金属滤料收尘器在烟气砷锑分离中的应用

袁胜利

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

0 前言

铅阳极泥在火法冶炼过程中会产出含砷锑的渣和烟尘,当含砷锑渣和烟尘再继续进行锑冶炼时,砷、锑都以沸点较低的氧化物挥发进入烟气,富集形成含砷锑较高的烟尘,即高砷锑烟尘,此类烟尘一般含砷20%～30%、含锑20%～40%。高砷锑烟尘属于危废,如果不处理对环境有很大危害。另一方面高砷锑烟尘也是锑的二次资源,应被合理处理进而获得最大的环境和经济效益。由于砷、锑价态多,而且两种元素为同一主族元素,物理化学性质相近,很难通过在冶金炉内实现砷与锑金属分离。目前一般是采用湿法浸出的工艺进行分离,但浸出工艺流程长,而且产生废水废渣,本文提出在烟气中进行砷锑分离,即高温收锑尘、低温收砷,从而将砷锑分离,并得到Sb2O3和As2O3产品,相比湿法分离,简化了生产流程,减少了废渣产量。

1 含砷锑烟气烟尘特点

锑熔炼炉一般处理量小,所以烟气量不大,但烟气温度较高,通常炉内温度在1 000 ℃以上,需要冷却降温后才能进入收尘系统。烟气含SO2含量不高,但含F、Cl含量较高。

未进行砷锑分离的高砷锑烟尘元素成分和物相成分如表1、表2所示。

表1 高砷锑烟尘元素成分表

表2 高砷锑烟尘物相成分表

根据表1和表2的分析结果,高砷锑烟尘中的锑和砷分别以三氧化二锑(Sb2O3)和三氧化二砷(As2O3)的物相存在。Sb2O3俗称锑白,为白色结晶性粉末,熔点655 ℃,烟气经冷却降温后以烟尘的形式存在于烟气中。As2O3易升华,在高温时为气体状态,低温时凝华成As2O3固体颗粒。不同温度下气体中As2O3饱和浓度见表3。从表3可以看出,应尽量控制烟气进高温收尘器的温度越高越好,以获得品位高的锑烟尘,但不能高于Sb2O3熔点;应尽量控制烟气进低温收尘器的温度越低越好,以获得较高的砷回收率,但不能低于烟气露点。另外,As2O3在170～270 ℃的温度范围内容易冷凝形成玻璃体,故烟气降温一般考虑快速冷却的方式,避免产生玻璃砷,造成管道粘结、堵塞并且难以清除。

表3 不同温度下气体中As2O3的饱和量

2 烟气砷锑分离方案

目前,一般有色冶金炉产出的含砷烟气,先经过烟气冷却降温至350 ℃左右,再采用电收尘回收有价金属粉尘,收集的金属粉尘返回冶炼系统。电收尘净化后烟尘基本上已脱除,只剩下尚未凝华的气态As2O3,烟气再进入骤冷塔,与雾化工艺水或碱液接触,使水完全气化,同时自身被迅速冷却到150～160 ℃,烟气中的As2O3骤冷后发生凝华,形成As2O3固体,As2O3固体颗粒随烟气进入布袋收尘器被捕集,从而实现尘砷分离。

现行的方法缺点:(1)金属粉尘回收采用电收尘器,相比过滤式收尘,收尘效率低,不仅导致后续产品砷品位低,而且损失了有价金属,降低金属的回收率;(2)采用喷水冷却,喷水增加了烟气的腐蚀性,容易引起烟气结露,必须提高设备的防腐等级,增加了费用,收砷布袋也易板结。(3)也有的项目在骤冷塔内加入碱性药剂,可以将烟气中的大部分SO3脱除,使烟气露点温度低于布袋出口温度。采用这种措施,基本能保证收砷系统干态运行,但带来一些新问题:消耗了大量的碱,增加了运行成本;加入的碱性药剂又转化为大量的含砷危废物。

根据本项目的烟气烟尘特点以及要求,试验选用高温过滤收尘器和空气急冷装置,采用高温过滤收尘器,能提高Sb2O3烟尘的回收率,为后续As2O3品位的提高创造有利条件;烟气冷却采用空气或环集烟气直接冷却,降低烟气的腐蚀性,降低了设备投资。处理流程如图1所示。

图1 烟气砷锑分离处理流程图

从锑冶金炉产出的烟气首先经降温装置降温至350 ℃左右,在该温度范围内,烟气中As2O3处于不饱和状态,仍以气态的形式存在;然后烟气进入高温过滤器,高温过滤器将其中的Sb2O3烟尘收集,过滤式收尘的效率高,后续产品中As2O3的品质更优,Sb2O3的回收率也更高。之后,烟气进入急冷塔中,由于在170～270 ℃的温度范围内As2O3容易冷凝形成玻璃体,造成管道粘结、堵塞并且难以清除,采用急冷的方式快速冷却通过此温度段,避免形成玻璃砷。急冷塔利用空气对其直接快速冷却,由此避免了引入水雾而增大烟气腐蚀性的问题,采用空气冷却,烟气的腐蚀性更低。在急冷塔出口设温度检测,根据出口温度自动调节鼓风机空气流量,以满足控制温度的要求。烟气骤冷后,凝华后的As2O3随烟气进入袋式收尘器并被袋式收尘器过滤收集,从而达到了Sb2O3和As2O3分离的目的。布袋采用常规布袋收尘器,但需控制布袋进、出口温度差,温差不能过大,由于烟气中As2O3含量是饱和的,烟气有温度降,就会有As2O3在滤料内凝华结晶,粘结布袋,使系统阻力上升。系统对温度控制要求较高,正常生产时系统温度控制条件如表4所示。

表4 收尘系统温度控制要求表

3 高温金属滤料收尘器设计要点

(1)滤料的选择

高温气体除尘或收尘是指260 ℃以上气体的直接气固分离,从而实现气体净化的技术。这种技术可以最大程度的利用气体显热、潜热和动能,与普通滤料相比,可降低下游设备因烟气降温结露造成的堵塞和结垢几率,能够有效避免降温过程中的凝结和液化现象,烟气直接通过高温滤料收尘器进行治理无需增设降温设备节约场地面积,材料耐温性能高适应烟气大幅波动等特点。根据烟气的温度范围,一般将滤料分为中低温滤料(90～140 ℃),中高温滤料(140～200 ℃),高温滤料(200～300 ℃)及超高温滤料(>300 ℃)。而在工业上将260 ℃以上的气固直接分离滤料称为高温除尘滤料。

由于运行温度高,高温烟气对其滤料的机械性能、热和化学稳定性提出了很高的要求。目前高温滤料根据材质不同分为两大类,一类是陶瓷类,另一类是金属纤滤料,陶瓷类又分为陶瓷纤维和高密度陶瓷滤料。陶瓷类维滤料具有强度高、抗热冲击性好、耐化学腐蚀等特点,是理想的高温过滤材料。陶瓷滤料的主要缺点是价格较高,而且不能用于处理含HF(浓度限值100ppm)的烟气。由于试验原料含F较高,故不能选用陶瓷滤料。

金属纤维滤料一般由316L、304等不锈钢和铁铬铝等金属纤维丝制成。制作工艺分为两种,一种是利用金属纤维丝编织成金属滤网后制作成过滤元件,另一种是通过烧结使金属纤维互相粘结在一起形成网状结构后,制成不同孔隙率的符合金属网结构滤料。金属纤维丝具有良好的机械强度、耐溶剂性、耐酸碱性和耐腐蚀性,易于加工焊接。本项目选用的滤料滤料以304不锈钢为基材,烧结涂覆铁铝、钛铝等金属间化合物,金属间化合物多孔材料具有金属键和共价键的混键结构,其具备抗氧化性能好,耐酸、碱性能好,耐温、强度高,线膨胀系数低,可加工、可焊接连接,抗热振性能好。金属间化合物还具有良好的基体桥接能力,具有优异的透气性,优异的力学性能,良好的耐磨性能,良好的抗疲劳性能,具有低的热膨胀系数,优异的抗热振性能等特点。具体的性能参数如下:(1)耐高温:长期可承受450 ℃的高温,短时可耐600 ℃;(2)抗腐蚀:可耐H2S、SO2、SO3等腐蚀;(3)过滤精度高:过滤精度达0.1 μm,收尘器出口后含尘浓度可稳定控制小于10 mg/Nm3;(4)易清灰:根据制造工艺,该滤料厚度较薄,为0.3～0.5 mm,具备一定柔性,反吹清灰更容易;(5)导电性好,过滤过程中不会产生静电;(6)通量大:过滤气体通量≥500 m3/(m2·kPa·h);(7)寿命长:四年及以上。

本文选用的金属滤料主要规格参数如表5所示。

表5 金属滤料主要规格参数表

(2)过滤风速与过滤面积

过滤风速是决定高温过滤除尘器性能的一个重要参数,是指被过滤的气体流量与滤管过滤面积的比值,单位是m/min。过滤风速的选择与使用工况条件和滤料相关,金属滤料一般不大于1 m/min。

(3)清灰系统

一般清灰用的压缩空气温度较低,当净化的烟气温度较高,当压缩空气通过喷吹管喷入滤袋时,压缩空气突然释放,袋口周围温度急速下降,为了防止烟气中As2O3遇冷空气结晶堵塞滤料,清灰用压缩空气需要加热到200 ℃以上。但同时脉冲阀最高只能承受220 ℃的高温,为了防止400多度高温烟气损坏脉冲阀,需要加长喷吹外管,并在外管上加散热翘片,以防高温烟气对脉冲阀的损坏。金属滤料宜采用中压喷吹,喷吹压力宜为0.4～0.5 MPa,脉冲宽度宜为200～250 ms。

4 实际运行效果

经过调试和运行,系统运行稳定可靠,使用效果良好。试验证明,砷锑分离的效果与进入高温金属过滤收尘器的烟气温度密切相关,温度越高,砷锑分离效果就越好。实验中保持烟气温度高于300 ℃以上,金属过滤收尘器收集锑烟尘中Sb2O3含量大于95%,As2O3烟尘中含As2O3大于99%,取得了砷锑分离的预期效果。这是由于As2O3易升华,在300 ℃时的饱和浓度较大,可以使烟气中的As2O3保持为气态,在进入高温过滤收尘器不被过滤下来,这就提高了收集锑烟尘的品位,同时由于金属过滤收尘器收尘效率高,也减少了进入高温过滤后As2O3烟气中的杂质,可获得高品质的As2O3产品。可以证明,只要将Sb2O3、As2O3挥发到烟气中并保持300 ℃以上的烟气温度,采用的烟气砷锑分离方案和高温收尘设备就能取得理想砷锑分离效果。

5 现场问题及解决

在调试初期,由于控制温度较低,进入高温金属过滤收尘器的烟气温度较低,大量As2O3在高温金属过滤收尘器内凝华,不仅导致锑烟尘中含砷高,没有达到分离效果,而且严重的堵塞了滤料,滤料板结严重,一度难以运行。现场分析清楚原因后,增加了烟管保温,也提高了烟气温度,同时加强操作管理,严格控制烟气温度,最终解决了此问题。

6 结论

高砷锑烟尘中砷的脱除及无害化处理和有价金属综合回收是冶炼厂面临的一大难题。传统的火法脱砷工艺存在砷、锑分离不彻底,砷挥发产物难处理,环境潜在危害大等问题;湿法脱砷工艺流程冗长,总体试剂消耗量大。通过金属滤料收尘器在烟气砷锑分离中的应用试验,本文选用的烟气砷锑分离流程能满足砷锑分离的要求,高温过滤收尘器设备在处理高温烟气时运行正常,说明设计中采取的各项参数和措施是有效可行的,为同类项目设计提供了参考。