云錫銅冶煉制酸一吸塔新型碳纖維除霧器應用實踐

李成學 王立平

(云錫股份有限公司銅業(yè)分公司， 云南 蒙自 661019)

0 前言

云錫銅冶煉項目于2012年3月建成投產(chǎn)，設計產(chǎn)能為電解銅10萬t/a、硫酸44萬t/a。主工藝流程采用世界領先的“頂吹熔煉- 頂吹吹煉- 陽極爐精煉- 永久不銹鋼陰極電解精煉工藝”，配套的煙氣制酸系統(tǒng)采用一級高效洗滌器- 氣體冷卻塔- 二級高效洗滌器- 兩級電除霧器稀酸洗滌凈化，“3+2”兩轉(zhuǎn)兩吸(Ⅲ、Ⅰ～Ⅴ、Ⅳ、Ⅱ)換熱工藝流程。

制酸裝置的一吸塔和二吸塔除霧器選用非常關(guān)鍵。在煙氣制酸生產(chǎn)過程中，除霧器可以起到保護SO2風機、換熱器和催化劑的作用，能夠延長催化劑篩分周期，提高裝置運行率，有效控制裝置尾氣中酸霧的排放。項目初期，一吸塔采用了玻璃纖維除霧器，二吸塔采用金屬絲網(wǎng)玻璃纖維除霧器，使用效果不太理想。

本文分析了玻璃纖維除霧器存在的問題，介紹了一吸塔新型碳纖維除霧器的應用實踐，以供同行參考。

1 酸霧形成機理及危害

1.1 酸霧形成機理

在一定氣壓下，含可凝組分的氣體混合物被冷卻到一定溫度后達到氣液兩相平衡的臨界狀態(tài)，可凝組分在氣相中達到飽和而凝結(jié)成液體，稱此時煙氣達到露點，此時的溫度稱為露點或露點溫度[1]。

煙氣制酸過程中，煙氣除含有一定量的水蒸氣外，還含有少量SO3。在相同氣壓下，其露點要高于含同樣組分但不含SO3的空氣的露點。當煙氣溫度因換熱或其他原因降至露點以下時，煙氣中的水蒸氣開始凝結(jié)，SO3也同時凝結(jié)，形成細小的硫酸液滴，即酸霧。另外，煙氣制酸生產(chǎn)過程中,氣液兩相多次充分接觸，因機械力作用也可能使部分液體分散到煙氣中形成酸霧。在一定的溫度和壓力下，氣相中的SO3和蒸汽也可能發(fā)生化學反應形成酸霧。

通常由機械力作用形成的酸霧粒徑比較大, 很容易通過纖維除霧器或絲網(wǎng)除沫器除去；而由冷凝或化學反應形成的酸霧粒徑較小，一般的纖維除霧器難以全部有效除去。酸霧的存在會導致設備腐蝕、成品酸質(zhì)量下降、換熱器堵塞、催化劑失效、儀器儀表損壞等問題，嚴重影響制酸系統(tǒng)正常生產(chǎn)，當其排放到大氣中時又會造成環(huán)境污染。

1.2 酸霧的危害

1) 腐蝕。制酸裝置干燥塔和一吸塔帶出的酸霧會造成后續(xù)設備嚴重腐蝕。項目投產(chǎn)后短期內(nèi)，Ⅲ換熱器、Ⅴ換熱器、管道等均被冷凝酸霧腐蝕，被迫停產(chǎn)檢修處理。

2) 污染。酸霧是制酸裝置主要污染源之一, 酸霧的控制與工藝操作有一定的關(guān)系，吸收酸溫度、濃度、噴淋量、進口煙氣溫度、氣體短路或旁路等因素均會影響煙氣中酸霧含量。作為煙氣除霧的關(guān)鍵元器件, 一吸塔和二吸塔除霧器的性能直接關(guān)系到制酸尾氣酸霧排放指標是否達標。《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標準》(GB 25466—2010)、《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標準》(GB 25467—2010)、《硫酸工業(yè)污染物排放標準》(GB 26132—2010)等國家相關(guān)標準對制酸尾氣酸霧排放指標提出更為嚴格的要求,分別為不得超過20 mg/Nm3、40 mg/Nm3、45 mg/Nm3，云錫銅業(yè)分公司對尾氣污染排放執(zhí)行更高的標準。

3)危害SO2風機。SO2風機是制酸裝置最關(guān)鍵的動力設備。本項目的SO2風機設置在干燥塔之后,干燥塔采用絲網(wǎng)除霧器，煙氣中夾帶的酸霧和煙塵對SO2風機葉輪的腐蝕和磨損會使葉輪失去平衡，導致風機振動加劇。項目投產(chǎn)不久，SO2風機即出現(xiàn)振動加劇的情況，經(jīng)常被迫停車沖洗處理，對正常生產(chǎn)影響較大。

從上面的論述可以看出,酸霧已成為制酸裝置腐蝕和環(huán)境污染的重要原因。煙氣制酸生產(chǎn)運行過程中，要嚴格控制工藝操作指標，減少酸霧的產(chǎn)生；同時使用耐腐蝕、高強度、長壽命、高效率的除霧器，盡可能提高除霧效率[2]。

2 除霧器工作原理

在制酸裝置中，除霧器是依靠懸浮液滴運動形成的慣性碰撞、攔截及布朗運動等共同作用來去除酸霧。整個除霧過程是床層纖維不斷被潤濕和干燥的過程，即液滴在纖維表面黏附、破裂、聚并、脫離的過程。

當煙氣流動接近纖維除霧器時，氣流擴散，繞著床層纖維流動。由于慣性及纖維的阻擋，粒徑5～10 μm的酸霧離開氣流，直接撞擊纖維表面。根據(jù)流體力學，繞過床層纖維的酸霧會加速移動，慣性力增大，因此即使是粒徑稍小一些的液滴，也會與其他纖維發(fā)生二次碰撞。該除霧機理的效率會隨煙氣流速的增加而提高。粒徑小于1 μm的液滴由于慣性較小，只能繼續(xù)跟隨氣流移動。這些液滴通過纖維之間的小縫隙時，會連同逃逸的較大液滴一同被攔截。粒徑1 μm以下的液滴，因質(zhì)量過小，在氣體分子作用下作隨機布朗運動。這種隨機運動增大了液滴與纖維碰撞的可能性。纖維除霧器的床層纖維之間的不規(guī)則通道，給了這些微小液滴足夠長的停留時間，又提供了足夠多的碰撞靶，從而有效提高了布朗擴散機理的除霧效率[3]。

3 一吸塔技術(shù)參數(shù)及存在問題

3.1 一吸塔及纖維除霧器技術(shù)參數(shù)

本項目煙氣制酸系統(tǒng)的原料是從銅冶煉熔煉爐、吹煉爐和沉降電爐匯集而來的SO2煙氣，其中一吸塔為內(nèi)裝耐酸瓷環(huán)的填料塔，由鋼外殼、內(nèi)襯耐酸磚體、填料支承裝置、瓷環(huán)填料、分酸裝置、塔頂纖維除霧器等組成，一吸塔頂部設置ES懸掛式纖維除霧器33支，設計出口酸霧含量不超過40 mg/Nm3。

一吸塔技術(shù)參數(shù)見表1，一吸塔內(nèi)纖維除霧器技術(shù)參數(shù)見表2。

3.2 一吸塔原纖維除霧器存在問題

項目投產(chǎn)初期，一吸塔使用了某進口品牌的ES懸掛式纖維除霧器，其耐腐蝕性差，強度較低，易穿濾，使用壽命較短，項目投產(chǎn)8個多月后即出現(xiàn)腐蝕穿濾情況(圖1)。后改用國產(chǎn)某品牌B14玻璃纖維除霧器，使用情況同樣不佳。2012年3月至2015年12月期間，纖維除霧器故障導致了制酸裝置Ⅲ換熱器、Ⅴ換熱器、管道等腐蝕損壞，以及催化劑多次篩分、更換等一系列問題，經(jīng)常被迫停產(chǎn)檢修處理，運行率較低，直接影響了冶煉系統(tǒng)的生產(chǎn)和成本。

表1 一吸塔技術(shù)參數(shù)

表2 一吸塔內(nèi)纖維除霧器技術(shù)參數(shù)

圖1 纖維除霧器腐蝕穿濾

經(jīng)過分析和研究，確認腐蝕是纖維除霧器穿濾的最主要原因。由于本項目銅精礦成分復雜、氟含量超標，煙氣凈化工序未能有效除去氟、砷等雜質(zhì)，進入轉(zhuǎn)化、干吸制酸工序的煙氣含氟量較高，氟與玻璃纖維中的硅元素發(fā)生化學反應，從而導致纖維除霧器腐蝕。

結(jié)合銅冶煉制酸行業(yè)除霧器材料選用經(jīng)驗，項目更換了某進口品牌的雙層玻璃纖維除霧器，纖維除霧器使用情況有所改善，使用壽命延長至一年左右，但仍未完全解決上述問題。

4 新型碳纖維除霧器的應用

碳纖維是一種含碳量在95%以上的新型纖維材料，質(zhì)量雖比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，具有高硬度、高強度、重量輕、化學性能好、耐高溫等特性。碳纖維既具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟、可加工性，是新一代增強纖維，廣泛應用于航空航天、軍事、工業(yè)等領域。

碳纖維由聚丙烯腈纖維、瀝青纖維在上千攝氏度的溫度下經(jīng)預氧化、碳化、石墨化形成類似石墨晶體的微晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)本身就具有極強的耐介質(zhì)腐蝕性。碳纖維是一種非金屬材料，電化學活性不高，因此在一些酸堿鹽中，其彈性模量、強度等優(yōu)秀性能基本不會發(fā)生變化。而玻璃纖維是一種無機非金屬材料，以葉臘石、石英砂、石灰石、白云石、硼鈣石、硼鎂石七種礦石為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制造而成。此外，碳纖維不含二氧化硅，因此，制酸煙氣中的氟對碳纖維腐蝕較小。而玻璃纖維主要成分為二氧化硅，二氧化硅會和氫氟酸發(fā)生反應，生成氣態(tài)的四氟化硅，形成腐蝕穿濾。總體來說，碳纖維復合材料要比玻璃纖維復合材料更具性能優(yōu)勢。

2017年5月，一吸塔的玻璃纖維除霧器更換為國外某品牌的CB- 24144新型碳纖維除霧器。經(jīng)過3年多的生產(chǎn)運行，目前未出現(xiàn)腐蝕穿濾現(xiàn)象(圖2)。新型碳纖維除霧器性能穩(wěn)定、可靠，制酸系統(tǒng)因故障停車次數(shù)減少，運行率提高，尾氣酸霧排放值不超過20 mg/Nm3。碳纖維除霧器的使用壽命和除霧效率顯著提高，達到了預期的效果，滿足了本項目復雜銅精礦雙頂吹煉銅煙氣制酸生產(chǎn)的實際要求。

5 結(jié)束語

云錫10萬t/a銅冶煉項目制酸一吸塔更換新型碳纖維除霧器，經(jīng)過3年多的生產(chǎn)運行，未出現(xiàn)腐蝕、穿濾等問題，新型碳纖維除霧器性能穩(wěn)定可靠，使用壽命和除霧效率顯著提高，達到了預期效果。新型碳纖維除霧器具有耐腐蝕、強度高、壽命長、效率高的優(yōu)點，能滿足復雜銅精礦煉銅煙氣制酸系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)要求，解決了制酸裝置纖維除霧器的腐蝕穿濾問題，有效保護了下游設備，消除了影響冶煉系統(tǒng)的生產(chǎn)和成本的不利因素，具有良好的經(jīng)濟效益，可供類似工程參考使用。

圖2 碳纖維除霧器使用3年多后的檢修圖