氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器在硝酸裝置中的應(yīng)用

韓 非，劉 欣，劉 輝，原 源，楊成安

［中海油（山西）貴金屬有限公司，山西 晉中 030600］

0 引 言

硝酸生產(chǎn)工藝主要分為高壓法、常壓法、中壓法、雙加壓法。高壓法由于高能耗和低產(chǎn)能，加之如今嚴(yán)苛的環(huán)保政策，目前在國(guó)內(nèi)已逐漸被淘汰，而異軍突起的雙加壓法以其低能耗、低排放和高產(chǎn)能優(yōu)點(diǎn)已成為國(guó)內(nèi)硝酸生產(chǎn)工藝的主力軍。硝酸生產(chǎn)是以氨、氧為原料，通過(guò)鉑網(wǎng)的催化作用實(shí)現(xiàn)氨與氧的充分燃燒、化合；鉑網(wǎng)工作溫度為800～900℃［1］，在高壓氣流的持續(xù)沖擊下，鉑網(wǎng)損耗會(huì)隨著硝酸裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。正常生產(chǎn)工況下，噸酸（折100%硝酸）鉑耗設(shè)計(jì)值一般為高壓法0.24 g、雙壓法0.12 g、常壓法0.07 g，鉑網(wǎng)損耗一直是氨氧化制硝酸的第二大成本［2］。在硝酸生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，使用過(guò)多種氣態(tài)氧化鉑回收方法，其中鈀回收是最常見(jiàn)的回收方法［3］，但仍有大量的貴金屬顆粒隨氣流進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。硝酸裝置氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器（簡(jiǎn)稱過(guò)濾器），是針對(duì)貴金屬損耗而設(shè)計(jì)的一種捕集裝置［4］，可以有效捕獲鉑網(wǎng)燃燒損失的貴金屬顆粒，同時(shí)可以凈化工藝氣，避免氧化氮壓縮機(jī)葉片結(jié)垢而導(dǎo)致的喘振，提升硝酸、硝鹽及其相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)。過(guò)濾器適用于鉑銠二元催化劑、鉑銠鈀三元催化劑和功能套網(wǎng)雙功效催化劑燃燒過(guò)程產(chǎn)生的貴金屬的捕集，適用于不同產(chǎn)能的中壓法、雙加壓法硝酸裝置高壓機(jī)組入口氮氧化物氣體中夾帶的貴金屬捕集，但不適用于常壓法硝酸裝置。以下以中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一款過(guò)濾器在雙加壓法硝酸裝置上的應(yīng)用為例，對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器簡(jiǎn)介

氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器最初應(yīng)用于硝酸裝置高壓機(jī)組入口貴金屬顆粒的捕集，過(guò)濾器采用單筒式濾芯，更換濾芯時(shí)需將過(guò)濾器整體吊裝下來(lái)，過(guò)濾器運(yùn)行周期初始與末期壓差約為3～8 kPa。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)雙加壓法硝酸裝置高壓機(jī)組數(shù)量的逐年增加，為滿足硝酸企業(yè)節(jié)能降耗及貴金屬管理的要求，國(guó)內(nèi)過(guò)濾器生產(chǎn)廠家從不同設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在滿足貴金屬回收收益的情況下，開發(fā)出了運(yùn)行周期初始與末期壓差在2～4 kPa的低阻力過(guò)濾器，目前此類型過(guò)濾器在國(guó)內(nèi)硝酸裝置中已有60余套在用，一些新建硝酸裝置在設(shè)計(jì)階段就要求設(shè)計(jì)單位在高壓機(jī)組入口前增設(shè)過(guò)濾器。

目前，中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)濾器已有30余套投入應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該過(guò)濾器由外殼、檔板、多個(gè)濾芯和過(guò)濾材料組合而成，其外殼、檔板和濾芯選用與管線同質(zhì)的材料；濾芯一端用薄板密封，另一端采用焊接或法蘭板固定在檔板上，濾芯外部纏繞疊層過(guò)濾材料；過(guò)濾器濾層材質(zhì)為三元復(fù)合陶瓷纖維。實(shí)際應(yīng)用情況表明，該過(guò)濾器適用于化工、鋼鐵、冶金、燃煤鍋爐、耐火材料以及水泥等行業(yè)的高溫?zé)煔膺^(guò)濾，介質(zhì)可以是一氧化氮、二氧化氮、氧氣、氮?dú)獾?，在高溫、腐蝕性介質(zhì)工況下，過(guò)濾器性能優(yōu)良，可有效過(guò)濾粉塵。過(guò)濾器基本設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 過(guò)濾器基本設(shè)備參數(shù)

2 過(guò)濾器濾芯的特點(diǎn)

中海油（山西）貴金屬有限公司針對(duì)雙加壓法或高壓法硝酸裝置，在充分研究鉑網(wǎng)網(wǎng)灰的形成、成分、粒徑及氮氧化物氣流特點(diǎn)等基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)外大型單筒濾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開發(fā)出的新型濾芯具有如下特點(diǎn)。

（1）采用小型多濾芯布局。優(yōu)化設(shè)計(jì)的濾芯長(zhǎng)度減小、個(gè)數(shù)增加，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備體積更小和過(guò)濾器內(nèi)濾芯的可拆卸，可減少有害氣體泄漏隱患，便于濾芯安裝和更換。

（2）極大地增大了濾芯的機(jī)械強(qiáng)度。新型過(guò)濾器采用三元復(fù)合陶瓷纖維過(guò)濾材料疊層裹覆填裝濾芯，該材料是一種結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的三維孔結(jié)構(gòu)新型高溫過(guò)濾材料，不僅使得濾芯孔隙率高、阻力小、強(qiáng)度高，而且除塵效率比織物濾料高出1倍左右。

（3）過(guò)濾效果好、過(guò)濾器壓降極低。新型過(guò)濾器濾芯濾材采用風(fēng)琴狀的折疊設(shè)計(jì)，可有效增大過(guò)濾面積，最大程度降低過(guò)濾器對(duì)系統(tǒng)氣體流量的影響，增強(qiáng)過(guò)濾器的過(guò)濾效果；此外，濾材風(fēng)琴狀的折疊設(shè)計(jì)有助于分散濾材上的貴金屬，確保濾材過(guò)濾通道的暢通，從而可有效控制過(guò)濾器帶來(lái)的壓降，確保整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)系統(tǒng)壓降控制在極低范圍。

3 過(guò)濾器的安裝

氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器為壓力容器，其安裝需符合國(guó)家壓力容器的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)雙加壓法硝酸裝置各工藝單元的流程、管線排布狀況以及過(guò)濾器的運(yùn)行工況，過(guò)濾器的安裝位置位于高溫氣氣換熱器尾部出口管道的水平段或垂直段，該水平段或垂直段的長(zhǎng)度≥6 000 mm，場(chǎng)地許可的情況下，優(yōu)選在高溫氣氣換熱器尾部出口管道水平段切割安裝直通式過(guò)濾器，水平段切割長(zhǎng)度需與過(guò)濾器凈長(zhǎng)度相同；過(guò)濾器進(jìn)出口分別與水平段兩端切口對(duì)接，加支撐并對(duì)接口進(jìn)行焊接。過(guò)濾器可安裝就地壓差計(jì)，以利后期運(yùn)行過(guò)程中過(guò)濾器壓差的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集可通過(guò)信號(hào)線接至中控室；過(guò)濾器側(cè)部開有人孔，濾筒安裝與后期更換拆卸通過(guò)人孔進(jìn)行，濾筒安裝完成后過(guò)濾器外壁加裝保溫材料。

4 過(guò)濾器的壓差

4.1 典型應(yīng)用企業(yè)過(guò)濾器壓差情況

氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器攔截貴金屬顆粒的效率越高，過(guò)濾器壓差增加更快也更大。過(guò)濾器壓差增加，系統(tǒng)阻力增大，空壓機(jī)組做功增大，其汽輪機(jī)蒸汽消耗增加，硝酸生產(chǎn)成本上漲，過(guò)大的過(guò)濾器壓差甚至?xí)?dǎo)致回收的貴金屬的價(jià)值不足以平衡阻力增大帶來(lái)的蒸汽消耗增加，使得過(guò)濾器應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性下降，因此，設(shè)計(jì)合理的過(guò)濾效率、控制合理的過(guò)濾器壓差，對(duì)于貴金屬回收收益最大化具有重要的意義。中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計(jì)的過(guò)濾器運(yùn)行周期初始與末期壓差為1.5～3.8 kPa，實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)合理調(diào)整后過(guò)濾器壓差一般可降低——典型應(yīng)用企業(yè)A、B、C硝酸裝置的產(chǎn)能分別為270 kt／a、180 kt／a、150 kt／a，經(jīng)合理調(diào)整后，實(shí)際生產(chǎn)中企業(yè)A、B、C過(guò)濾器運(yùn)行周期初始與末期壓差（均值）分別為0.557～2.50 kPa、0.65～2.80 kPa、0.84～3.00 kPa。

4.2 過(guò)濾器壓差造成的蒸汽損耗分析

4.2.1 蒸汽損耗量的模擬計(jì)算

以國(guó)內(nèi)典型應(yīng)用企業(yè)B（硝酸裝置產(chǎn)能180 kt／a）為分析對(duì)象，利用壓縮機(jī)功率計(jì)算模型，以10 kPa的極限阻力為例，對(duì)安裝氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器后空壓機(jī)組汽輪機(jī)蒸汽消耗增加情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

（1）硝酸裝置負(fù)荷為90%時(shí)，未安裝過(guò)濾器時(shí)，空壓機(jī)打氣量100 700 m3／h、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.40 MPa（A）；安裝過(guò)濾器后，空壓機(jī)打氣量100 700 m3／h（標(biāo)況，下同）、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.41 MPa（A），即安裝過(guò)濾器后系統(tǒng)氣體阻力增加10 kPa。取理論功率計(jì)算系數(shù)為0.119、機(jī)械效率為97%、傳動(dòng)效率為100%，計(jì)算得氣體阻力增加前空壓機(jī)的理論功率約7 214.7 kW、軸功率約7 437.8 kW，驅(qū)動(dòng)機(jī)功率約8 181.6 kW；氣體阻力增加后空壓機(jī)的理論功率約7 343.2 kW、軸功率約7 570.3 kW，驅(qū)動(dòng)機(jī)功率約8 327.3 kW。可以看出，硝酸裝置負(fù)荷為90%時(shí)，安裝過(guò)濾器后空壓機(jī)軸功率增加約133 kW，增幅約1.8%。據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，硝酸裝置90%負(fù)荷下［空壓機(jī)出口壓力0.4 MPa（A）］汽輪機(jī)的蒸汽消耗約為17 000 kg／h，查汽輪機(jī)功率流量曲線對(duì)應(yīng)的輸出功率約為4 000 kW，如果在此條件下汽輪機(jī)輸出功率增加133 kW，則對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為4.88 kg／s（17 568 kg／h），即汽輪機(jī)的蒸汽消耗增加568 kg／h，按年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)，全年汽輪機(jī)將多耗蒸汽4 544 t。

（2）硝酸裝置負(fù)荷為100%時(shí)，未安裝過(guò)濾器時(shí)，空壓機(jī)打氣量100 700 m3／h、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.45 MPa（A）；安裝過(guò)濾器后，空壓機(jī)打氣量100 700 m3／h、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.46 MPa（A），即安裝過(guò)濾器后系統(tǒng)氣體阻力增加10 kPa。取理論功率計(jì)算系數(shù)為0.119、機(jī)械效率為97%、傳動(dòng)效率為100%，計(jì)算得氣體阻力增加前空壓機(jī)的理論功率約7 827.6 kW、軸功率約8 069.7 kW，驅(qū)動(dòng)機(jī)功率約8 876.7 kW；氣體阻力增加后空壓機(jī)的理論功率約7 942.0 kW、軸功率約8 187.7 kW，驅(qū)動(dòng)機(jī)功率約9 006.4 kW?？梢钥闯?，硝酸裝置負(fù)荷為100%時(shí)，安裝過(guò)濾器后空壓機(jī)軸功率增加約118 kW，增幅約1.5%。據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，硝酸裝置100%負(fù)荷下［空壓機(jī)出口壓力0.45 MPa（A）］汽輪機(jī)的蒸汽消耗約為24 400 kg／h，查汽輪機(jī)功率流量曲線對(duì)應(yīng)的輸出功率約為5 652 kW，如果在此條件下汽輪機(jī)輸出功率增加118 kW，則對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為6.92 kg／s（24 912 kg／h），即汽輪機(jī)的蒸汽消耗增加512 kg／h，按年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)，全年汽輪機(jī)將多耗蒸汽4 096 t。

4.2.2 蒸汽損耗量模擬計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

在硝酸裝置負(fù)荷90%、空壓機(jī)出口壓力0.40 MPa（A）下進(jìn)行空壓機(jī)加負(fù)荷試驗(yàn)，當(dāng)空壓機(jī)因打氣量增加出口壓力達(dá)到0.41 MPa（A）并處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，測(cè)得汽輪機(jī)耗汽量增加1 t／h。如果換算成僅用汽輪機(jī)增加軸功率來(lái)克服系統(tǒng)氣體阻力增加10 kPa，汽輪機(jī)耗汽量增加不會(huì)超過(guò)1 t／h，耗汽量增加應(yīng)該至少減半，即汽輪機(jī)耗汽量增加約0.5 t／h，按年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)，全年汽輪機(jī)將多耗蒸汽4 000 t，與上述蒸汽損耗模擬計(jì)算值基本相符，從而驗(yàn)證了上述模擬計(jì)算的合理性，同時(shí)也驗(yàn)證了相同阻力下機(jī)組滿負(fù)荷工況可比低負(fù)荷工況（噸產(chǎn)品）少耗蒸汽這一結(jié)論。

4.3 過(guò)濾器壓差造成的成本增加分析

同樣以國(guó)內(nèi)典型應(yīng)用企業(yè)B（硝酸裝置產(chǎn)能180 kt／a）為例，實(shí)際生產(chǎn)中硝酸裝置100%負(fù)荷下氮氧化物氣體粉塵過(guò)濾器運(yùn)行周期初始與末期壓差（平均值）是由初始低于1 kPa緩慢增加到末期的約3 kPa，空壓機(jī)組汽輪機(jī)需增加軸功率以克服過(guò)濾器壓差帶來(lái)的系統(tǒng)氣體阻力增加，從而會(huì)多消耗蒸汽，實(shí)際汽輪機(jī)耗汽量增加值應(yīng)低于最大阻力3 kPa對(duì)應(yīng)的汽耗增加值的一半。實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)B過(guò)濾器運(yùn)行周期初始與末期壓差為0.65～2.80 kPa，實(shí)際平均壓差低于1.5 kPa，按上述相同模擬方法、以平均壓差為1.5 kPa進(jìn)行估算，汽耗增加低于872 t／a，汽輪機(jī)所耗4.0 MPa、440℃過(guò)熱蒸汽價(jià)格按90元／t計(jì)，全年增加的蒸汽成本為78 480元。使用同樣的計(jì)算方法，可計(jì)算得出270 kt／a、150 kt／a硝酸裝置滿負(fù)荷工況下因過(guò)濾器壓差造成的空壓機(jī)組汽輪機(jī)汽耗增加分別為1 095 t／a、496 t／a，汽輪機(jī)所耗4.0 MPa、440℃過(guò)熱蒸汽價(jià)格按90元／t計(jì)，則270 kt／a、150 kt／a硝酸裝置全年增加的蒸汽成本分別為98 550元、44 640元。

5 安裝過(guò)濾器后可能的異常工況及其處理

過(guò)濾器安裝后，硝酸裝置可能會(huì)出現(xiàn)一些異常工況，需進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急處理。

5.1 過(guò)濾器壓差突增

過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)過(guò)濾器差壓計(jì)示數(shù)大幅上漲，需考慮是否有大量粉塵進(jìn)入過(guò)濾器中，濾材上捕獲的粉塵量大增導(dǎo)致過(guò)濾器壓差大幅上漲。此時(shí)需繼續(xù)觀察差壓計(jì)示數(shù)，如短時(shí)間上漲后不再出現(xiàn)上漲趨勢(shì)，在不影響生產(chǎn)的情況下可繼續(xù)維持運(yùn)行；如過(guò)濾器差壓計(jì)示數(shù)持續(xù)上漲，應(yīng)安排停車，更換濾芯，并對(duì)濾芯上附著的粉塵進(jìn)行分析，以查找原因并作出相應(yīng)的處理。

二級(jí)減排催化劑（N2O爐內(nèi)減排催化劑）具有消除N2O溫室氣體的作用，安裝于氨氧化爐內(nèi)鉑網(wǎng)下方，二級(jí)減排催化劑運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有部分碎化，產(chǎn)生大量粉塵，過(guò)濾器對(duì)催化劑粉塵的有效截留對(duì)工藝氣的凈化具有重要意義，因此，需根據(jù)粉塵的產(chǎn)生量調(diào)整過(guò)濾器的濾材參數(shù)、降低過(guò)濾器的運(yùn)行壓差。

5.2 過(guò)濾器壓差突降

過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)過(guò)濾器差壓計(jì)示數(shù)大幅下降，需考慮是否有大顆粒異物進(jìn)入了過(guò)濾器中，濾材被大顆粒異物沖擊出現(xiàn)破損導(dǎo)致了氣流從破損部位溢出。此異常工況的出現(xiàn)不會(huì)影響硝酸裝置的正常生產(chǎn)，但會(huì)對(duì)過(guò)濾器本運(yùn)行周期的過(guò)濾效果（亦即貴金屬回收效果）產(chǎn)生影響，應(yīng)在過(guò)濾器本運(yùn)行周期結(jié)束后對(duì)顆粒異物進(jìn)行分析，以查找原因并采取相應(yīng)的措施。

5.3 液態(tài)水侵蝕過(guò)濾器

過(guò)濾器安裝段嚴(yán)禁大量液態(tài)水通過(guò)，一旦液態(tài)水侵蝕過(guò)濾器，會(huì)導(dǎo)致濾材吸水而失去通透功能，此時(shí)需緊急停車，排出過(guò)濾器內(nèi)的水，同時(shí)查找液態(tài)水泄漏的原因并予以處理，維修破損部位并更換濾材。另外，硝酸裝置重啟前需打開過(guò)濾器底部的排污閥排水，確保其內(nèi)部積水排盡。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著雙加壓法硝酸裝置數(shù)量在國(guó)內(nèi)的迅猛增長(zhǎng)，與其配套使用的過(guò)濾器也應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)過(guò)數(shù)年的改進(jìn)與升級(jí)，如今用于貴金屬顆粒捕集的過(guò)濾器已完全能滿足雙加壓法硝酸裝置的生產(chǎn)運(yùn)行要求。上述中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的（貴金屬）過(guò)濾器，在高溫氣氣換熱器后截取管段通過(guò)焊接的方式安裝于系統(tǒng)管線中后，通過(guò)人孔可方便地進(jìn)行濾芯更換，避免了使用吊車吊裝設(shè)備或法蘭蓋造成的頻繁熱緊而易發(fā)生泄漏，濾芯使用三元復(fù)合陶瓷纖維濾材并采用風(fēng)琴狀設(shè)計(jì)，使濾芯的強(qiáng)度增大、壓差降低。應(yīng)用實(shí)踐表明，該型過(guò)濾器具有結(jié)構(gòu)合理、安裝方便、壓降小的特點(diǎn)。此外，利用壓縮機(jī)功率計(jì)算模型模擬計(jì)算的該型過(guò)濾器壓差對(duì)高壓機(jī)組汽輪機(jī)蒸汽消耗的影響，可為合理設(shè)計(jì)過(guò)濾器壓差與貴金屬回收率提供重要的理論依據(jù)，過(guò)濾器運(yùn)行過(guò)程中異常工況及處理的簡(jiǎn)要總結(jié)也可為硝酸生產(chǎn)企業(yè)安裝過(guò)濾器后的運(yùn)行管理提供一點(diǎn)參考與借鑒。