李忠于

（中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048）

硫酸裝置生產(chǎn)過程中，煙氣的干燥、SO3吸收及尾氣脫硫處理等工序會因存在氣液兩相熱量交換、密切接觸或機械力的作用，而產(chǎn)生大量懸浮液滴。這些液滴被統(tǒng)稱為酸霧。酸霧如伴隨煙氣存在于裝置內(nèi)，會造成設(shè)備、管道腐蝕或催化劑中毒；如排放尾氣中酸霧超標，則會造成大氣污染，因此必須將其脫除。纖維除霧器因其令人滿意的運行效果，被廣泛應(yīng)用于硫酸裝置。

筆者從懸浮液滴和床層纖維兩個角度分析了纖維除霧器除霧機理，闡述纖維除霧器在不同原料制酸系統(tǒng)中應(yīng)用的選型要求及如何避免使用故障，并結(jié)合除霧機理思考其床層纖維的選擇、設(shè)置，以提高纖維除霧器的除霧率及可靠性，從而提高硫酸裝置運行效率。

1 懸浮液滴的主要組成

懸浮液滴以煙、霧和沫為主要組分，可依靠重力緩慢下沉。由于化工生產(chǎn)工藝的多樣性和復雜性，產(chǎn)生的懸浮液滴粒徑分布范圍很廣。

懸浮液滴的命名，按粒徑大小分為 4類：①粒徑大于100 μm的為噴霧；②粒徑在50～100 μm的為霧沫；③粒徑在1～50 μm的為霧；④粒徑在0.1～1.0 μm的為煙霧。Perry在著作《化學工程師手冊》中，又以10 μm為界線進行了分類：粒徑小于10 μm的為霧沫，大于10 μm的為噴霧。Holmes和Chen也基本遵照該方法，但規(guī)定得更明確，粒徑在10～1 000 μm或更大的液滴統(tǒng)稱為噴霧；粒徑在1～10 μm或更小的稱為霧沫[1]。隨著近年來粒徑分析技術(shù)的發(fā)展，懸浮液滴粒徑的測量最小精度已達到0.005 μm以下，但對各種粒徑分布范圍的懸浮液滴仍無準確命名。

為更好地捕集硫酸裝置中的酸霧，首先要了解與酸霧形成有密切關(guān)系的工藝過程，因為粒徑分布主要與運行條件有關(guān)。確定酸霧的粒徑分布范圍是做好除霧的先決條件。

硫酸裝置中，酸霧主要源自驟冷（如吸收酸與煙氣的逆向接觸）或化學反應(yīng)（如SO3和H2O結(jié)合過程）。酸沫是由機械力造成的，如分酸器的噴濺、噴淋酸與填料層的碰撞、填料對噴淋酸的剪切力作用等。

硫酸裝置中，不同位置產(chǎn)生的酸霧粒徑范圍分布見圖1。

圖1 硫酸裝置中不同位置產(chǎn)生的酸霧粒徑范圍

由圖1可見：最終吸收塔和中間吸收塔內(nèi)生成的粒徑低于1 μm的酸霧超過50%。酸霧粒徑分布也因吸收酸溫度、酸濃度及吸收硫酸與煙氣的溫差不同而發(fā)生變化。例如，硫酸裝置生產(chǎn)發(fā)煙硫酸時，發(fā)煙硫酸吸收塔內(nèi)主煙氣與旁路氣體溫差大，在兩股氣流混合時，因驟冷會產(chǎn)生大量亞微粒酸霧。

2 除霧機理

任何除霧器的除霧機理都是依靠懸浮液滴的運動，是其本身的動能形成的慣性碰撞、攔截及布朗運動等共同作用的結(jié)果。

在硫酸裝置中，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。由于慣性及對纖維的沖擊，5～10 μm粒徑的酸霧離開氣流，直接撞擊在纖維表面。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。

更小液滴由于慣性較小，只能繼續(xù)跟隨氣流移動。這些液滴通過纖維之間距離較近的間隙時，會連同逃逸的較大液滴一同被攔截。在硫酸裝置中，酸霧中粒徑在1～10 μm的液滴均可被該機理捕集。

粒徑低于1 μm的液滴，因質(zhì)量過小，在氣體分子作用下隨機出現(xiàn)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。

與以上3種主要除霧機理共同工作的還有范德華力（包括靜電力、分子間作用力等），雖然分子之間的靜電作用相對較弱、作用距離較短，但該機理對酸霧中極細微液滴的捕集起著至關(guān)重要的作用。懸浮液滴在氣流中的運動軌跡見圖2，懸浮液滴在纖維周邊受力及軌跡見圖3。

圖2 懸浮液滴在氣流中的運動軌跡

圖3 懸浮液滴在纖維周邊受力及軌跡

目前的纖維除霧器，大部分使用隨機排列的纖維作為除霧床，除霧床纖維彼此之間形成的微通道將含霧煙氣分離成無數(shù)股細小的支氣流，從而保證每根纖維都與煙氣充分接觸并起到捕集效果。

從纖維除霧器的角度考慮，整個除霧過程是床層纖維不斷被潤濕-干燥的過程，即液滴在纖維表面黏附、破裂、聚并、脫離的過程。結(jié)合碰撞、攔截和布朗運動等除霧機理，纖維被潤濕過程可分為偏心潤濕和近心潤濕2種。攔截、布朗運動及范德華力除霧屬偏心潤濕，慣性碰撞屬近心潤濕。

纖維表面潤濕-干燥變化情況見圖4～5。

圖5 近心潤濕纖維表面潤濕-干燥過程

通過對單根纖維捕集機理的研究發(fā)現(xiàn)，單根纖維的幾何特性（如形狀、直徑等）、比表面積、靜電性能、模量特性（包括剛度、硬度等），甚至纖維是否經(jīng)過表面處理，均可影響除霧的效果[2]。

分析除霧過程中纖維表面潤濕的過程變化，是基于纖維除霧器床層纖維的選擇考慮。纖維表面的液滴，不斷聚并煙氣中的液滴而增大；粒徑增大的液滴，需克服表面張力、纖維間的毛細作用力，才能在重力及流體拽力的作用下排出纖維床層。液體脫離纖維的速率是影響整個纖維除霧器阻力降甚至關(guān)系到是否能夠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。另一方面，前面提到的范德華力對除霧的作用，也可通過纖維的表面處理來進行改善。為提高纖維除霧器的除霧性能、保證其能更穩(wěn)定有效地運行，床層纖維進行必要的表面處理至關(guān)重要。

另一方面，纖維除霧器下游的排水層纖維采用特殊疏水處理，對提高分離所捕集到的酸霧，避免再次帶入氣體內(nèi)有很好的效果。液滴在纖維上的破裂、聚并和脫離過程見圖6。

圖6 液滴在纖維上的破裂、聚并和脫離過程

3 除霧效率計算

纖維除霧器的除霧效率是考核除霧性能的首要指標，尤其在硫酸裝置，更直接關(guān)系到整個裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性。除霧效率的公式如下：

式中：ηf——針對液滴不同粒徑的分級除霧效率，%；

α——纖維床層的比表面積，m2/m3；

N——纖維床層厚度，m；

ηi——對粒徑為i的液滴的靶效率，為慣性分離數(shù)K的函數(shù)。

式中：ρε——液滴密度，kg/m3；

dt——液滴粒徑，m；

Vg——煙氣流速，m/s；

μg——煙氣黏度，kg/(m·s)；

dw——單纖維直徑，m。

由此，可推算出纖維除霧器的總除霧效率及針對各粒徑液滴的分除霧效率。

為追求計算的準確性，可根據(jù)雷諾數(shù)效應(yīng)，結(jié)合設(shè)計煙氣通過纖維除霧器床層的流速及纖維的單絲直徑，來判定煙氣繞單根纖維流動時的流態(tài)，并計算單根纖維的除霧效率ηs，再利用以下公式來計算總除霧效率。

式中：α——纖維過濾材料填充系數(shù)；

ηs——單絲復合機理除霧效率，%；

t——纖維床層的厚度，m；

dw——為床層纖維的單絲直徑，m。

經(jīng)對比，2種方法總除霧效率的計算值均與試驗實測值近似。

4 床層壓降計算

纖維除霧器的床層壓降是考核其性能的另一重要指標。硫酸生產(chǎn)裝置中，床層壓降每升高1 kPa，風機每輸送1 000 m3/h的煙氣需增加0.4 kWh的動力消耗。床層壓降分清潔狀態(tài)和操作狀態(tài)2種。操作狀態(tài)下，床層壓降影響因素過多，現(xiàn)只對清潔狀態(tài)下床層壓降進行理論計算。床層壓降的計算公式如下：

式中：f——床層纖維的摩擦系數(shù)；

Vg——煙氣流速，m/s；

N——纖維床層厚度，m；

ρg——煙氣密度，kg/m3；

ε——床層纖維的空隙率；

dw——單纖維直徑，m。其中：

式中：μg——煙氣黏度，kg/(m·s)。

根據(jù)以上各項煙氣條件，可得出纖維除霧器的床層壓降。同樣，針對纖維除霧器的床層壓降，也可應(yīng)用戴維斯表達式來精確計算[3]。

式中：μ——煙氣黏度，kg/(m·s)；

V——煙氣流速，m/s；

N——纖維床層厚度，m；

B——床層纖維的特定透過度，是纖維填充密度的函數(shù)；

ε——為床層纖維的空隙率；

df——單纖維平均幾何半徑，m。

5 纖維除霧器的選型

我國目前硫酸產(chǎn)能已超過120 Mt/a，其中硫鐵礦制酸約占19%，硫磺制酸約占44%，冶煉煙氣（含銅、鋅、鉛、金、鉬、銦等）制酸約占35%，其他制酸約占2%。纖維除霧器在硫酸裝置中應(yīng)用廣泛，其作用已得到廣大硫酸業(yè)者的認同。隨著技術(shù)的發(fā)展，不同品牌纖維除霧器的性能差異在不斷縮小，應(yīng)用實例也多有報道。針對纖維除霧器的選型，筆者提出一些參考性意見。

5.1 硫鐵礦制酸

該裝置原料礦來源的不確定性和礦源成分的復雜性，造成多數(shù)硫鐵礦制酸裝置煙氣特點是含塵高，多含砷、氟等雜質(zhì)元素。纖維除霧器多應(yīng)用在硫鐵礦制酸裝置干吸工序的吸收塔（如采用兩段焙燒，則為第一、第二吸收塔）。鐵礦制酸裝置凈化工序無法完全去除煙氣中的塵、砷、氟等成分。其中的塵、氟成分，對纖維除霧器的選型有很大影響。

大粒徑（大于10 μm）的塵，會附著在纖維除霧器上層表面，和酸霧混合，形成稀泥樣物質(zhì)；而小粒徑的塵，不僅附著于纖維除霧器表面，還可穿進纖維床層內(nèi)部。無論塵以何種形式被捕集，都可造成纖維除霧器堵塞，引起壓差增大、除霧性能下降甚至損壞，從而造成整個裝置動力消耗增加甚至影響裝置的連續(xù)運行。

針對塵含量超標，首先要考慮凈化工序循環(huán)酸排量，增強洗滌效果。在纖維除霧器選型時，可考慮增加可簡單拆卸的犧牲層。

由于目前通用的纖維除霧器床層纖維主要成分為SiO2，如煙氣含大量氟離子，F(xiàn)-極易與SiO2反應(yīng)生成升華的SiF4。根據(jù)F-濃度，纖維除霧器會在短時間內(nèi)被嚴重腐蝕，出現(xiàn)孔洞和纖維損壞現(xiàn)象。

煙氣中氟離子含量高時，需在凈化工序循環(huán)酸中加入水玻璃，同時增加循環(huán)酸的外排量，以得到相對潔凈的煙氣。裝置凈化工序循環(huán)液中塵、氟的含量與風機出口煙氣中含量之間的對應(yīng)關(guān)系，可對實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行檢測，從而指導生產(chǎn)，確定合適的循環(huán)酸排放量。在纖維除霧器選型時，可選用不受氟離子腐蝕的碳纖維，但要做好損失部分除霧性能的準備。

5.2 冶煉煙氣制酸

冶煉煙氣制酸裝置與硫鐵礦制酸裝置類似，煙氣也含有塵、氟等雜質(zhì)。因為冶煉爐選用的不同，增加了焦油或氮氧化物的成分。

如只針對塵、氟，裝置的工藝操作及纖維除霧器可參照硫鐵礦制酸裝置。

煙氣中如含有焦油，一般會在干燥塔頂絲網(wǎng)除沫器位置有明顯表征。在纖維除霧器選型方面可不予考慮。如氮氧化物成分含量高，系統(tǒng)在沒有設(shè)置脫硝裝置的情況下，會在吸收工序形成大量亞硝基硫酸。低于一定溫度，該物質(zhì)會附著在纖維除霧器表面形成冰樣膜，使纖維除霧器壓差成倍增加。這種情況下，建議系統(tǒng)設(shè)置脫硝裝置，并適當增加吸收酸溫度。在纖維除霧器選型時，也要考慮增加可拆卸的犧牲層。

5.3 硫磺制酸

由于硫磺易升華的特性，加上儀表、自調(diào)閥門等靈敏度的缺陷，硫磺制酸裝置也會發(fā)生硫磺在焚硫爐內(nèi)因缺氧燃燒不充分，而產(chǎn)生大量升華硫的問題。不可否認，硫磺制酸裝置是所有制酸系統(tǒng)中煙氣潔凈度最高的。因此，在纖維除霧器選型方面，除霧效率和操作費用是該裝置重點考慮因素。

5.4 廢酸再生制酸

廢酸再生制酸裝置因原料酸的來源復雜，煙氣中含有大量氮氧化物及碳的氧化物，碳的氧化物大部分以氣態(tài)形式存在，且對溫度變化不敏感，因此在系統(tǒng)操作及纖維除霧器選型時除了考慮除霧效率和操作費用外，還應(yīng)考慮氮氧化物的因素，可參照含氮氧化物的冶煉煙氣制酸系統(tǒng)。

5.5 其他關(guān)鍵部位的應(yīng)用

除以上提到的應(yīng)用位置外，纖維除霧器由于優(yōu)異的除霧效果，也被應(yīng)用于硫酸生產(chǎn)裝置的其他關(guān)鍵部位。如浙江某公司為保護裝置的主鼓風機而在干燥塔后增設(shè)纖維除霧器；湖南某公司為保證尾氣達標排放，在尾氣脫硫塔頂增設(shè)纖維除霧器等。針對這些關(guān)鍵部位，纖維除霧器的選型需要考慮的因素更多，在此不在詳細闡述。

6 結(jié)語

硫酸生產(chǎn)裝置在選用纖維除霧器時，首先要了解酸霧的成因、在裝置內(nèi)的使用位置，并結(jié)合裝置自身的煙氣特點及纖維除霧器的除霧效率、壓降等相關(guān)性能指標綜合考慮。當然，生產(chǎn)過程中對各項操作指標的嚴格控制也是必不可少的，只有兩者相互結(jié)合，才能降低硫酸裝置的運行成本，確保裝置的長期穩(wěn)定運行。