干燥塔工藝設(shè)計與操作運(yùn)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?xì)庖嗍歉稍锼亍８稍锼男阅苁芊炙岷筒細(xì)獾挠绊?，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(diǎn)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(diǎn)速度的80%左右，液泛先在上部填料中出現(xiàn)[1]。

干燥塔控水的目的不同。干燥的首要任務(wù)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(biāo)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(zhì)的量百分比與w(H2SO4)的關(guān)系見圖1。當(dāng)w(H2SO4) 為92.5% 時，硫酸物質(zhì)的量占56%；而w(H2SO4)為95%時，硫酸物質(zhì)的量則占71%；若w(H2SO4) 提高到98.5%，硫酸物質(zhì)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(shù)是w(H2SO4)92.5%硫酸的1.6 倍，而w(H2SO4)98.5%硫酸體現(xiàn)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(zhì)的量百分比與w(H2SO4)的關(guān)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(zhì)的量百分比都是很高的，在傳質(zhì)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(yīng)的H2SO4·H2O 物質(zhì)的量百分比只有8%。就液相擴(kuò)散而言，干燥的液相傳質(zhì)系數(shù)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(yuǎn)大于一水硫酸，w(H2SO4)在84.5%～98.3%，SO2在硫酸中溶解的平衡關(guān)系見式（1），溶解度與SO2分壓關(guān)系見式（2）[2]：

式中：KH——平衡常數(shù)，kPa/(g/100 g)；

C——硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

T——硫酸的溫度，K；

X——SO2溶解度(100 g硫酸溶解的SO2質(zhì)量)；

P——SO2分壓，kPa。

以大氣壓力100 kPa 為例，當(dāng)干燥塔進(jìn)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(guān)系，硫酸溫度在50，60，70 和80 ℃時，4 條函數(shù)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(guān)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(huán)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(biāo)志，國內(nèi)設(shè)定為ρ(H2O)不超過0.1 g/m3，該取值是結(jié)合礦及煙氣制酸的SO2氣體濃度、循環(huán)硫酸濃度、硫酸溫度、塔結(jié)構(gòu)及酸管材料等實(shí)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)101.3 kPa、0 ℃下，干燥塔出口氣體含水質(zhì)量濃度0.1 g/m3對應(yīng)的水分壓為12.6 Pa。在大氣壓力100 kPa、干燥塔進(jìn)口壓力-8 kPa 的條件下，干燥塔出口實(shí)際的水分壓只有11.0 Pa。若礦制酸干燥塔進(jìn)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(zhì)量濃度為0.05 g/m3，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水分壓為6.3 Pa。盡管干燥效率提高了1 倍，但對應(yīng)礦制酸的水吸收率也僅有99.92%，只是提高了0.09 個百分點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)。

4 填料高度

在0 ℃、101.3 kPa 下，水和SO3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)分別為22，10.2 mm2/s。盡管水的擴(kuò)散系數(shù)超過SO3的2 倍，但干燥仍由氣相擴(kuò)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(huán)酸濃度的關(guān)系見圖3。

圖3 填料高度與循環(huán)酸濃度的關(guān)系

硫酸中水的平衡分壓是影響干燥效率的關(guān)鍵因素，上塔酸的w(H2SO4)應(yīng)不低于94%。當(dāng)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(fēng)機(jī)布置相比，硫磺制酸塔前風(fēng)機(jī)可減少3%的填料。

對于硫磺制酸，采用塔后風(fēng)機(jī)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(huán)酸溫度的關(guān)系見圖4。

圖4 填料高度與循環(huán)酸溫度的關(guān)系

如果傳質(zhì)系數(shù)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(yīng)高于70 ℃，w(H2SO4)98%的硫酸則可達(dá)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(zhì)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(shí)，若硫酸溫度過低傳質(zhì)系數(shù)反而變小，填料高度則需增加。

與吸收塔相同，干燥塔實(shí)際填料的高度也受分酸和布?xì)獾挠绊懀瑲馑偃允顷P(guān)鍵。沒有阻力就沒有分布，填料阻力與氣速接近平方關(guān)系，而與噴淋密度僅為線性關(guān)系。循環(huán)酸高濃度、高溫度和高氣速是干燥工藝的要點(diǎn)，只有硫酸濃度高才能采用高的硫酸溫度。高溫干燥在于進(jìn)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(fā)，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(jìn)口沒有結(jié)露控制需求。即使煙氣凈化后含有少量SO3，也已呈現(xiàn)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(fā)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(fā)。但提高循環(huán)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(fā)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(huán)槽排氣接到干燥塔進(jìn)口，帶入的SO3形成酸霧的粒徑會很細(xì)，這將成為除霧器選型的關(guān)鍵。

分酸過程及硫酸在填料中流動過程產(chǎn)生的酸沫占除霧器進(jìn)口霧沫量的絕大多數(shù)，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(guān)，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(guān)鍵在于酸霧濃度，酸霧濃度降低，其腐蝕性急劇增加。循環(huán)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(yōu)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(fēng)機(jī)更應(yīng)如此。干燥效果體現(xiàn)在氣體中水分含量、酸霧量和酸霧濃度三者的有機(jī)統(tǒng)一，不僅與干燥工藝有關(guān)，還與分酸和布?xì)獾脑O(shè)備相關(guān)。

6 風(fēng)機(jī)位置

主鼓風(fēng)機(jī)可位于干燥塔后（負(fù)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(fēng)機(jī)；硫磺制酸干燥的是空氣，無SO2在硫酸中溶解，風(fēng)機(jī)位于干燥塔前和塔后皆可。另外，風(fēng)機(jī)設(shè)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(xiàn)為壓縮溫升與進(jìn)塔酸溫度的差值。

6.1 安全

一旦風(fēng)機(jī)緊急停車，此時焚硫爐溫度在1 000℃，焚硫爐進(jìn)口的空氣閥必須立即緊急關(guān)閉，否則爐熱會輻射至上游設(shè)備，塔后風(fēng)機(jī)則首當(dāng)其沖，對風(fēng)機(jī)葉輪甚至殼體都會有影響。然而該空氣閥不能及時完全關(guān)閉常有發(fā)生，如果是塔前風(fēng)機(jī)，若干燥塔循環(huán)酸泵仍在運(yùn)行則不受影響；即使是循環(huán)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(fēng)機(jī)的影響。

塔后風(fēng)機(jī)的操作控制更為復(fù)雜，尤其在安全聯(lián)鎖方面。出于安全考慮，不少裝置將風(fēng)機(jī)從干燥塔后移到塔前。礦制酸裝置改造為硫磺制酸多將風(fēng)機(jī)改為塔前。

6.2 酸霧及灰塵

對于負(fù)壓塔，在霧天或雨天干燥效果差，水除氣態(tài)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(fā)來減少霧量。硫酸的腐蝕性不僅與硫酸的溫度有關(guān)，更決定于硫酸的濃度，因此酸霧對風(fēng)機(jī)的影響是不能忽視的，而殘留的氣態(tài)水則幾乎不產(chǎn)生腐蝕。

對于正壓塔，風(fēng)機(jī)的壓縮熱會使空氣中的水霧蒸發(fā)，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(xù)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(yùn)動或慣性運(yùn)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(wǎng)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(fā)生堵塞。酸霧與灰塵結(jié)合成酸泥，對塔后風(fēng)機(jī)的危害往往大于灰塵對塔前風(fēng)機(jī)的影響。

6.3 泄漏

對于負(fù)壓塔，風(fēng)機(jī)進(jìn)口漏入的濕空氣與SO3結(jié)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(chǎn)生硫化物；葉片上的酸泥也與之有關(guān)。

6.4 能量回收

考慮到進(jìn)口氣體溫度對風(fēng)機(jī)能耗的影響，負(fù)壓塔與正壓塔的上塔酸溫度應(yīng)不同。負(fù)壓塔的進(jìn)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(jìn)口氣體溫度可超過80 ℃。兩種方式的進(jìn)塔酸溫度相差20 ℃。

在比較能量回收率時，不應(yīng)基于相同的上塔酸溫度。塔后風(fēng)機(jī)的壓縮熱帶進(jìn)了焚硫爐，但不是得到了全部的壓縮溫升，需減去進(jìn)塔酸溫度的溫差，只有風(fēng)機(jī)壓縮溫升的一半左右。當(dāng)裝置負(fù)荷降低或系統(tǒng)阻力不高時，塔后的能效優(yōu)勢又在減小。還應(yīng)從有效能的角度來分析，即塔后副產(chǎn)蒸汽增量所對應(yīng)的全凝發(fā)電量與風(fēng)機(jī)電耗增量之差，這才是真正的能量回收所得[6]。

7 運(yùn)行

正常生產(chǎn)時，保持循環(huán)酸濃度最重要，其次是循環(huán)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(yīng)該要提高硫酸濃度！

在風(fēng)機(jī)啟動前的分酸器測試或插板調(diào)節(jié)時，塔是敞開的，塔內(nèi)壓力為0。而對正壓塔，運(yùn)行后塔內(nèi)氣壓對循環(huán)酸量影響是較大的，需開大進(jìn)酸閥以保持循環(huán)酸流量[7]。

低負(fù)荷運(yùn)行時，不需要相應(yīng)降低循環(huán)酸量，但從節(jié)能角度出發(fā)，也可適當(dāng)減少，這取決于分酸器的性能以及氣體分布情況。超負(fù)荷運(yùn)行時，通常不增加循環(huán)酸量，甚至可以適當(dāng)減少循環(huán)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(jié)語

制酸原料不同，制酸系統(tǒng)對干燥效果的受益有著本質(zhì)差別，礦制酸可延展到整個制酸系統(tǒng)，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(jìn)口的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，硫磺制酸控制的是轉(zhuǎn)化器進(jìn)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(fēng)機(jī)布置更是如此。

提高循環(huán)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(huán)酸量來抵消。如果不是水平衡限制，即使需要w(H2SO4)93%的產(chǎn)品酸，采用高濃度酸循環(huán)、增加產(chǎn)品酸稀釋槽反而是更節(jié)約的干燥方式——降低系統(tǒng)的腐蝕性、延長裝置的維修周期。