溫度對(duì)大型磷爐靜電除塵器的影響

余思民

(云南天安化工有限公司總工程師室，云南安寧650309)

20世紀(jì)90年代中期，我公司從俄羅斯引進(jìn)二套80MW、30kt/a的大型黃磷爐裝置，每套磷爐配備二臺(tái)大型靜電除塵器并聯(lián)運(yùn)行除塵(型號(hào)ЗВЦТ2－5.5－24K ，結(jié)構(gòu)為干法立式雙室靜電除塵器)。除塵器由夾套加熱系統(tǒng)、集塵極、電暈極、振打裝置、直流高壓供電裝置、高壓干進(jìn)線裝置、氣體分布系統(tǒng)、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)、排灰裝置、電塵漿攪拌系統(tǒng)等幾部分組成。由電加熱器、熱氮風(fēng)機(jī)等組成的熱氮循環(huán)系統(tǒng)為夾套提供循環(huán)熱氮?dú)?，氮?dú)鉁囟瓤刂圃?00～350℃。進(jìn)入除塵器的磷爐氣溫度最高不允許超過(guò)600℃，但在磷爐生產(chǎn)過(guò)程中，除塵器的運(yùn)行溫度時(shí)常超過(guò)600℃，導(dǎo)致電除塵器除塵效率低下或停運(yùn)，給黃磷生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響。針對(duì)存在的問(wèn)題，有必要對(duì)影響電除塵器運(yùn)行的因素進(jìn)行重點(diǎn)分析并采取有效的改進(jìn)措施。

1 靜電除塵的原理及工藝流程

1.1 靜電除塵的原理

在陰極、陽(yáng)極之間通過(guò)加載直流高壓電源形成氣體電離的靜電場(chǎng)，氣體電離后所生成的電子、陰離子和陽(yáng)離子吸附在通過(guò)電場(chǎng)的磷爐氣懸浮粉塵上使粉塵獲得荷電。荷電粉塵在電場(chǎng)力的作用下，向極性相反的電極運(yùn)動(dòng)并沉積在電極上，從而達(dá)到粉塵和氣體分離的目的。通過(guò)安裝在靜電除塵器上振打裝置的定時(shí)振打，粉塵在重力作用下最終從電極脫落后落入電除塵器底部。由灰耙將粉塵刮入落灰管并落到電塵漿槽，從而使通過(guò)除塵器的磷爐氣得到凈化。用電除塵的方法分離氣體中的懸浮粉塵，主要包括氣體的電離、懸浮粉塵的荷電、荷電粉塵向電極運(yùn)動(dòng)和荷電粉塵沉積在電極上4個(gè)復(fù)雜而又相互有關(guān)的物理過(guò)程。

1.2 磷爐靜電除塵的工藝流程

磷礦石、燒結(jié)料、焦炭、硅石等原料在磷爐內(nèi)高溫條件下發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生以磷蒸氣、一氧化碳、磷酸鹽、硅酸鹽和炭粉等為主要成份的磷爐氣。經(jīng)靜電除塵器除塵，在冷凝塔內(nèi)冷凝，從而制得粗磷半成品，再經(jīng)沉降分離制得成品磷，見(jiàn)圖 1 所示。［1］

圖1 磷爐靜電除塵的基本工藝Figure1 A basic process of electrostatic precipitator in phosphorus furnace

2 靜電除塵器的除塵效率

2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)條件

1)設(shè)計(jì)技術(shù)條件

當(dāng)磷爐溫度≤600℃ 、磷爐壓力≤500 Pa、處理氣體量在12000～17000 m3/h、且含塵量≤80 g/m3時(shí):

①每臺(tái)磷爐運(yùn)行投入2臺(tái)靜電除塵器時(shí)，除塵效率為99%。即每小時(shí)除塵950.4 kg，殘余含塵量0.8 g/m3，除塵器的正常工作時(shí)間大于15天。

②每臺(tái)磷爐運(yùn)行投入1臺(tái)靜電除塵器時(shí)，除塵效率為96%。即每小時(shí)除塵921.6 kg，殘余含塵量3.2 g/m3，除塵器的正常工作時(shí)間大于15天。

2)除塵效率的設(shè)計(jì)定義

式中:磷爐氣總灰=電塵干灰+粗磷中雜質(zhì)+含磷廢水中懸浮物

2.2 靜電除塵器的除塵效率

除塵效率是指同一時(shí)間內(nèi)除塵器捕捉下來(lái)的磷爐氣懸浮粉塵數(shù)量與進(jìn)入除塵器的磷爐氣含有的懸浮粉塵數(shù)量之比，用η表示。它是衡量除塵器性能的主要技術(shù)指標(biāo)。

式中:CE為進(jìn)口磷爐氣中含塵質(zhì)量濃度，g/m3;Co為出口磷爐氣中含塵質(zhì)量濃度，g/m3。

公式(2)和公式(1)的意義是等同的，對(duì)測(cè)定電除塵器的η很有實(shí)際意義，但對(duì)分析電除塵器η的影響因素很不直觀。為方便分析電除塵器η的影響因素，經(jīng)常使用安德森一多依奇公式。經(jīng)推導(dǎo)的除塵效率公式是:

式中:A為收塵極板面積，m2;Q為煙氣量，m3/s;f為A/Q的比值，稱為比集塵面積，m2/m3/s，即一秒內(nèi)凈化一立方米煙氣所需的收塵面積;ω為驅(qū)進(jìn)速度，m/s。

從(3)式中看出，當(dāng)收塵效率一定時(shí)，除塵器的大小和粉塵驅(qū)進(jìn)速度ω成反比，和處理煙氣量Q成正比。驅(qū)進(jìn)速度是荷電懸浮粉塵在電場(chǎng)力作用下向收塵極板表面運(yùn)動(dòng)的速度。它的公式描述是:

式中:α為粉塵半徑;μ為粘滯系數(shù);E為粉塵所在處電場(chǎng)強(qiáng)度。

由(4)式可知，粉塵驅(qū)進(jìn)速度與收塵區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度和粒徑成正比，而與氣體的粘滯系數(shù)成反比。

安德森一多依奇公式雖然不能完全作為實(shí)際設(shè)計(jì)使用的公式，但到目前為止，安德森一多依奇公式仍然是分析、評(píng)價(jià)和比較電除塵器的重要理論基礎(chǔ)。［2］

3 磷爐氣溫度對(duì)除塵效率的影響分析

磷爐氣粉塵的比電阻、溫度、濕度、流量、流速、含塵濃度、氣流分布均勻性、器身結(jié)構(gòu)以及操作等因素對(duì)除塵效率的影響很大，雖然這些參數(shù)都已在設(shè)計(jì)時(shí)作了設(shè)定，但在運(yùn)行中變化較大。本文根據(jù)多年的運(yùn)行實(shí)踐分析溫度因素對(duì)靜電除塵器效率的影響。

3.1 磷爐氣溫度對(duì)比電阻的影響

粉塵比電阻是衡量粉塵導(dǎo)電性的一項(xiàng)指標(biāo)，粉塵的比電阻對(duì)電除塵器除塵效率影響較大。粉塵的比電阻由表面比電阻和體積比電阻并聯(lián)組成，比電阻隨溫度的變化而變化，如圖2所示。

圖2 溫度與比電阻的關(guān)系Figure 2 The relationship between temperature and resistivity

在低溫時(shí)，粉塵表面吸附物、水蒸氣的影響起主導(dǎo)作用。隨著溫度的升高，這種作用減弱而使粉塵表面比電阻增加。在高溫時(shí)，粉塵本身的導(dǎo)電性能起主導(dǎo)作用，隨著溫度升高，物質(zhì)中自由離子的自由電子數(shù)目增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，而使粉塵體積比電阻降低［3］。圖2為比電阻ρ和除塵效率η的關(guān)系。

電除塵器在處理比電阻ρ在104～1011Ω·cm之間的粉塵時(shí)，η較高，電除塵器工作穩(wěn)定;在處理比電阻ρ＜104Ω·cm或ρ＞1011Ω·cm的粉塵時(shí)，η較低。

比電阻值的大小，可借鑒一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)定性判斷:當(dāng)w(Al+Si+Fe)＜82%時(shí)，比電阻適中，除塵器工作好;當(dāng)w(Al+Si+Fe)在82% ～93%之間時(shí)，比電阻隨該值增大而增大，除塵器工作隨該值增大而愈來(lái)愈差;當(dāng)w(Al+Si+Fe)＞93%時(shí)，比電阻較高，易發(fā)生反電暈，除塵器工作很困難。或是用經(jīng)驗(yàn)公式判定:當(dāng) w(SiO2+Al2O3)≥85%也屬高比電阻，難除塵。［4］

圖3 比電阻和除塵效率的關(guān)系Figure 3 The relationship between resistivity and dedusting efficiency

粉塵比電阻高到一定程度時(shí)，除塵效率急劇下降，原因是:電暈電流因粉塵層的壓降大而減小，從而使粉塵的荷電率、荷電量及電場(chǎng)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致除塵效率下降。即使電流密度很低，也會(huì)發(fā)生粉塵層的擊穿，從而造成反電暈，使得除塵效率下降。此時(shí)，粉塵附著在陽(yáng)極排上的力也因粉塵層壓降的增多而增大，增加了清灰的難度。正常操作條件下，磷爐氣粉塵比電阻在108～108Ω·cm之間。當(dāng)加入磷爐焦炭中的炭粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過(guò)5%時(shí)，粉塵比電阻低于104Ω·cm以下，使得電除塵器的除塵效率下降，粗磷純度降低。

3.2 磷爐氣溫度對(duì)驅(qū)進(jìn)速度的影響

當(dāng)磷爐氣溫度升高時(shí)，氣體的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子之間的磨擦也加大，使得氣體的粘度增加，粉塵就會(huì)粘附在極排上，即使通過(guò)振打也不易將粉塵振打下來(lái)，從而影響電暈電流與工作電壓的升高。磷爐氣溫度愈高，氣體的粘度愈大。根據(jù)公式(3)、(4)可知，磷爐氣的粘滯性增大，粉塵驅(qū)進(jìn)速度就會(huì)降低，電除塵器的除塵效率也下降。

3.3 磷爐氣溫度對(duì)氣體密度的影響

在一定壓力下，氣體的密度與溫度成反比。當(dāng)磷爐氣溫度升高時(shí)，通過(guò)除塵器的爐氣量增大，氣體密度減小，電場(chǎng)風(fēng)速提高。從公式(3)可知，除塵效率按指數(shù)關(guān)系下降。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，煙氣溫度每升高10℃，煙氣量將增加6%［4］。由于氣體密度的減小，電場(chǎng)中煙氣的自由電子容易與中性原子(分子)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致氣體的擊穿電壓降低，電除塵器的除塵效率也降低。有資料介紹，溫度每升高10℃，擊穿電壓將下降3%［4］。

3.4 磷爐氣溫度對(duì)電場(chǎng)電暈電流的影響

當(dāng)磷爐氣溫度升高時(shí)，粉塵容易在收塵電極上形成反電暈現(xiàn)象，并在粉塵層的孔隙間產(chǎn)生局部擊穿，產(chǎn)生與電暈極極性相反的正離子向電暈極運(yùn)動(dòng)，然后中和電暈區(qū)帶負(fù)電的粒子。其結(jié)果是電場(chǎng)電暈電流增大、放電電壓下降，粉塵二次飛揚(yáng)嚴(yán)重，導(dǎo)致收塵性能顯著惡化。

3.5 磷爐氣溫度對(duì)除塵器結(jié)構(gòu)部件的影響

除塵器的外殼和陽(yáng)極棒、陰極絲都是由不銹鋼制成的(1Cr18Ni9Ti)，而刮灰螺旋則是由普通碳鋼制成。除塵器在450℃下使用，金屬材料因受熱會(huì)發(fā)生膨脹，其膨脹量計(jì)算公式為:

由相關(guān)數(shù)據(jù)代入(5)式計(jì)算得到:

陽(yáng)極棒變形量為20.55 mm，陰極絲變形量為55.03 mm，刮灰螺旋軸變形量為41.6 mm，刮灰螺旋外殼的變形量(300℃)為43 mm。

在磷爐生產(chǎn)過(guò)程中，由于爐內(nèi)塌料、溶池上抬等原因，進(jìn)入除塵器的磷爐氣溫度超過(guò)600℃。在檢修中發(fā)現(xiàn)，由于溫度過(guò)高，使得不銹鋼、碳鋼發(fā)生熱膨脹變形并引起以下故障:

①除塵器殼頂受熱變形大時(shí)，振打支座發(fā)生偏斜，局部縮短了陰陽(yáng)極之間的距離。

②殼體變形造成陽(yáng)極框架定位支架變形，定位銷脫開(kāi)或斷裂，極排移位。陽(yáng)極棒脫出后倒靠于陰極絲上造成陰陽(yáng)極搭接，陽(yáng)極棒積灰嚴(yán)重。

③陰極吊架變形，懸掛陰極絲重錘脫出，陰極絲彎曲變形造成短路，陰極絲積灰嚴(yán)重。

④灰耙扭斷，刮灰螺旋軸和外殼膨脹變形，造成聯(lián)軸器連接螺栓頻繁扭斷，軸承壓蓋磨穿漏磷著火，軸器難以對(duì)中等。

上述故障的發(fā)生，導(dǎo)致電除塵器失去除塵的功能，變成了磷爐氣的通道和沉淀室。

3.6 煙氣溫度對(duì)除塵器效率的影響

溫度過(guò)高會(huì)影響除塵效率，過(guò)低同樣會(huì)影響除塵器的運(yùn)行。如果進(jìn)入電除塵器的磷爐氣溫度低于露點(diǎn)溫度(180℃)，磷蒸汽會(huì)冷凝結(jié)灰，導(dǎo)致運(yùn)行電壓降低，二次電流增大，甚至使兩極間拉弧短路，高壓電源不能正常供電以及出現(xiàn)輸灰故障。

3.7 密封氮?dú)鉁囟葘?duì)除塵器的影響

熱氮風(fēng)機(jī)、電加熱器和氮?dú)夤艿赖冉M成熱氮循環(huán)系統(tǒng)并為靜電除塵器保溫夾套提供循環(huán)熱氮?dú)?。氮?dú)獾臏囟缺仨毧刂圃?00～500℃之間，以避免磷爐氣溫度因過(guò)度散失而低于露點(diǎn)溫度。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)溫度對(duì)除塵器結(jié)構(gòu)部件受熱變形以及對(duì)除塵器性能的影響，采取以下改進(jìn)措施。

1)下極排陽(yáng)極棒由倒插式改為懸掛方式，保證陽(yáng)極棒保持垂直且不會(huì)脫出，如圖4。

圖4 改后陽(yáng)極棒懸掛結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Anode rod suspension structure diagram

2)重錘懸掛扁鐵延長(zhǎng)400 mm，重錘與陰極絲固定位置由下橫梁以上改為在下橫梁下端，加固焊接點(diǎn)，如圖5。

圖5 改后陰極絲懸掛結(jié)構(gòu)Figure 5 Cathode wire suspension structure diagram

3)分別改造刮灰螺旋軸承座、聯(lián)軸器和密封裝置。改螺旋滑動(dòng)軸承座為可調(diào)心軸承座，使螺旋軸受熱膨脹時(shí)可向外延伸;靠背輪聯(lián)軸器改為“十”字滑塊聯(lián)軸器，受熱膨脹時(shí)兩靠背輪不再相抵觸;N2密封裝置改成為填料混合密封，避免磷爐氣泄漏著火。

4)調(diào)整加固振打裝置，減少磷爐氣溫度的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

靜電除塵器是大型黃磷爐磷爐氣高效凈化的重要環(huán)保設(shè)備，保證電除塵器正常運(yùn)行可大量減少泥磷量、污水中懸浮物及污水量，并提高粗磷半成品的質(zhì)量和產(chǎn)量，改善生產(chǎn)操作環(huán)境。盡管影響除塵效率的因素很多，但在除塵器設(shè)計(jì)定型投用后，影響的主要因素就是溫度控制和操作管理。因此，在黃磷生產(chǎn)過(guò)程中，要嚴(yán)格控制操作溫度(250℃ ＜磷爐氣溫度＜600℃，氮?dú)鉁囟仍陔姵龎m器出口處不低于250℃)，減少粉狀原料入爐，并控制入爐焦炭的碳粉含量小于5%。

對(duì)除塵器結(jié)構(gòu)部件采取改進(jìn)措施，并嚴(yán)格控制磷爐氣溫度后，提高了靜電除塵器的運(yùn)行周期，檢修頻率、維護(hù)費(fèi)用明顯下降，電場(chǎng)的電壓從17 kV提高到32 kV，除塵器運(yùn)行天數(shù)從11天提高到27天，黃磷收得率提高10%以上。

［1］楊洪.大型磷爐靜電除塵器除塵效率計(jì)算及分析［J］.云南電力技術(shù)，2003，3l(3):27-30.

［2］南京國(guó)電環(huán)保設(shè)備有限公司.電除塵器工作原理［R］.南京國(guó)電環(huán)保設(shè)備有限公司，2010(10)

［3］陳鵬.靜電除塵器除塵效率影響因素的研究［D］.中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù):工程科技I輯，2011(S1)

［4］蒙騮.火電廠影響電除塵器性能的主要因素［R/OL］.2016(11)