王以飛

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除霧器也稱之為纖維除霧器、燭式過濾器、纖維床除霧器、過濾元件等，被大量應用于硫酸生產中的干燥塔、一吸塔、二吸塔和尾吸塔收集硫酸霧，實現(xiàn)保護下游設備和尾氣達標排放的目的。硫酸霧的形成主要有三種機理[1]：①機械作用：由于氣流速度差等機械慣性作用，從液膜或液滴中依靠剪切力產生粒徑更小的液滴（霧）分離并懸浮在氣流中，形成硫酸霧；②熱變化：由于存在溫度變化，冷卻氣體降到露點以下成為過飽和態(tài)而產生冷凝析出液滴，形成硫酸霧；③化學反應：SO3蒸氣和水蒸氣發(fā)生化學反應產生液態(tài)硫酸液滴，形成硫酸霧。這三種機理同時存在于硫酸霧的形成過程中，機械作用形成的液滴往往較大，而最細的液滴是通過化學反應形成的。除霧器是將氣體中的液滴進行分離的設備，也稱之為氣液分離器。根據處理對象粒徑的不同和效率的要求，可分為高效除霧器、節(jié)能型除霧器、經濟型除霧器、絲網除霧器、葉片除霧器和旋流器等。

該文重點分析了硫酸生產裝置干燥塔、吸收塔和尾吸塔除霧器的應用情況、常見故障及解決方案。

1 干燥塔除霧器

1.1 干燥塔除霧器的結構

干燥塔多采用w(H2SO4)98%濃硫酸噴淋吸收引入空氣的水分同時除去雜質，為硫磺焚燒提供干燥的氧氣。室外空氣經過分酸器和填料與濃硫酸充分接觸，其中的水分和粉塵顆粒物被凈化除去，但空氣中會夾帶著硫酸霧液滴，容易造成設備腐蝕，所以需要在干燥塔頂部安裝除霧器去除夾帶的硫酸霧。由于干燥塔硫酸霧的形成主要是基于機械碰撞原理，所以產生的液滴粒徑相對較大，大部分粒徑分布在0.6～10 μm。干燥塔除霧器的傳統(tǒng)設計為單層結構的絲網除霧器，硫酸霧去除效率能達到90%，如要求更高的去除效率，則會采用雙層結構設計，如圖1所示。

圖1 干燥塔除霧器雙層結構示意

干燥塔除霧器多采用金屬絲網編制結構，采用304、316L、alloy20、高硅鋼等金屬材料。為提高小液滴的捕集效率也可采用混編結構，即在絲網中編入特氟龍、玻璃纖維等材料，但成本也會增加。

1.2 干燥塔除霧器常見故障及處理措施

1.2.1 運行壓差超過設計值

運行壓差超過設計值多是由于待處理空氣的前端凈化裝置故障或者取風口位置不合理造成絲網堵塞。取風口多采用濾筒式過濾器，隨著運行時間的積累，空氣中的雜質在濾筒內部不斷堆積，過濾壓差變大，甚至出現(xiàn)穿孔造成氣流短路而使過濾效率下降，此時空氣中的灰塵容易進入干燥塔，與循環(huán)酸形成酸泥堵塞在絲網除霧器內部，日積月累導致運行壓差過大。

為解決上述故障，可采取以下兩種處理方法：

1）檢查空氣凈化裝置是否發(fā)生破損或者堵塞。在空氣過濾器后端安裝壓力監(jiān)控儀表，實時監(jiān)測空氣過濾器運行壓差，如發(fā)生運行壓差過高或過低均需檢查過濾器的狀態(tài)，必要時更換過濾器。

2）清洗絲網除霧器。在停車檢修期間，拆除絲網除霧器，使用高壓水槍清洗除去雜質，但要及時烘干，防止出現(xiàn)稀酸腐蝕。

1.2.2 干燥塔除霧器腐蝕

干燥塔除霧器的腐蝕因素主要有操作運行和產品設計兩個方面：

1）由于高濃度硫酸具有強氧化性，會在金屬表面形成鈍化膜防止金屬腐蝕，但是當w(H2SO4)低于93%時，硫酸會對金屬產生明顯的腐蝕影響，而循環(huán)酸由于不斷吸收空氣中的水分，濃度會逐漸降低，所以需要不斷地補充濃硫酸以維持循環(huán)酸的濃度。

2）采用劣質不合格的金屬絲也會導致絲網過早發(fā)生腐蝕。硫酸干燥塔除霧器絲網的金屬材質需要經過機械拉伸、成型、編制、鈍化等多道工序處理，以保證其孔隙率、比表面積、填充密度、絲徑圓整率和表面光潔度等。通過準確設計和生產的除霧器使用壽命可以達到5年以上，但不合理的設計加上原材料加工工藝的控制不當，會明顯降低其性能，嚴重的還會出現(xiàn)金屬纖維腐蝕、坍塌等問題。

在生產操作過程中，配備監(jiān)控儀表對循環(huán)酸濃度實時監(jiān)測。由于陰雨和晴朗天氣空氣中的含濕量變化較大，引入空氣的含濕量會隨天氣的變化而變化，單位體積的水蒸氣含量也會有所波動，因而補充循環(huán)酸的量和頻率也要根據室外天氣的變化而及時調整。另外，對于長時間停車的硫酸裝置需要及時封堵進氣口，防止含有大量水分的室外空氣進入干燥塔，對除霧器產生稀酸腐蝕。

1.2.3 除霧器出口硫酸霧量過大

如果干燥塔除霧器在排除絲網堵塞和存在質量問題之后，硫酸霧的捕集效果仍然不是很理想，那么需要進行除霧器的氣體流速設計檢查。干燥塔除霧器采用絲網結構，由于其除霧機理為慣性碰撞和攔截去除氣體中的液滴，為達到慣性作用力需要使氣體流速達到設計值，才能達到良好的硫酸霧捕集效果，氣體流速過高或過低都會影響氣液的分離效果。

2 吸收塔除霧器

吸收塔分為一吸塔和二吸塔，是使用除霧器最多的兩個塔體。吸收塔硫酸霧的產生主要基于化學反應，其硫酸霧粒徑較干燥塔明顯偏小，大部分位于亞微米區(qū)間。具有低溫熱回收工藝的硫酸吸收塔由于循環(huán)酸溫度明顯高于傳統(tǒng)工藝，產生的硫酸霧粒徑也會更小，且更多地集中在亞微米區(qū)間，其硫酸霧負荷也更大，通常在5～50 g/m3（具體值取決于循環(huán)酸的溫度和流速），所以對除霧器的性能要求更高。

一吸塔主要采用高效除霧器或超高效除霧器，安裝形式分為站立式和懸掛式；二吸塔多采用經濟型除霧器，安裝方式多為站立式。吸收塔除霧器安裝方式見圖2和圖3。

圖2 站立式除霧器安裝方式

圖3 懸掛式除霧器安裝方式

2.1 一吸塔除霧器

一吸塔使用的高效纖維除霧器采用特殊處理過的超細玻璃纖維作為過濾介質。目前高端除霧器采用的玻璃纖維大多經熔融工藝生產而后采用特殊的化學處理后抽絲而成，在含有硫酸的高腐蝕環(huán)境中對亞微米硫酸霧的去除效果表現(xiàn)優(yōu)異，正常使用壽命可以達到10年以上。一吸塔除霧器常見的故障主要有出口硫酸霧超標、運行壓差過大和纖維腐蝕等。

2.1.1 出口硫酸霧超標

出口硫酸霧超標主要有除霧器設計不合理、安裝不規(guī)范和發(fā)生短路等原因。一吸塔高效除霧器的工作原理為靠布朗運動產生的粘滯力將亞微米粒徑的液滴通過纖維捕集、凝結并形成大液滴，并通過重力和氣流的推動進行收集。一吸塔對氣體流速的控制、氣流分布、除霧器纖維的選型、除霧器的尺寸規(guī)格等都有嚴格的要求。

圖4為除霧器的氣流分布示意圖，表示各除霧器流量分配的均勻程度。一般來講對于圓形塔體，靠近中心的除霧器處理氣量較四周的要高一些，為保證同一塔體內各除霧器處理氣量的均勻性，最優(yōu)設計會將除霧器進行編號，要求業(yè)主按照設計的除霧器編號進行對位安裝。

圖4 纖維除霧器氣流分布示意

圖5給出了不同位置單只除霧器氣流沿軸向流速的變化曲線，該曲線表明正確設計和加工的除霧器測得的氣流速度與軸向距入口距離的數據呈線性關系。數據測定方法為：除霧器被安裝在花板各法蘭孔上，氣流通過法蘭孔進入除霧器，沿高度方向不斷上升，同時沿徑向方向穿過過濾層向四周擴散。以除霧器軸向向上的速度矢量作為檢測點，如果氣流向四周均勻擴散，那么單位長度上除霧器處理的氣量是一致的，該檢測的速度矢量也會在除霧器高度方向從下往上逐漸減小。

圖5 單只纖維除霧器軸向流速分布圖

安裝不規(guī)范也是造成除霧器常見故障的因素之一，比如密封墊片沒有按照操作流程安裝，造成局部短路、液封管或液封杯沒有預先進行注酸液封等。墊片安裝不規(guī)范會造成氣流短路使除霧效率下降。除霧器一般配套四氟帶或整體四氟墊片作法蘭密封，四氟帶為窄面材料，成本較低，需要交錯圍繞螺栓安裝，對現(xiàn)場安裝要求較高，容易因安裝不規(guī)范導致泄漏。整體四氟墊片按照法蘭整體切割成型，安裝時只需將四氟墊片與法蘭螺栓孔對準即可，現(xiàn)場安裝和檢修極為方便，可靠性更高。目前為了杜絕因墊片安裝不規(guī)范對除霧效果產生不利影響，有條件的廠家開始使用整體四氟墊片，但其造價遠高于四氟帶。四氟墊片具有彈性，需要按順序逐步緊固才能保證密封良好，16個螺栓的緊固順序見圖6。

圖6 16個螺栓的緊固順序示意

2.1.2 運行壓差過大

運行壓差較大屬于除霧器較為常見的故障，一般來講除霧器的運行壓差是在工藝參數約定的情況下設計，運行氣量、溫度、壓力及硫酸霧負荷等因素都會影響除霧器的運行壓差。但大多數情況下，酸泥堵塞是除霧器運行壓差過大的因素之一。通過設計除霧器預過濾器，將酸泥在進入主除霧器之前進行攔截，達到保護下游主除霧器的目的。建議在每個檢修期間清理預過濾器表面的酸泥或者視使用情況進行更換。

2.1.3 除霧器纖維腐蝕

除霧器除了出現(xiàn)運行壓差過大，還可能會出現(xiàn)運行壓差偏低的情況，此時需要檢查除霧器是否發(fā)生短路。所謂“短路”，是指氣體沒有經過除霧器過濾層而直接進入下游，使得除霧器過濾作用失效，即使單只除霧器發(fā)生短路，對整個塔體除霧效果的影響都是致命的。

纖維層腐蝕或者坍塌是除霧器發(fā)生短路的常見情況。如果處理氣體中含有氟化物，玻璃纖維微米級的絲徑在含有高濃度氟化氫的環(huán)境中很容易被腐蝕。嚴格意義上來講，任何濃度的氟化氫對玻璃纖維都會有腐蝕作用，所以需要檢查上游凈化工序的脫氟效果，嚴格控制煙氣中氟化物的含量，尤其是對于冶煉煙氣制酸工藝。針對煙氣含氟的工況，近些年有硫酸廠開始使用碳纖維除霧器，但在實際運行中，也已出現(xiàn)除霧器發(fā)生腐蝕的情況，因此碳纖維除霧器的運行效果還有待進一步驗證。

2.2 二吸塔除霧器

二吸塔采用的除霧器單只尺寸較小，處理氣量是高效除霧器的3～5倍，所以在同等氣量下二吸塔使用的除霧器較高效除霧器的數量要少，可以節(jié)省設備投資，故稱之為“經濟型除霧器”。采用經濟型除霧器也能保證出口硫酸霧(ρ)小于20 mg/m3。

現(xiàn)有大部分硫酸廠將氣體經過二吸塔處理后直接通過煙囪排入大氣，但隨著國家對大氣污染物排放控制得日益嚴格，硫酸霧(ρ)的排放標準也從50 mg/m3逐步提高到20 mg/m3和5 mg/m3，因而很多硫酸廠面臨著尾氣處理裝置的改造，傳統(tǒng)方式為在二吸塔下游加裝尾吸塔，進一步除去尾氣中的SO2和硫酸霧。新建硫酸廠為了降低尾吸塔的運行負荷，會將二吸塔除霧器設計成高效纖維除霧器，盡可能地將硫酸霧在進入脫硫塔之前捕集下來。

3 尾吸塔除霧器

尾吸塔除霧器安裝于尾吸塔上部，根據脫硫工藝的選擇可設計成絲網式、葉片式或高效纖維除霧器。

隨著國家環(huán)保法規(guī)的日趨嚴格，尾吸塔除霧器作為整個硫酸生產流程的把關排放設備，對尾氣硫酸霧達標排放起關鍵作用。但考慮到成本因素，大多數尾吸塔采用板式絲網除霧器，但對于硫酸霧(ρ)不高于5 mg/m3的排放要求，按現(xiàn)行的HJ 544—2016 《固定污染源廢氣 硫酸霧的測定 離子色譜法》檢測，絲網除霧器的除霧效果完全滿足排放標準會有一定難度，因此推薦使用高效纖維除霧器用于尾吸塔，且在國內外已有成功案例。

4 結語

通過對硫酸生產裝置干燥塔、吸收塔和尾吸塔除霧器的應用情況和常見故障進行分析，提出了以下幾種解決方案，為硫酸生產企業(yè)除霧器的檢修和故障排除提供參考指導意見：

1）硫酸生產使用的除霧器需要根據不同工況和使用要求進行選型設計，同時應嚴格控制煙氣中氟化物的含量。

2）除霧器的設計、加工制作和性能檢測對除霧器質量和性能的影響至關重要。對于除霧器常見故障，可以通過對除霧器專業(yè)設計、生產和檢測予以避免。

3）除霧器安裝和系統(tǒng)運行操作的不規(guī)范也會導致除霧器出現(xiàn)故障，通過配備監(jiān)控儀表對循環(huán)酸濃度和空氣過濾器運行壓差實時監(jiān)測，可以減少除霧器的腐蝕，即時了解除霧器的運行狀態(tài)。

4）隨著環(huán)保標準的日趨嚴格，為使尾氣硫酸霧(ρ)達到5 mg/m3的排放標準，推薦尾吸塔設計采用高效纖維除霧器。