除雾器在硫酸生产中的应用及故障分析

王以飞

[希柯普尔利斯（中国）环保设备有限公司，上海 201103]

除雾器也称之为纤维除雾器、烛式过滤器、纤维床除雾器、过滤元件等，被大量应用于硫酸生产中的干燥塔、一吸塔、二吸塔和尾吸塔收集硫酸雾，实现保护下游设备和尾气达标排放的目的。硫酸雾的形成主要有三种机理[1]：①机械作用：由于气流速度差等机械惯性作用，从液膜或液滴中依靠剪切力产生粒径更小的液滴（雾）分离并悬浮在气流中，形成硫酸雾；②热变化：由于存在温度变化，冷却气体降到露点以下成为过饱和态而产生冷凝析出液滴，形成硫酸雾；③化学反应：SO3蒸气和水蒸气发生化学反应产生液态硫酸液滴，形成硫酸雾。这三种机理同时存在于硫酸雾的形成过程中，机械作用形成的液滴往往较大，而最细的液滴是通过化学反应形成的。除雾器是将气体中的液滴进行分离的设备，也称之为气液分离器。根据处理对象粒径的不同和效率的要求，可分为高效除雾器、节能型除雾器、经济型除雾器、丝网除雾器、叶片除雾器和旋流器等。

该文重点分析了硫酸生产装置干燥塔、吸收塔和尾吸塔除雾器的应用情况、常见故障及解决方案。

1 干燥塔除雾器

1.1 干燥塔除雾器的结构

干燥塔多采用w(H2SO4)98%浓硫酸喷淋吸收引入空气的水分同时除去杂质，为硫磺焚烧提供干燥的氧气。室外空气经过分酸器和填料与浓硫酸充分接触，其中的水分和粉尘颗粒物被净化除去，但空气中会夹带着硫酸雾液滴，容易造成设备腐蚀，所以需要在干燥塔顶部安装除雾器去除夹带的硫酸雾。由于干燥塔硫酸雾的形成主要是基于机械碰撞原理，所以产生的液滴粒径相对较大，大部分粒径分布在0.6～10 μm。干燥塔除雾器的传统设计为单层结构的丝网除雾器，硫酸雾去除效率能达到90%，如要求更高的去除效率，则会采用双层结构设计，如图1所示。

图1 干燥塔除雾器双层结构示意

干燥塔除雾器多采用金属丝网编制结构，采用304、316L、alloy20、高硅钢等金属材料。为提高小液滴的捕集效率也可采用混编结构，即在丝网中编入特氟龙、玻璃纤维等材料，但成本也会增加。

1.2 干燥塔除雾器常见故障及处理措施

1.2.1 运行压差超过设计值

运行压差超过设计值多是由于待处理空气的前端净化装置故障或者取风口位置不合理造成丝网堵塞。取风口多采用滤筒式过滤器，随着运行时间的积累，空气中的杂质在滤筒内部不断堆积，过滤压差变大，甚至出现穿孔造成气流短路而使过滤效率下降，此时空气中的灰尘容易进入干燥塔，与循环酸形成酸泥堵塞在丝网除雾器内部，日积月累导致运行压差过大。

为解决上述故障，可采取以下两种处理方法：

1）检查空气净化装置是否发生破损或者堵塞。在空气过滤器后端安装压力监控仪表，实时监测空气过滤器运行压差，如发生运行压差过高或过低均需检查过滤器的状态，必要时更换过滤器。

2）清洗丝网除雾器。在停车检修期间，拆除丝网除雾器，使用高压水枪清洗除去杂质，但要及时烘干，防止出现稀酸腐蚀。

1.2.2 干燥塔除雾器腐蚀

干燥塔除雾器的腐蚀因素主要有操作运行和产品设计两个方面：

1）由于高浓度硫酸具有强氧化性，会在金属表面形成钝化膜防止金属腐蚀，但是当w(H2SO4)低于93%时，硫酸会对金属产生明显的腐蚀影响，而循环酸由于不断吸收空气中的水分，浓度会逐渐降低，所以需要不断地补充浓硫酸以维持循环酸的浓度。

2）采用劣质不合格的金属丝也会导致丝网过早发生腐蚀。硫酸干燥塔除雾器丝网的金属材质需要经过机械拉伸、成型、编制、钝化等多道工序处理，以保证其孔隙率、比表面积、填充密度、丝径圆整率和表面光洁度等。通过准确设计和生产的除雾器使用寿命可以达到5年以上，但不合理的设计加上原材料加工工艺的控制不当，会明显降低其性能，严重的还会出现金属纤维腐蚀、坍塌等问题。

在生产操作过程中，配备监控仪表对循环酸浓度实时监测。由于阴雨和晴朗天气空气中的含湿量变化较大，引入空气的含湿量会随天气的变化而变化，单位体积的水蒸气含量也会有所波动，因而补充循环酸的量和频率也要根据室外天气的变化而及时调整。另外，对于长时间停车的硫酸装置需要及时封堵进气口，防止含有大量水分的室外空气进入干燥塔，对除雾器产生稀酸腐蚀。

1.2.3 除雾器出口硫酸雾量过大

如果干燥塔除雾器在排除丝网堵塞和存在质量问题之后，硫酸雾的捕集效果仍然不是很理想，那么需要进行除雾器的气体流速设计检查。干燥塔除雾器采用丝网结构，由于其除雾机理为惯性碰撞和拦截去除气体中的液滴，为达到惯性作用力需要使气体流速达到设计值，才能达到良好的硫酸雾捕集效果，气体流速过高或过低都会影响气液的分离效果。

2 吸收塔除雾器

吸收塔分为一吸塔和二吸塔，是使用除雾器最多的两个塔体。吸收塔硫酸雾的产生主要基于化学反应，其硫酸雾粒径较干燥塔明显偏小，大部分位于亚微米区间。具有低温热回收工艺的硫酸吸收塔由于循环酸温度明显高于传统工艺，产生的硫酸雾粒径也会更小，且更多地集中在亚微米区间，其硫酸雾负荷也更大，通常在5～50 g/m3（具体值取决于循环酸的温度和流速），所以对除雾器的性能要求更高。

一吸塔主要采用高效除雾器或超高效除雾器，安装形式分为站立式和悬挂式；二吸塔多采用经济型除雾器，安装方式多为站立式。吸收塔除雾器安装方式见图2和图3。

图2 站立式除雾器安装方式

图3 悬挂式除雾器安装方式

2.1 一吸塔除雾器

一吸塔使用的高效纤维除雾器采用特殊处理过的超细玻璃纤维作为过滤介质。目前高端除雾器采用的玻璃纤维大多经熔融工艺生产而后采用特殊的化学处理后抽丝而成，在含有硫酸的高腐蚀环境中对亚微米硫酸雾的去除效果表现优异，正常使用寿命可以达到10年以上。一吸塔除雾器常见的故障主要有出口硫酸雾超标、运行压差过大和纤维腐蚀等。

2.1.1 出口硫酸雾超标

出口硫酸雾超标主要有除雾器设计不合理、安装不规范和发生短路等原因。一吸塔高效除雾器的工作原理为靠布朗运动产生的粘滞力将亚微米粒径的液滴通过纤维捕集、凝结并形成大液滴，并通过重力和气流的推动进行收集。一吸塔对气体流速的控制、气流分布、除雾器纤维的选型、除雾器的尺寸规格等都有严格的要求。

图4为除雾器的气流分布示意图，表示各除雾器流量分配的均匀程度。一般来讲对于圆形塔体，靠近中心的除雾器处理气量较四周的要高一些，为保证同一塔体内各除雾器处理气量的均匀性，最优设计会将除雾器进行编号，要求业主按照设计的除雾器编号进行对位安装。

图4 纤维除雾器气流分布示意

图5给出了不同位置单只除雾器气流沿轴向流速的变化曲线，该曲线表明正确设计和加工的除雾器测得的气流速度与轴向距入口距离的数据呈线性关系。数据测定方法为：除雾器被安装在花板各法兰孔上，气流通过法兰孔进入除雾器，沿高度方向不断上升，同时沿径向方向穿过过滤层向四周扩散。以除雾器轴向向上的速度矢量作为检测点，如果气流向四周均匀扩散，那么单位长度上除雾器处理的气量是一致的，该检测的速度矢量也会在除雾器高度方向从下往上逐渐减小。

图5 单只纤维除雾器轴向流速分布图

安装不规范也是造成除雾器常见故障的因素之一，比如密封垫片没有按照操作流程安装，造成局部短路、液封管或液封杯没有预先进行注酸液封等。垫片安装不规范会造成气流短路使除雾效率下降。除雾器一般配套四氟带或整体四氟垫片作法兰密封，四氟带为窄面材料，成本较低，需要交错围绕螺栓安装，对现场安装要求较高，容易因安装不规范导致泄漏。整体四氟垫片按照法兰整体切割成型，安装时只需将四氟垫片与法兰螺栓孔对准即可，现场安装和检修极为方便，可靠性更高。目前为了杜绝因垫片安装不规范对除雾效果产生不利影响，有条件的厂家开始使用整体四氟垫片，但其造价远高于四氟带。四氟垫片具有弹性，需要按顺序逐步紧固才能保证密封良好，16个螺栓的紧固顺序见图6。

图6 16个螺栓的紧固顺序示意

2.1.2 运行压差过大

运行压差较大属于除雾器较为常见的故障，一般来讲除雾器的运行压差是在工艺参数约定的情况下设计，运行气量、温度、压力及硫酸雾负荷等因素都会影响除雾器的运行压差。但大多数情况下，酸泥堵塞是除雾器运行压差过大的因素之一。通过设计除雾器预过滤器，将酸泥在进入主除雾器之前进行拦截，达到保护下游主除雾器的目的。建议在每个检修期间清理预过滤器表面的酸泥或者视使用情况进行更换。

2.1.3 除雾器纤维腐蚀

除雾器除了出现运行压差过大，还可能会出现运行压差偏低的情况，此时需要检查除雾器是否发生短路。所谓“短路”，是指气体没有经过除雾器过滤层而直接进入下游，使得除雾器过滤作用失效，即使单只除雾器发生短路，对整个塔体除雾效果的影响都是致命的。

纤维层腐蚀或者坍塌是除雾器发生短路的常见情况。如果处理气体中含有氟化物，玻璃纤维微米级的丝径在含有高浓度氟化氢的环境中很容易被腐蚀。严格意义上来讲，任何浓度的氟化氢对玻璃纤维都会有腐蚀作用，所以需要检查上游净化工序的脱氟效果，严格控制烟气中氟化物的含量，尤其是对于冶炼烟气制酸工艺。针对烟气含氟的工况，近些年有硫酸厂开始使用碳纤维除雾器，但在实际运行中，也已出现除雾器发生腐蚀的情况，因此碳纤维除雾器的运行效果还有待进一步验证。

2.2 二吸塔除雾器

二吸塔采用的除雾器单只尺寸较小，处理气量是高效除雾器的3～5倍，所以在同等气量下二吸塔使用的除雾器较高效除雾器的数量要少，可以节省设备投资，故称之为“经济型除雾器”。采用经济型除雾器也能保证出口硫酸雾(ρ)小于20 mg/m3。

现有大部分硫酸厂将气体经过二吸塔处理后直接通过烟囱排入大气，但随着国家对大气污染物排放控制得日益严格，硫酸雾(ρ)的排放标准也从50 mg/m3逐步提高到20 mg/m3和5 mg/m3，因而很多硫酸厂面临着尾气处理装置的改造，传统方式为在二吸塔下游加装尾吸塔，进一步除去尾气中的SO2和硫酸雾。新建硫酸厂为了降低尾吸塔的运行负荷，会将二吸塔除雾器设计成高效纤维除雾器，尽可能地将硫酸雾在进入脱硫塔之前捕集下来。

3 尾吸塔除雾器

尾吸塔除雾器安装于尾吸塔上部，根据脱硫工艺的选择可设计成丝网式、叶片式或高效纤维除雾器。

随着国家环保法规的日趋严格，尾吸塔除雾器作为整个硫酸生产流程的把关排放设备，对尾气硫酸雾达标排放起关键作用。但考虑到成本因素，大多数尾吸塔采用板式丝网除雾器，但对于硫酸雾(ρ)不高于5 mg/m3的排放要求，按现行的HJ 544—2016 《固定污染源废气 硫酸雾的测定 离子色谱法》检测，丝网除雾器的除雾效果完全满足排放标准会有一定难度，因此推荐使用高效纤维除雾器用于尾吸塔，且在国内外已有成功案例。

4 结语

通过对硫酸生产装置干燥塔、吸收塔和尾吸塔除雾器的应用情况和常见故障进行分析，提出了以下几种解决方案，为硫酸生产企业除雾器的检修和故障排除提供参考指导意见：

1）硫酸生产使用的除雾器需要根据不同工况和使用要求进行选型设计，同时应严格控制烟气中氟化物的含量。

2）除雾器的设计、加工制作和性能检测对除雾器质量和性能的影响至关重要。对于除雾器常见故障，可以通过对除雾器专业设计、生产和检测予以避免。

3）除雾器安装和系统运行操作的不规范也会导致除雾器出现故障，通过配备监控仪表对循环酸浓度和空气过滤器运行压差实时监测，可以减少除雾器的腐蚀，即时了解除雾器的运行状态。

4）随着环保标准的日趋严格，为使尾气硫酸雾(ρ)达到5 mg/m3的排放标准，推荐尾吸塔设计采用高效纤维除雾器。