新型碳纤维除雾器的应用

吴学荣

（江苏新宏大集团有限公司，江苏兴化225721）

烟气制酸和磷石膏制酸尽管是两种不同的制酸工艺路线，但两者的SO2气体中都夹带有一定量的氟并最终形成了氢氟酸。传统纤维除雾器的除雾元件是主要成分为二氧化硅的棉絮状玻璃纤维丝，可以去除烟气中的硫酸雾，起到保护二氧化硫鼓风机、换热器和催化剂的作用，能够提高装置运行率，有效控制硫酸装置尾气硫酸雾的排放[1]。纤维除雾器是制酸系统中较为关键的部件之一，它的失效会导致整个制酸系统乃至冶炼系统的停产，严重时还会腐蚀下游的设备。因此，纤维除雾器的合理选型对保证整个制酸系统长期稳定运行至关重要。

1 纤维除雾器

1.1 工作原理

纤维除雾器通常由内网笼、外网笼、端盖、纤维棉、安装法兰及密封垫等部件组成，纤维棉被装填到由内、外网笼所组成的环状空间内。除雾器的主要作用机制是悬浮液滴的布朗运动和汇聚，其除雾效率较高[2]。传统的玻璃纤维除雾器有以布朗扩散捕集作用为主的高效型除雾器，其特征是丝径较细、气速低，除雾效率较高；有以惯性冲击捕集作用为主的高速型除雾器，其特征是丝径稍粗、气速高，除雾效率稍低。对于直立式除雾器而言，酸雾气体由网笼内部经纤维棉向外扩散，在气体透过棉层的同时被捕集到的雾滴则从棉层外表面向下流出，从而实现气液分离。

1.2 失效形式

纤维除雾器的失效形式包括网笼变形、压力降增大及气体短路等。网笼变形一般是由于除雾器的机械强度设计不足或吊装不当造成的；压力降增大主要是由于固体物堵塞、排液不畅或气速设计不当引起的；气体短路主要是由于密封垫泄漏或纤维棉层腐蚀造成的。

在上述几种失效形式中，气体短路是最容易集中爆发且最为致命的问题，后果较为严重。一方面，仓库往往缺少大批量的备件，无法满足检修时效性的需要；另一方面，纤维棉层发生气体短路后会直接造成尾气排放超标，导致制酸系统停车，严重时还有可能威胁到前段冶炼系统的正常运行。云南某饲钙厂磷石膏制酸装置中纤维除雾器的腐蚀情况见图1。

图1 磷石膏制酸装置中纤维除雾器腐蚀情况

2 玻璃纤维除雾器失效原因分析及应对措施

2.1 失效原因分析

由图1可以看出，该饲钙厂磷石膏制酸装置的多个除雾器及同一除雾器的不同部位均出现了纤维棉层穿孔现象，在排除掉气速设计不合理等因素后，笔者分别对干燥塔、一吸塔和二吸塔的循环硫酸进行了取样分析，其检测结果见表1。

表1 干吸塔循环硫酸检测结果

由表1可知：干吸塔循环硫酸的浓度均控制在正常范围内，氯的含量较低可以忽略不计，但干燥塔、一吸塔和二吸塔硫酸的氟质量分数分别高达0.008%，0.009%，0.010%。对此，笔者在咨询相关的玻璃纤维供应商后得知，在选用玻璃纤维时循环硫酸中的w(F-)应控制在0.000 5%以下。由此可见，循环硫酸中的氟含量过高是造成玻璃纤维除雾器腐蚀穿孔的主要因素。

2.2 应对措施

烟气制酸中的氟主要来源于含氟矿石的冶炼，磷石膏制酸的氟主要来源于含氟磷石膏的焚烧。磷石膏中的氟来源于磷矿石，以水溶性氟（NaF）和难溶性氟（CaF2、NaSiF6）两种形式存在，硫酸分解磷矿时有20%～40%的氟进入磷石膏中[3]。这些氟在制酸系统中最终会形成氢氟酸，氢氟酸与玻璃纤维中的二氧化硅易发生化学反应从而腐蚀纤维棉层。由此可见，尽可能地降低循环酸中的氟含量对于减少玻璃纤维的腐蚀是十分有益的。

为减少纤维除雾器的腐蚀，可从源头上控制氟的夹带量或者提高纤维棉的适应性等方面入手。几种常见应对措施优缺点见表2。

表2 常见应对措施优缺点

由表2可知：强化烟气洗涤的方法具有见效慢、污水量多的缺点；提高电除雾装置的捕集效率虽然见效快，但投资大，后期运行成本高；磷石膏脱氟预处理方法存在工艺流程长、费用高、能耗高等诸多缺点；相比而言，提高纤维棉的适应性是一种既经济又可行的做法，且对除雾器的下游设备能起到一定的保护作用，故此方法值得优先考虑。

3 碳纤维除雾器

与玻璃纤维除雾器结构类似，碳纤维除雾器同样由内网笼、外网笼、端盖、纤维棉、安装法兰及密封垫等组成。碳纤维除雾器采用棉絮状碳纤维短丝、碳纤维毛毡作内外网笼的装填材料，碳纤维中的碳含量超过90%。由于碳元素的化学性质极为稳定，碳纤维在常见的有机溶剂、酸或碱中均不溶不胀，耐腐蚀性能优异，因此碳纤维对含有氢氟酸工况的适应性大大增强。碳纤维除雾器按照装填方式，分为填充式和缠绕式；按照生产成本高低，分为普通型和经济型；按照除雾效率高低，分为高效型和高速型；按照安装方式，分为直立式和悬吊式。

针对不同氟含量工况条件下的硫酸装置，江苏新宏大集团有限公司（以下简称新宏大）先后研制出4种不同的碳纤维除雾器产品，具体见表3。

表3 碳纤维除雾器产品分类

在不同的氟含量工况条件下，纤维除雾器的选用建议如下：

1）循环硫酸中w(F-)在0～0.001%，且对使用寿命期望值不高时，建议选用传统玻璃纤维除雾器。

2）循环硫酸中w(F-)在0.001%～0.002%，且对使用寿命期望值不高时，建议选用经济型碳纤维除雾器。

3）循环硫酸中w(F-)在0.001%～0.002%，且对使用寿命期望值较高时，建议选用标准型碳纤维除雾器。

4）循环硫酸中w(F-)≥0.002%时，建议优先选用标准型碳纤维除雾器。

图2为新宏大研制的新型碳纤维除雾器。

图2 新型碳纤维除雾器

4 应用实践

云南某饲钙厂磷石膏制酸装置玻璃纤维除雾器在使用25天后便出现了纤维棉层大面积腐蚀并造成了气体短路现象。经取样分析，干吸塔循环硫酸中的w(F-)在0.008%以上。2021年1月，该饲钙厂将一吸塔和二吸塔的玻璃纤维除雾器分别替换为新宏大C01、C02型碳纤维除雾器。该碳纤维除雾器自安装投用以来，运行较稳定，干吸塔主要运行指标正常。2022年2月制酸系统有过一次停车检修，技术人员对使用后的碳纤维除雾器进行了检查，未发现碳纤维棉层有明显的腐蚀及下沉现象。除雾器湿重、压力降、除雾效率等指标均在正常的使用范围内。由此可见，在保证同等除雾效果的前提下，碳纤维除雾器相对于传统玻璃纤维除雾器有着更加出色的耐氢氟酸腐蚀性能。

5 结语

与传统硫铁矿、硫黄制酸工艺不同，烟气制酸和磷石膏制酸装置中都会夹带一定量的氟。在国家大力提倡磷石膏减排的大背景下，磷石膏制酸联产水泥技术正在推广应用中。磷石膏中含有一定量的水溶性氟和难溶性氟，在脱氟工序缺失、洗涤或电除雾效果出现波动时，被带入制酸系统中的氟会形成氢氟酸，玻璃纤维与氢氟酸发生化学反应易产生腐蚀及穿孔现象。此时酸雾气体会出现短路，造成尾气排放超标，严重时还会导致整个制酸装置停产。为解决上述问题，新宏大成功研制出碳纤维除雾器，该新型除雾器采用棉絮状碳纤维短丝、碳纤维毛毡作内外网笼的装填材料，其中碳纤维的碳含量超过90%。从云南某饲钙厂碳纤维除雾器的使用效果来看，在保证同等除雾效果的前提下，碳纤维除雾器相对于传统的玻璃纤维除雾器具有更加出色的耐氢氟酸腐蚀性能。碳纤维除雾器尤其适用于烟气制酸、磷石膏制酸等氟含量偏高的硫酸装置，可作为传统玻璃纤维除雾器的升级换代产品，前景广阔。