云錫銅冶煉制酸一吸塔新型碳纖維除霧器應(yīng)用實(shí)踐

李成學(xué) 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(xiàng)目于2012年3月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為電解銅10萬(wàn)t/a、硫酸44萬(wàn)t/a。主工藝流程采用世界領(lǐng)先的“頂吹熔煉- 頂吹吹煉- 陽(yáng)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(jí)高效洗滌器- 氣體冷卻塔- 二級(jí)高效洗滌器- 兩級(jí)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(guò)程中，除霧器可以起到保護(hù)SO2風(fēng)機(jī)、換熱器和催化劑的作用，能夠延長(zhǎng)催化劑篩分周期，提高裝置運(yùn)行率，有效控制裝置尾氣中酸霧的排放。項(xiàng)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(wèn)題，介紹了一吸塔新型碳纖維除霧器的應(yīng)用實(shí)踐，以供同行參考。

1 酸霧形成機(jī)理及危害

1.1 酸霧形成機(jī)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(dá)到氣液兩相平衡的臨界狀態(tài)，可凝組分在氣相中達(dá)到飽和而凝結(jié)成液體，稱此時(shí)煙氣達(dá)到露點(diǎn)，此時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)或露點(diǎn)溫度[1]。

煙氣制酸過(guò)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(diǎn)要高于含同樣組分但不含SO3的空氣的露點(diǎn)。當(dāng)煙氣溫度因換熱或其他原因降至露點(diǎn)以下時(shí)，煙氣中的水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)，SO3也同時(shí)凝結(jié)，形成細(xì)小的硫酸液滴，即酸霧。另外，煙氣制酸生產(chǎn)過(guò)程中,氣液兩相多次充分接觸，因機(jī)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(xué)反應(yīng)形成酸霧。

通常由機(jī)械力作用形成的酸霧粒徑比較大, 很容易通過(guò)纖維除霧器或絲網(wǎng)除沫器除去；而由冷凝或化學(xué)反應(yīng)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(huì)導(dǎo)致設(shè)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?yè)p壞等問(wèn)題，嚴(yán)重影響制酸系統(tǒng)正常生產(chǎn)，當(dāng)其排放到大氣中時(shí)又會(huì)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(huì)造成后續(xù)設(shè)備嚴(yán)重腐蝕。項(xiàng)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(jìn)口煙氣溫度、氣體短路或旁路等因素均會(huì)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(biāo)是否達(dá)標(biāo)?！躲U、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25466—2010)、《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25467—2010)、《硫酸工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 26132—2010)等國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制酸尾氣酸霧排放指標(biāo)提出更為嚴(yán)格的要求,分別為不得超過(guò)20 mg/Nm3、40 mg/Nm3、45 mg/Nm3，云錫銅業(yè)分公司對(duì)尾氣污染排放執(zhí)行更高的標(biāo)準(zhǔn)。

3)危害SO2風(fēng)機(jī)。SO2風(fēng)機(jī)是制酸裝置最關(guān)鍵的動(dòng)力設(shè)備。本項(xiàng)目的SO2風(fēng)機(jī)設(shè)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(duì)SO2風(fēng)機(jī)葉輪的腐蝕和磨損會(huì)使葉輪失去平衡，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)加劇。項(xiàng)目投產(chǎn)不久，SO2風(fēng)機(jī)即出現(xiàn)振動(dòng)加劇的情況，經(jīng)常被迫停車(chē)沖洗處理，對(duì)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(yùn)行過(guò)程中，要嚴(yán)格控制工藝操作指標(biāo)，減少酸霧的產(chǎn)生；同時(shí)使用耐腐蝕、高強(qiáng)度、長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)形成的慣性碰撞、攔截及布朗運(yùn)動(dòng)等共同作用來(lái)去除酸霧。整個(gè)除霧過(guò)程是床層纖維不斷被潤(rùn)濕和干燥的過(guò)程，即液滴在纖維表面黏附、破裂、聚并、脫離的過(guò)程。

當(dāng)煙氣流動(dòng)接近纖維除霧器時(shí)，氣流擴(kuò)散，繞著床層纖維流動(dòng)。由于慣性及纖維的阻擋，粒徑5～10 μm的酸霧離開(kāi)氣流，直接撞擊纖維表面。根據(jù)流體力學(xué)，繞過(guò)床層纖維的酸霧會(huì)加速移動(dòng)，慣性力增大，因此即使是粒徑稍小一些的液滴，也會(huì)與其他纖維發(fā)生二次碰撞。該除霧機(jī)理的效率會(huì)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(dòng)。這些液滴通過(guò)纖維之間的小縫隙時(shí)，會(huì)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(guò)小，在氣體分子作用下作隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)。這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的停留時(shí)間，又提供了足夠多的碰撞靶，從而有效提高了布朗擴(kuò)散機(jī)理的除霧效率[3]。

3 一吸塔技術(shù)參數(shù)及存在問(wèn)題

3.1 一吸塔及纖維除霧器技術(shù)參數(shù)

本項(xiàng)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(lái)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(shè)置ES懸掛式纖維除霧器33支，設(shè)計(jì)出口酸霧含量不超過(guò)40 mg/Nm3。

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

3.2 一吸塔原纖維除霧器存在問(wèn)題

項(xiàng)目投產(chǎn)初期，一吸塔使用了某進(jìn)口品牌的ES懸掛式纖維除霧器，其耐腐蝕性差，強(qiáng)度較低，易穿濾，使用壽命較短，項(xiàng)目投產(chǎn)8個(gè)多月后即出現(xiàn)腐蝕穿濾情況(圖1)。后改用國(guó)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(dǎo)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(wèn)題，經(jīng)常被迫停產(chǎn)檢修處理，運(yùn)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(guò)分析和研究，確認(rèn)腐蝕是纖維除霧器穿濾的最主要原因。由于本項(xiàng)目銅精礦成分復(fù)雜、氟含量超標(biāo)，煙氣凈化工序未能有效除去氟、砷等雜質(zhì)，進(jìn)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(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)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(yàn)，項(xiàng)目更換了某進(jìn)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(zhǎng)至一年左右，但仍未完全解決上述問(wèn)題。

4 新型碳纖維除霧器的應(yīng)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(qiáng)度卻高于鋼鐵，具有高硬度、高強(qiáng)度、重量輕、化學(xué)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(qiáng)纖維，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、工業(yè)等領(lǐng)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(yù)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(qiáng)的耐介質(zhì)腐蝕性。碳纖維是一種非金屬材料，電化學(xué)活性不高，因此在一些酸堿鹽中，其彈性模量、強(qiáng)度等優(yōu)秀性能基本不會(huì)發(fā)生變化。而玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)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(luò)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(duì)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(huì)和氫氟酸發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)的四氟化硅，形成腐蝕穿濾?？傮w來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料要比玻璃纖維復(fù)合材料更具性能優(yōu)勢(shì)。

2017年5月，一吸塔的玻璃纖維除霧器更換為國(guó)外某品牌的CB- 24144新型碳纖維除霧器。經(jīng)過(guò)3年多的生產(chǎn)運(yùn)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(chē)次數(shù)減少，運(yùn)行率提高，尾氣酸霧排放值不超過(guò)20 mg/Nm3。碳纖維除霧器的使用壽命和除霧效率顯著提高，達(dá)到了預(yù)期的效果，滿足了本項(xiàng)目復(fù)雜銅精礦雙頂吹煉銅煙氣制酸生產(chǎn)的實(shí)際要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

云錫10萬(wàn)t/a銅冶煉項(xiàng)目制酸一吸塔更換新型碳纖維除霧器，經(jīng)過(guò)3年多的生產(chǎn)運(yùn)行，未出現(xiàn)腐蝕、穿濾等問(wèn)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(dá)到了預(yù)期效果。新型碳纖維除霧器具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、效率高的優(yōu)點(diǎn)，能滿足復(fù)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(wèn)題，有效保護(hù)了下游設(shè)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(jì)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