸塔除霧器的應(yīng)用情況和常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，提出了以下幾種解決方案，為硫酸生產(chǎn)企業(yè)除霧器的檢修和故障排除提供參考指導(dǎo)意見(jiàn)：

1）硫酸生產(chǎn)使用的除霧器需要根據(jù)不同工況和使用要求進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制煙氣中氟化物的含量。

2）除霧器的設(shè)計(jì)、加工制作和性能檢測(cè)對(duì)除霧器質(zhì)量和性能的影響至關(guān)重要。對(duì)于除霧器常見(jiàn)故障，可以通過(guò)對(duì)除霧器專業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢測(cè)予以避免。

3）除霧器安裝和系統(tǒng)運(yùn)行操作的不規(guī)范也會(huì)導(dǎo)致除霧器出現(xiàn)故障，通過(guò)配備監(jiān)控儀表對(duì)循環(huán)酸濃度和空氣過(guò)濾器運(yùn)行壓差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以減少除霧器的腐蝕，即時(shí)了解除霧器的運(yùn)行狀態(tài)。

4）隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，為使尾氣硫酸霧(ρ)達(dá)到5 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，推薦尾吸塔設(shè)計(jì)采用高效纖維除霧器。