新型碳纖維除霧器的應用

吳學榮

（江蘇新宏大集團有限公司，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，起到保護二氧化硫鼓風機、換熱器和催化劑的作用，能夠提高裝置運行率，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中較為關鍵的部件之一，它的失效會導致整個制酸系統乃至冶煉系統的停產，嚴重時還會腐蝕下游的設備。因此，纖維除霧器的合理選型對保證整個制酸系統長期穩定運行至關重要。

1 纖維除霧器

1.1 工作原理

纖維除霧器通常由內網籠、外網籠、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、外網籠所組成的環狀空間內。除霧器的主要作用機制是懸浮液滴的布朗運動和匯聚，其除霧效率較高[2]。傳統的玻璃纖維除霧器有以布朗擴散捕集作用為主的高效型除霧器，其特征是絲徑較細、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。對于直立式除霧器而言，酸霧氣體由網籠內部經纖維棉向外擴散，在氣體透過棉層的同時被捕集到的霧滴則從棉層外表面向下流出，從而實現氣液分離。

1.2 失效形式

纖維除霧器的失效形式包括網籠變形、壓力降增大及氣體短路等。網籠變形一般是由于除霧器的機械強度設計不足或吊裝不當造成的；壓力降增大主要是由于固體物堵塞、排液不暢或氣速設計不當引起的；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且最為致命的問題，后果較為嚴重。一方面，倉庫往往缺少大批量的備件，無法滿足檢修時效性的需要；另一方面，纖維棉層發生氣體短路后會直接造成尾氣排放超標，導致制酸系統停車，嚴重時還有可能威脅到前段冶煉系統的正常運行。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對措施

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除霧器及同一除霧器的不同部位均出現了纖維棉層穿孔現象，在排除掉氣速設計不合理等因素后，筆者分別對干燥塔、一吸塔和二吸塔的循環硫酸進行了取樣分析，其檢測結果見表1。

表1 干吸塔循環硫酸檢測結果

由表1可知：干吸塔循環硫酸的濃度均控制在正常范圍內，氯的含量較低可以忽略不計，但干燥塔、一吸塔和二吸塔硫酸的氟質量分數分別高達0.008%，0.009%，0.010%。對此，筆者在咨詢相關的玻璃纖維供應商后得知，在選用玻璃纖維時循環硫酸中的w(F-)應控制在0.000 5%以下。由此可見，循環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 應對措施

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，硫酸分解磷礦時有20%～40%的氟進入磷石膏中[3]。這些氟在制酸系統中最終會形成氫氟酸，氫氟酸與玻璃纖維中的二氧化硅易發生化學反應從而腐蝕纖維棉層。由此可見，盡可能地降低循環酸中的氟含量對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性等方面入手。幾種常見應對措施優缺點見表2。

表2 常見應對措施優缺點

由表2可知：強化煙氣洗滌的方法具有見效慢、污水量多的缺點；提高電除霧裝置的捕集效率雖然見效快，但投資大，后期運行成本高；磷石膏脫氟預處理方法存在工藝流程長、費用高、能耗高等諸多缺點；相比而言，提高纖維棉的適應性是一種既經濟又可行的做法，且對除霧器的下游設備能起到一定的保護作用，故此方法值得優先考慮。

3 碳纖維除霧器

與玻璃纖維除霧器結構類似，碳纖維除霧器同樣由內網籠、外網籠、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、碳纖維毛氈作內外網籠的裝填材料，碳纖維中的碳含量超過90%。由于碳元素的化學性質極為穩定，碳纖維在常見的有機溶劑、酸或堿中均不溶不脹，耐腐蝕性能優異，因此碳纖維對含有氫氟酸工況的適應性大大增強。碳纖維除霧器按照裝填方式，分為填充式和纏繞式；按照生產成本高低，分為普通型和經濟型；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。

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

表3 碳纖維除霧器產品分類

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

2）循環硫酸中w(F-)在0.001%～0.002%，且對使用壽命期望值不高時，建議選用經濟型碳纖維除霧器。

3）循環硫酸中w(F-)在0.001%～0.002%，且對使用壽命期望值較高時，建議選用標準型碳纖維除霧器。

4）循環硫酸中w(F-)≥0.002%時，建議優先選用標準型碳纖維除霧器。

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 應用實踐

云南某飼鈣廠磷石膏制酸裝置玻璃纖維除霧器在使用25天后便出現了纖維棉層大面積腐蝕并造成了氣體短路現象。經取樣分析，干吸塔循環硫酸中的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，運行較穩定，干吸塔主要運行指標正常。2022年2月制酸系統有過一次停車檢修，技術人員對使用后的碳纖維除霧器進行了檢查，未發現碳纖維棉層有明顯的腐蝕及下沉現象。除霧器濕重、壓力降、除霧效率等指標均在正常的使用范圍內。由此可見，在保證同等除霧效果的前提下，碳纖維除霧器相對于傳統玻璃纖維除霧器有著更加出色的耐氫氟酸腐蝕性能。

5 結語

與傳統硫鐵礦、硫黃制酸工藝不同，煙氣制酸和磷石膏制酸裝置中都會夾帶一定量的氟。在國家大力提倡磷石膏減排的大背景下，磷石膏制酸聯產水泥技術正在推廣應用中。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波動時，被帶入制酸系統中的氟會形成氫氟酸，玻璃纖維與氫氟酸發生化學反應易產生腐蝕及穿孔現象。此時酸霧氣體會出現短路，造成尾氣排放超標，嚴重時還會導致整個制酸裝置停產。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、碳纖維毛氈作內外網籠的裝填材料，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，碳纖維除霧器相對于傳統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，可作為傳統玻璃纖維除霧器的升級換代產品，前景廣闊。