新型碳纖維除霧器的應(yīng)用

吳學(xué)榮

（江蘇新宏大集團(tuán)有限公司，江蘇興化225721）

煙氣制酸和磷石膏制酸盡管是兩種不同的制酸工藝路線，但兩者的SO2氣體中都夾帶有一定量的氟并最終形成了氫氟酸。傳統(tǒng)纖維除霧器的除霧元件是主要成分為二氧化硅的棉絮狀玻璃纖維絲，可以去除煙氣中的硫酸霧，起到保護(hù)二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)、換熱器和催化劑的作用，能夠提高裝置運(yùn)行率，有效控制硫酸裝置尾氣硫酸霧的排放[1]。纖維除霧器是制酸系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的部件之一，它的失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)制酸系統(tǒng)乃至冶煉系統(tǒng)的停產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)腐蝕下游的設(shè)備。因此，纖維除霧器的合理選型對(duì)保證整個(gè)制酸系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1 纖維除霧器

1.1 工作原理

纖維除霧器通常由內(nèi)網(wǎng)籠、外網(wǎng)籠、端蓋、纖維棉、安裝法蘭及密封墊等部件組成，纖維棉被裝填到由內(nèi)、外網(wǎng)籠所組成的環(huán)狀空間內(nèi)。除霧器的主要作用機(jī)制是懸浮液滴的布朗運(yùn)動(dòng)和匯聚，其除霧效率較高[2]。傳統(tǒng)的玻璃纖維除霧器有以布朗擴(kuò)散捕集作用為主的高效型除霧器，其特征是絲徑較細(xì)、氣速低，除霧效率較高；有以慣性沖擊捕集作用為主的高速型除霧器，其特征是絲徑稍粗、氣速高，除霧效率稍低。對(duì)于直立式除霧器而言，酸霧氣體由網(wǎng)籠內(nèi)部經(jīng)纖維棉向外擴(kuò)散，在氣體透過棉層的同時(shí)被捕集到的霧滴則從棉層外表面向下流出，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。

1.2 失效形式

纖維除霧器的失效形式包括網(wǎng)籠變形、壓力降增大及氣體短路等。網(wǎng)籠變形一般是由于除霧器的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足或吊裝不當(dāng)造成的；壓力降增大主要是由于固體物堵塞、排液不暢或氣速設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的；氣體短路主要是由于密封墊泄漏或纖維棉層腐蝕造成的。

在上述幾種失效形式中，氣體短路是最容易集中爆發(fā)且最為致命的問題，后果較為嚴(yán)重。一方面，倉庫往往缺少大批量的備件，無法滿足檢修時(shí)效性的需要；另一方面，纖維棉層發(fā)生氣體短路后會(huì)直接造成尾氣排放超標(biāo)，導(dǎo)致制酸系統(tǒng)停車，嚴(yán)重時(shí)還有可能威脅到前段冶煉系統(tǒng)的正常運(yùn)行。云南某飼鈣廠磷石膏制酸裝置中纖維除霧器的腐蝕情況見圖1。

圖1 磷石膏制酸裝置中纖維除霧器腐蝕情況

2 玻璃纖維除霧器失效原因分析及應(yīng)對(duì)措施

2.1 失效原因分析

由圖1可以看出，該飼鈣廠磷石膏制酸裝置的多個(gè)除霧器及同一除霧器的不同部位均出現(xiàn)了纖維棉層穿孔現(xiàn)象，在排除掉氣速設(shè)計(jì)不合理等因素后，筆者分別對(duì)干燥塔、一吸塔和二吸塔的循環(huán)硫酸進(jìn)行了取樣分析，其檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 干吸塔循環(huán)硫酸檢測(cè)結(jié)果

由表1可知：干吸塔循環(huán)硫酸的濃度均控制在正常范圍內(nèi)，氯的含量較低可以忽略不計(jì)，但干燥塔、一吸塔和二吸塔硫酸的氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá)0.008%，0.009%，0.010%。對(duì)此，筆者在咨詢相關(guān)的玻璃纖維供應(yīng)商后得知，在選用玻璃纖維時(shí)循環(huán)硫酸中的w(F-)應(yīng)控制在0.000 5%以下。由此可見，循環(huán)硫酸中的氟含量過高是造成玻璃纖維除霧器腐蝕穿孔的主要因素。

2.2 應(yīng)對(duì)措施

煙氣制酸中的氟主要來源于含氟礦石的冶煉，磷石膏制酸的氟主要來源于含氟磷石膏的焚燒。磷石膏中的氟來源于磷礦石，以水溶性氟（NaF）和難溶性氟（CaF2、NaSiF6）兩種形式存在，硫酸分解磷礦時(shí)有20%～40%的氟進(jìn)入磷石膏中[3]。這些氟在制酸系統(tǒng)中最終會(huì)形成氫氟酸，氫氟酸與玻璃纖維中的二氧化硅易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而腐蝕纖維棉層。由此可見，盡可能地降低循環(huán)酸中的氟含量對(duì)于減少玻璃纖維的腐蝕是十分有益的。

為減少纖維除霧器的腐蝕，可從源頭上控制氟的夾帶量或者提高纖維棉的適應(yīng)性等方面入手。幾種常見應(yīng)對(duì)措施優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 常見應(yīng)對(duì)措施優(yōu)缺點(diǎn)

由表2可知：強(qiáng)化煙氣洗滌的方法具有見效慢、污水量多的缺點(diǎn)；提高電除霧裝置的捕集效率雖然見效快，但投資大，后期運(yùn)行成本高；磷石膏脫氟預(yù)處理方法存在工藝流程長(zhǎng)、費(fèi)用高、能耗高等諸多缺點(diǎn)；相比而言，提高纖維棉的適應(yīng)性是一種既經(jīng)濟(jì)又可行的做法，且對(duì)除霧器的下游設(shè)備能起到一定的保護(hù)作用，故此方法值得優(yōu)先考慮。

3 碳纖維除霧器

與玻璃纖維除霧器結(jié)構(gòu)類似，碳纖維除霧器同樣由內(nèi)網(wǎng)籠、外網(wǎng)籠、端蓋、纖維棉、安裝法蘭及密封墊等組成。碳纖維除霧器采用棉絮狀碳纖維短絲、碳纖維毛氈作內(nèi)外網(wǎng)籠的裝填材料，碳纖維中的碳含量超過90%。由于碳元素的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，碳纖維在常見的有機(jī)溶劑、酸或堿中均不溶不脹，耐腐蝕性能優(yōu)異，因此碳纖維對(duì)含有氫氟酸工況的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。碳纖維除霧器按照裝填方式，分為填充式和纏繞式；按照生產(chǎn)成本高低，分為普通型和經(jīng)濟(jì)型；按照除霧效率高低，分為高效型和高速型；按照安裝方式，分為直立式和懸吊式。

針對(duì)不同氟含量工況條件下的硫酸裝置，江蘇新宏大集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱新宏大）先后研制出4種不同的碳纖維除霧器產(chǎn)品，具體見表3。

表3 碳纖維除霧器產(chǎn)品分類

在不同的氟含量工況條件下，纖維除霧器的選用建議如下：

1）循環(huán)硫酸中w(F-)在0～0.001%，且對(duì)使用壽命期望值不高時(shí)，建議選用傳統(tǒng)玻璃纖維除霧器。

2）循環(huán)硫酸中w(F-)在0.001%～0.002%，且對(duì)使用壽命期望值不高時(shí)，建議選用經(jīng)濟(jì)型碳纖維除霧器。

3）循環(huán)硫酸中w(F-)在0.001%～0.002%，且對(duì)使用壽命期望值較高時(shí)，建議選用標(biāo)準(zhǔn)型碳纖維除霧器。

4）循環(huán)硫酸中w(F-)≥0.002%時(shí)，建議優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)型碳纖維除霧器。

圖2為新宏大研制的新型碳纖維除霧器。

圖2 新型碳纖維除霧器

4 應(yīng)用實(shí)踐

云南某飼鈣廠磷石膏制酸裝置玻璃纖維除霧器在使用25天后便出現(xiàn)了纖維棉層大面積腐蝕并造成了氣體短路現(xiàn)象。經(jīng)取樣分析，干吸塔循環(huán)硫酸中的w(F-)在0.008%以上。2021年1月，該飼鈣廠將一吸塔和二吸塔的玻璃纖維除霧器分別替換為新宏大C01、C02型碳纖維除霧器。該碳纖維除霧器自安裝投用以來，運(yùn)行較穩(wěn)定，干吸塔主要運(yùn)行指標(biāo)正常。2022年2月制酸系統(tǒng)有過一次停車檢修，技術(shù)人員對(duì)使用后的碳纖維除霧器進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)碳纖維棉層有明顯的腐蝕及下沉現(xiàn)象。除霧器濕重、壓力降、除霧效率等指標(biāo)均在正常的使用范圍內(nèi)。由此可見，在保證同等除霧效果的前提下，碳纖維除霧器相對(duì)于傳統(tǒng)玻璃纖維除霧器有著更加出色的耐氫氟酸腐蝕性能。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)硫鐵礦、硫黃制酸工藝不同，煙氣制酸和磷石膏制酸裝置中都會(huì)夾帶一定量的氟。在國(guó)家大力提倡磷石膏減排的大背景下，磷石膏制酸聯(lián)產(chǎn)水泥技術(shù)正在推廣應(yīng)用中。磷石膏中含有一定量的水溶性氟和難溶性氟，在脫氟工序缺失、洗滌或電除霧效果出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，被帶入制酸系統(tǒng)中的氟會(huì)形成氫氟酸，玻璃纖維與氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)易產(chǎn)生腐蝕及穿孔現(xiàn)象。此時(shí)酸霧氣體會(huì)出現(xiàn)短路，造成尾氣排放超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)制酸裝置停產(chǎn)。為解決上述問題，新宏大成功研制出碳纖維除霧器，該新型除霧器采用棉絮狀碳纖維短絲、碳纖維毛氈作內(nèi)外網(wǎng)籠的裝填材料，其中碳纖維的碳含量超過90%。從云南某飼鈣廠碳纖維除霧器的使用效果來看，在保證同等除霧效果的前提下，碳纖維除霧器相對(duì)于傳統(tǒng)的玻璃纖維除霧器具有更加出色的耐氫氟酸腐蝕性能。碳纖維除霧器尤其適用于煙氣制酸、磷石膏制酸等氟含量偏高的硫酸裝置，可作為傳統(tǒng)玻璃纖維除霧器的升級(jí)換代產(chǎn)品，前景廣闊。