電除塵器出口爐氣溫度高于進(jìn)口的原因及改進(jìn)

劉少武，徐開明，高慶華

（江蘇慶峰工程集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州 225115）

1 電除塵器在硫酸生產(chǎn)中使用情況

我國硫酸生產(chǎn)中為提高爐氣除塵率，于1951年開始使用電除塵器代替二級(jí)旋風(fēng)除塵器和其他除塵設(shè)備，比技術(shù)先進(jìn)國家晚14 年。初期電除塵器外殼是青磚內(nèi)襯耐火磚，陽極是鋼絲網(wǎng)，陰極是φ3 ～6 mm 鋼絲下用墜砣，通稱棒幃式除塵器。正常狀況下電除塵器進(jìn)口爐氣溫度為350 ～400 ℃，出口溫度為200 ～300 ℃。出口爐氣溫度比進(jìn)口溫度要低150 ℃左右，漏氣率一般在10%～15%，溫降較多。1966 年，電除塵器外殼改為鋼殼襯耐火磚，陽極鋼絲網(wǎng)改為板式，陰極線下用鋼框式整體連接，強(qiáng)化各處密封。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，電除塵器進(jìn)口爐氣溫度一般在250 ～300 ℃，出口溫度一般在200 ～250 ℃，出口爐氣溫度比進(jìn)口溫度降低30 ～50 ℃，漏氣率＜5%，出口爐氣ρ（塵）≈0.1 g/m3，除塵效率在99%左右。1992年，有個(gè)別工廠在系統(tǒng)高產(chǎn)情況下，裝置焙燒磁硫鐵礦或要燒出礦渣Fe3O4時(shí)，偶然出現(xiàn)電除塵器出口爐氣溫度與進(jìn)口溫度差變小、出口爐氣溫度與進(jìn)口溫度持平、或出口爐氣溫度較進(jìn)口溫度高的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是不可能，多數(shù)人認(rèn)為是儀表問題，也有人認(rèn)為是記錄錯(cuò)誤等。可是，至今此現(xiàn)象非但未消除，反而增多了。2016 年，內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)硫酸廠展示了兩年的生產(chǎn)原始記錄，電除塵器出口爐氣溫度比進(jìn)口溫度高20 ～30 ℃是常態(tài)。此時(shí)電除塵器出口爐氣溫度高于進(jìn)口溫度問題，仍是行業(yè)上的理論懸案。2020年7月，筆者跳出傳統(tǒng)看法，對(duì)電除塵器結(jié)構(gòu)及其除塵機(jī)制，升華硫同素異形體結(jié)構(gòu)、起燃點(diǎn)反復(fù)思考研究，終于從科學(xué)理論上找到了答案，并對(duì)其進(jìn)行深入研究、求證。

2 電除塵器出口爐氣溫度高于進(jìn)口的原因及危害

2.1 原因

（1）硫物料在焙燒過程中缺氧時(shí)，會(huì)產(chǎn)生升華硫。爐氣中升華硫的同素異形體有20 多種，起燃溫度各不相同，分布在246.0 ～444.6 ℃。如S/S2-型硫起燃溫度是246 ℃；S2S6S8型硫起燃溫度是444.6 ℃等［1-2］。爐氣中只要有升華硫，進(jìn)入300 ℃左右的電除塵器，都要被燒掉一部分或全部，而不是所有升華硫均在400 ℃以上才可燃燒。再考慮電暈區(qū)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過444.6 ℃，故電除塵器內(nèi)爐氣中升華硫燃燒是很有可能的。

（2）電除塵器是由陰陽兩極組成，直流供電。1993年揚(yáng)州市慶松化工設(shè)備廠設(shè)計(jì)研究所（今江蘇慶峰工程集團(tuán)環(huán)境化學(xué)設(shè)計(jì)研究公司），建了一座陰陽極試驗(yàn)室，試圖找出高效能的陰極線和陽極管板。試驗(yàn)時(shí)，每次都可清楚地觀察到，電子由陰極線發(fā)射，向陽極板或陽極管（接地）射流，表示電場(chǎng)已形成。在陰極線周圍（即電子發(fā)射密集區(qū)），有一定的可見光環(huán)，行業(yè)通常稱此為電暈區(qū)（即強(qiáng)電場(chǎng)），其他空間為弱電場(chǎng)。電暈區(qū)大小和光亮度（即電場(chǎng)強(qiáng)度）隨供電的電壓、電流變化而變化。初始供電時(shí)（電壓≤20 000 V、電流≤0.1 mA/m），陰極線是暗黑色，只有極線菱角尖端不時(shí)有電子火星射出，看不到光芒。隨電壓、電流的升高，陰極線逐步顯出綠影、淡藍(lán)、深藍(lán)、熒光，直至上下形成一條熒光柱，光亮區(qū)由小變大（即光環(huán)）、由暗變亮。對(duì)于φ3 mm陰極線，在電壓達(dá)到55 000 V、電流達(dá)到0.3 mA/m 時(shí)，電暈光環(huán)約φ25 mm（極線越粗、其光環(huán)越大），并有電子束在閃爍。電子束閃爍次數(shù)多，表示電場(chǎng)強(qiáng)度已達(dá)極限。當(dāng)電子束每秒閃爍次數(shù)≥1時(shí)，不可再提高電壓、電流來使光環(huán)再放大，否則會(huì)形成電子鏈即接地跳閘。在熒光較亮和光環(huán)較大時(shí)，其電暈區(qū)域溫度約在800 ℃。前面設(shè)備漏入的空氣，使?fàn)t氣含有一定量的氧，進(jìn)入電暈區(qū)的升華硫均可燃燒，未進(jìn)入電暈區(qū)的大部分升華硫也將被次電場(chǎng)點(diǎn)燃或被全部燒盡。這兩股氣流匯集到電除塵器出口處，在不考慮其他因素的情況下出口爐氣溫度自然比進(jìn)口高。電除塵器結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)、氣流情況見圖1。在硫酸生產(chǎn)過程中，出口爐氣溫度主要由爐氣中升華硫含量、電場(chǎng)強(qiáng)度、爐氣中氧含量、電除塵器熱損失這4個(gè)因素所決定，但由于電除塵器熱損失、漏入空氣量以及電場(chǎng)強(qiáng)度基本穩(wěn)定，電除塵器出口爐氣溫度與進(jìn)口溫度差，實(shí)際上主要隨爐氣中升華硫含量的變化而變化。

圖1 電除塵器結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)、氣流情況

概括上述，電除塵器出口爐氣溫度高于進(jìn)口的原因，是爐氣中的各種形態(tài)升華硫，在經(jīng)過電除塵器時(shí)，在電暈區(qū)和非電暈區(qū)燃燒（與漏入空氣中的氧反應(yīng)）而使?fàn)t氣溫度升高，或統(tǒng)稱在電場(chǎng)內(nèi)燃燒而使?fàn)t氣溫度升高。至此，建立了電除塵器出口爐氣溫度高于進(jìn)口是由爐氣中含有的升華硫燃燒所致的科學(xué)理論。升華硫在電除塵器內(nèi)能不能完全燃燒主要取決于爐氣在電除塵器內(nèi)的停留時(shí)間、爐氣中氧含量及氣流分布等情況。實(shí)質(zhì)上，電除塵器也是升華硫最后的燃燒室，是高效的除升華硫的大型燃燒設(shè)備（當(dāng)然是不希望的，它會(huì)使陰極肥大、陽極結(jié)垢、效能下降等）。

2.2 危害

硫酸生產(chǎn)中出現(xiàn)升華硫，是百害無益的，許多廠將其列為操作事故。產(chǎn)生升華硫的根本原因，是硫物料在焙燒過程中缺氧，即投料量與供風(fēng)量調(diào)節(jié)不當(dāng)。爐氣中控制SO2含量越高，產(chǎn)生升華硫的可能性就越大。爐氣中SO2的理論含量：焙燒硫黃的爐氣中w（SO2）是21.0%，焙燒硫鐵礦的爐氣中w（SO2）是16.2%，焙燒磁硫鐵礦的爐氣中w（SO2）是13.8%，焙燒鋅礦的爐氣中w（SO2）是15.05%，焙燒硫化亞鐵的爐氣中w（SO2）是13.2%，焙燒硫化氫的爐氣中w（SO2）是15.05%等。當(dāng)爐氣中SO2含量超過或接近以上理論值，就會(huì)產(chǎn)生或容易產(chǎn)生升華硫。長期實(shí)際生產(chǎn)證明，系統(tǒng)有無電除塵器，爐氣進(jìn)入凈化工序時(shí)，含升華硫的量是完全不同的。一般情況下，配有電除塵器的系統(tǒng)，進(jìn)入凈化工序的爐氣不含或含少量的升華硫，反之即多。生產(chǎn)中采用磁硫鐵礦焙燒或貧氧焙燒（需產(chǎn)Fe3O4礦渣或高濃度SO2時(shí)）等，易產(chǎn)生升華硫。一旦產(chǎn)生升華硫，對(duì)硫酸生產(chǎn)危害極大，主要有以下3 個(gè)方面：

（1）降低裝置開車率。爐氣中未完全燃燒的升華硫會(huì)造成爐后直至轉(zhuǎn)化器一段表面等的10 多臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備（洗滌器、電除霧器、除沫器、干燥塔、鼓風(fēng)機(jī)、冷熱交換器等）逐步被堵塞，阻力上升，效能下降，需多次停機(jī)清理。全系統(tǒng)因阻力太大、減產(chǎn)太多，每年進(jìn)行多次停產(chǎn)大修或中修。

（2）降低硫酸產(chǎn)品質(zhì)量。升華硫進(jìn)入硫酸使成品硫酸渾濁，透明度變低，應(yīng)用范圍變窄或賣不出去。

（3）增加物料消耗，硫酸單位成本升高。因升華硫是無用硫，造成焙燒的礦渣或焙砂、殘硫等增加，使硫酸產(chǎn)品物耗增加。不僅如此，也導(dǎo)致礦渣或焙砂的后續(xù)處理工序成本增加，且污染環(huán)境等。

3 改進(jìn)措施

關(guān)于防止升華硫產(chǎn)生的措施，已早有多篇文獻(xiàn)論述，這里不再重提。以下介紹一些在現(xiàn)代條件下可能采用的新措施。

（1）全面科學(xué)地控制焙燒爐的操作自動(dòng)調(diào)節(jié)。加料器增設(shè)計(jì)量器或改成調(diào)速式；送風(fēng)系統(tǒng)加裝計(jì)量儀，二次風(fēng)和三次風(fēng)也加裝計(jì)量儀；在爐氣廢熱鍋爐的三煙道或四煙道增設(shè)測(cè)氧表；各設(shè)備排灰口改用封閉螺旋等。將焙燒過程集成控制在科學(xué)的自動(dòng)調(diào)節(jié)的程度上，使各物料在配比范圍內(nèi)投入爐內(nèi)，全程在最佳控制條件下生產(chǎn)。通過全系統(tǒng)的生產(chǎn)試驗(yàn)，確定焙燒爐科學(xué)的、安全的、經(jīng)濟(jì)合理的操作控制指標(biāo)，從源頭杜絕產(chǎn)生升華硫的可能性。

（2）提高生產(chǎn)管理科學(xué)化水平。當(dāng)前需特別加強(qiáng)對(duì)原料的管理，力求做到入爐物料硫等成分穩(wěn)定，w（H2O）≤6%，粒度均勻、平均粒度在設(shè)計(jì)范圍，確保硫原料連續(xù)長年穩(wěn)定供應(yīng)。每日硫酸產(chǎn)量要合理均衡，杜絕在較短時(shí)間或較長時(shí)間內(nèi)追求“高產(chǎn)”“創(chuàng)新紀(jì)錄”等。硫酸工業(yè)歷來生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，只有穩(wěn)產(chǎn)才能優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗。

（3）根據(jù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律和社情變化，建立2 ～4套科學(xué)生產(chǎn)預(yù)案。通過生產(chǎn)性試驗(yàn)，掌握每套預(yù)案的操作控制指標(biāo)、調(diào)節(jié)方法等。