干燥塔工藝設計與操作運行

丁 華

（興化宏偉科技有限公司，江蘇泰州225715）

干燥也是吸收，是水的吸收。氣體干燥塔就是水分吸收塔，控水、分酸、布氣亦是干燥塔三要素。干燥塔的性能受分酸和布氣的影響，分酸器決定了分酸的均勻性，酸分布、填料及填料支撐均影響氣體分布。與吸收塔相同，干燥塔泛點氣速隨噴淋密度降低而減小、隨硫酸溫度升高而增大，最佳操作氣速是泛點速度的80%左右，液泛先在上部填料中出現[1]。

干燥塔控水的目的不同。干燥的首要任務是降低出塔氣體中水分，其次是減少酸霧中的水，而酸霧中的硫酸濃度亦成為控水目標之一。

1 硫酸的吸水性

w(H2SO4) 在84.5%～100% 的 硫 酸 可 看 成 是一水硫酸（H2SO4·H2O）與硫酸(H2SO4)的二元混合物，硫酸物質的量百分比與w(H2SO4)的關系見圖1。當w(H2SO4) 為92.5% 時，硫酸物質的量占56%；而w(H2SO4)為95%時，硫酸物質的量則占71%；若w(H2SO4) 提高到98.5%，硫酸物質的量占92%。相對于H2SO4，H2SO4·H2O的吸水性可以忽略，w(H2SO4)98.5% 硫酸中的硫酸分子數是w(H2SO4)92.5%硫酸的1.6 倍，而w(H2SO4)98.5%硫酸體現的氣相總水的平衡分壓只是w(H2SO4)92.5% 硫酸的1/20，可見H2SO4在液相中抵御H2SO4·H2O 的牽制作用被放大了10 多倍。

圖1 硫酸物質的量百分比與w(H2SO4)的關系

H2SO4吸 水 后 生 成H2SO4·H2O， 無 論 是w(H2SO4)93%硫酸還是w(H2SO4)98%硫酸，其硫酸物質的量百分比都是很高的，在傳質膜中變化很小。而對于SO3則正好相反，H2SO4·H2O 吸收SO3變成硫酸，w(H2SO4)98.5%硫酸對應的H2SO4·H2O 物質的量百分比只有8%。就液相擴散而言，干燥的液相傳質系數會大于SO3吸收。

2 SO2 在硫酸中的溶解度

一水硫酸與硫酸都能溶解SO2，但硫酸的溶解能力遠大于一水硫酸，w(H2SO4)在84.5%～98.3%，SO2在硫酸中溶解的平衡關系見式（1），溶解度與SO2分壓關系見式（2）[2]：

式中：KH——平衡常數，kPa/(g/100 g)；

C——硫酸的質量分數，%；

T——硫酸的溫度，K；

X——SO2溶解度(100 g硫酸溶解的SO2質量)；

P——SO2分壓，kPa。

以大氣壓力100 kPa 為例，當干燥塔進口φ(SO2)為9%、操作壓力-8 kPa 的條件下，SO2在硫酸中的溶解度見圖2。

SO2在硫酸中的溶解度隨硫酸濃度的增加而增大，隨硫酸溫度的升高而減小。由圖2 可知：w(H2SO4)在92%～98%，SO2的溶解度與硫酸濃度接近線性關系，硫酸溫度在50，60，70 和80 ℃時，4 條函數線基本平行。w(H2SO4)每增加1%，100 g硫酸中SO2的溶解度約增加10 mg，而硫酸溫度每升高1 ℃，SO2的溶解度平均減少22 mg，w(H2SO4)降低1%引起SO2溶解度的減量等同于硫酸溫度提高0.45 ℃。因此減少SO2在硫酸中的溶解，關鍵在于提高硫酸溫度而非降低硫酸濃度，“高溫干燥”效果更好。

硫酸濃度升高，串酸量增加。對于礦制酸脫吸塔的體積也增大，但仍是利大于弊，可通過減少循環酸量來抵消該增量。對于硫磺制酸，干燥的是空氣，沒有SO2溶解，則可采用全串酸（交叉串酸）或完全混合工藝[3]。

圖2 SO2在硫酸中的溶解度

3 干燥效率

干燥塔出口氣體的水分含量是干燥效率的標志，國內設定為ρ(H2O)不超過0.1 g/m3，該取值是結合礦及煙氣制酸的SO2氣體濃度、循環硫酸濃度、硫酸溫度、塔結構及酸管材料等實際情況，以及w(H2SO4)93%的硫酸對鑄鐵及碳鋼的耐腐蝕性得到的。

在標準狀態101.3 kPa、0 ℃下，干燥塔出口氣體含水質量濃度0.1 g/m3對應的水分壓為12.6 Pa。在大氣壓力100 kPa、干燥塔進口壓力-8 kPa 的條件下，干燥塔出口實際的水分壓只有11.0 Pa。若礦制酸干燥塔進口的氣體含38 ℃飽和水，則水的吸收率為99.83%；而對于硫磺制酸，空氣的溫度30 ℃、濕度80%，水的吸收率只有99.64%。

國際上有的要求干燥塔出口氣體水分質量濃度為0.05 g/m3，對應標準狀態下的水分壓為6.3 Pa。盡管干燥效率提高了1 倍，但對應礦制酸的水吸收率也僅有99.92%，只是提高了0.09 個百分點，硫磺制酸的水吸收率也只有99.82%。由此可見，相對于吸收塔中SO3的99.99%吸收率，干燥塔中干燥效率更易實現。

4 填料高度

在0 ℃、101.3 kPa 下，水和SO3在空氣中的擴散系數分別為22，10.2 mm2/s。盡管水的擴散系數超過SO3的2 倍，但干燥仍由氣相擴散控制。在大氣壓力100 kPa、上塔硫酸溫度60 ℃時，理論填料高度與循環酸濃度的關系見圖3。

圖3 填料高度與循環酸濃度的關系

硫酸中水的平衡分壓是影響干燥效率的關鍵因素，上塔酸的w(H2SO4)應不低于94%。當w(H2SO4)高于94%后，水分壓接近零，所需的填料高度幾乎不再隨硫酸濃度的升高而降低。干燥塔出口氣體中ρ(H2O)從0.1 g/m3提高到0.05 g/m3，填料高度需增加13%；在相同的干燥效率下，硫磺制酸比礦制酸可降低約20%的填料高度；與塔后風機布置相比，硫磺制酸塔前風機可減少3%的填料。

對于硫磺制酸，采用塔后風機布置，干燥后氣體中ρ(H2O)為0.1 g/m3時，理論填料高度與循環酸溫度的關系見圖4。

圖4 填料高度與循環酸溫度的關系

如果傳質系數不變，上塔酸溫度升高，所需的填料高度將會增加，w(H2SO4)94%的硫酸溫度不應高于70 ℃，w(H2SO4)98%的硫酸則可達90 ℃。對于w(H2SO4)93%的硫酸，硫酸溫度升高對填料高度的影響很大，超過65 ℃后填料高度快速增加。硫酸的質量濃度高于94%、溫度在60 ℃以下時，溫度下降基本不影響填料高度。其實，若硫酸溫度過低傳質系數反而變小，填料高度則需增加。

與吸收塔相同，干燥塔實際填料的高度也受分酸和布氣的影響，氣速仍是關鍵。沒有阻力就沒有分布，填料阻力與氣速接近平方關系，而與噴淋密度僅為線性關系。循環酸高濃度、高溫度和高氣速是干燥工藝的要點，只有硫酸濃度高才能采用高的硫酸溫度。高溫干燥在于進塔酸溫度高，而不是出塔酸溫度高，可通過改變噴淋密度來減少硫酸溫升或增加硫酸濃度差。噴淋密度降低，出塔酸濃度隨之降低，可減少硫酸中SO3的蒸發，對用w(H2SO4)98%硫酸干燥更有益。

5 酸霧及酸沫

與吸收塔不同，干燥塔進口沒有結露控制需求。即使煙氣凈化后含有少量SO3，也已呈現為酸霧，且是硫酸濃度很低的稀酸霧粒。霧粒越小越難碰撞到液膜表面，只能靠沿填料間上升的途中蒸發掉，成了干燥效率的控制步驟[4]，無論凈化工序有無電除霧器皆如此。降低填料高度減少了氣體停留的時間，不利于霧粒蒸發。但提高循環酸溫度、增加氣速及采用多曲填料，會使傳熱速率隨之增加，同時加快霧粒的蒸發速度，這更有利于減少霧量、提高硫酸霧濃度。如果將吸收循環槽排氣接到干燥塔進口，帶入的SO3形成酸霧的粒徑會很細，這將成為除霧器選型的關鍵。

分酸過程及硫酸在填料中流動過程產生的酸沫占除霧器進口霧沫量的絕大多數，粒徑較大，容易除去，沫量及粒徑與分酸器的型式及性能相關，所以分酸器的選型對干燥塔非常重要[5]。

干燥效果是干燥效率和酸霧中水之和，但這兩者僅指水分的量，更關鍵在于酸霧濃度，酸霧濃度降低，其腐蝕性急劇增加。循環酸濃度增加后，在干燥效率提高的同時酸霧量會增加，控水的優化方向是：降低氣體和酸霧含水量的同時提高酸霧濃度，特別對塔前風機更應如此。干燥效果體現在氣體中水分含量、酸霧量和酸霧濃度三者的有機統一，不僅與干燥工藝有關，還與分酸和布氣的設備相關。

6 風機位置

主鼓風機可位于干燥塔后（負壓塔），亦可位于干燥塔前（正壓塔），為裝備因素而非工藝需求。礦及冶煉煙氣制酸，由于原料氣中含有低濃度的酸霧，不得不采用塔后風機；硫磺制酸干燥的是空氣，無SO2在硫酸中溶解，風機位于干燥塔前和塔后皆可。另外，風機設于干燥塔前更安全，不會受到酸霧的侵害，而且壓縮熱并不是全部損失掉，表現為壓縮溫升與進塔酸溫度的差值。

6.1 安全

一旦風機緊急停車，此時焚硫爐溫度在1 000℃，焚硫爐進口的空氣閥必須立即緊急關閉，否則爐熱會輻射至上游設備，塔后風機則首當其沖，對風機葉輪甚至殼體都會有影響。然而該空氣閥不能及時完全關閉常有發生，如果是塔前風機，若干燥塔循環酸泵仍在運行則不受影響；即使是循環泵同時停止，填料的濕潤及較大的比熱容會緩和甚至消除爐熱對風機的影響。

塔后風機的操作控制更為復雜，尤其在安全聯鎖方面。出于安全考慮，不少裝置將風機從干燥塔后移到塔前。礦制酸裝置改造為硫磺制酸多將風機改為塔前。

6.2 酸霧及灰塵

對于負壓塔，在霧天或雨天干燥效果差，水除氣態外，還在空氣中呈水霧狀，與煙氣凈化后的酸霧一樣，需靠蒸發來減少霧量。硫酸的腐蝕性不僅與硫酸的溫度有關，更決定于硫酸的濃度，因此酸霧對風機的影響是不能忽視的，而殘留的氣態水則幾乎不產生腐蝕。

對于正壓塔，風機的壓縮熱會使空氣中的水霧蒸發，水霧減少了氣體干燥就容易得多，所以干燥效果幾乎不受天氣影響。

填料塔中，氣體是連續相，酸在填料塔表面成液膜。水分以分壓差為推動力，而灰塵是沒有推動力的，只做布朗運動或慣性運動，撞上液面的概率很小，所以填料基本起不到除塵的效果。除霧器可將灰塵攔截，其除塵效率取決于除霧器的型式，金屬絲網除霧器除塵效率低但阻力上升慢，燭式除霧器除塵效率高但容易發生堵塞。酸霧與灰塵結合成酸泥，對塔后風機的危害往往大于灰塵對塔前風機的影響。

6.3 泄漏

對于負壓塔，風機進口漏入的濕空氣與SO3結合變成酸霧，特別是在霧天或雨天，酸霧的硫酸濃度很低，會直接腐蝕碳鋼甚至不銹鋼，產生硫化物；葉片上的酸泥也與之有關。

6.4 能量回收

考慮到進口氣體溫度對風機能耗的影響，負壓塔與正壓塔的上塔酸溫度應不同。負壓塔的進口氣體溫度通常在60 ℃左右；而正壓塔，如果是w(H2SO4)98%的硫酸，進口氣體溫度可超過80 ℃。兩種方式的進塔酸溫度相差20 ℃。

在比較能量回收率時，不應基于相同的上塔酸溫度。塔后風機的壓縮熱帶進了焚硫爐，但不是得到了全部的壓縮溫升，需減去進塔酸溫度的溫差，只有風機壓縮溫升的一半左右。當裝置負荷降低或系統阻力不高時，塔后的能效優勢又在減小。還應從有效能的角度來分析，即塔后副產蒸汽增量所對應的全凝發電量與風機電耗增量之差，這才是真正的能量回收所得[6]。

7 運行

正常生產時，保持循環酸濃度最重要，其次是循環酸量。上塔酸溫度可能隨大氣的溫度和濕度而變化，但是硫酸溫升很重要，溫升過大伴隨著濃度差增大，“高溫低濃”對下塔酸管路的腐蝕不容忽視，特別是在w(H2SO4)低于94%的時候。減小腐蝕性不僅要降低硫酸溫度，更應該要提高硫酸濃度！

在風機啟動前的分酸器測試或插板調節時，塔是敞開的，塔內壓力為0。而對正壓塔，運行后塔內氣壓對循環酸量影響是較大的，需開大進酸閥以保持循環酸流量[7]。

低負荷運行時，不需要相應降低循環酸量，但從節能角度出發，也可適當減少，這取決于分酸器的性能以及氣體分布情況。超負荷運行時，通常不增加循環酸量，甚至可以適當減少循環酸量以降低填料阻力，此時一定要注意保持硫酸濃度，特別是出塔酸的濃度。

8 結語

制酸原料不同，制酸系統對干燥效果的受益有著本質差別，礦制酸可延展到整個制酸系統，而硫磺制酸則可能完全沒有。焚硫爐出口氣體中ρ(H2O)在1 g/m3量級，是焚硫爐進口的數倍甚至數十倍，硫磺制酸控制的是轉化器進口氣體的水分，過分地追求干燥效果往往沒有意義，特別對塔前風機布置更是如此。

提高循環酸濃度是有益的。對于礦制酸，干燥酸濃度提高增加了串酸量，可通過減少循環酸量來抵消。如果不是水平衡限制，即使需要w(H2SO4)93%的產品酸，采用高濃度酸循環、增加產品酸稀釋槽反而是更節約的干燥方式——降低系統的腐蝕性、延長裝置的維修周期。