溫度對大型磷爐靜電除塵器的影響

余思民

(云南天安化工有限公司總工程師室，云南安寧650309)

20世紀(jì)90年代中期，我公司從俄羅斯引進(jìn)二套80MW、30kt/a的大型黃磷爐裝置，每套磷爐配備二臺大型靜電除塵器并聯(lián)運行除塵(型號ЗВЦТ2－5.5－24K ，結(jié)構(gòu)為干法立式雙室靜電除塵器)。除塵器由夾套加熱系統(tǒng)、集塵極、電暈極、振打裝置、直流高壓供電裝置、高壓干進(jìn)線裝置、氣體分布系統(tǒng)、氮氣密封系統(tǒng)、排灰裝置、電塵漿攪拌系統(tǒng)等幾部分組成。由電加熱器、熱氮風(fēng)機等組成的熱氮循環(huán)系統(tǒng)為夾套提供循環(huán)熱氮氣，氮氣溫度控制在300～350℃。進(jìn)入除塵器的磷爐氣溫度最高不允許超過600℃，但在磷爐生產(chǎn)過程中，除塵器的運行溫度時常超過600℃，導(dǎo)致電除塵器除塵效率低下或停運，給黃磷生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。針對存在的問題，有必要對影響電除塵器運行的因素進(jìn)行重點分析并采取有效的改進(jìn)措施。

1 靜電除塵的原理及工藝流程

1.1 靜電除塵的原理

在陰極、陽極之間通過加載直流高壓電源形成氣體電離的靜電場，氣體電離后所生成的電子、陰離子和陽離子吸附在通過電場的磷爐氣懸浮粉塵上使粉塵獲得荷電。荷電粉塵在電場力的作用下，向極性相反的電極運動并沉積在電極上，從而達(dá)到粉塵和氣體分離的目的。通過安裝在靜電除塵器上振打裝置的定時振打，粉塵在重力作用下最終從電極脫落后落入電除塵器底部。由灰耙將粉塵刮入落灰管并落到電塵漿槽，從而使通過除塵器的磷爐氣得到凈化。用電除塵的方法分離氣體中的懸浮粉塵，主要包括氣體的電離、懸浮粉塵的荷電、荷電粉塵向電極運動和荷電粉塵沉積在電極上4個復(fù)雜而又相互有關(guān)的物理過程。

1.2 磷爐靜電除塵的工藝流程

磷礦石、燒結(jié)料、焦炭、硅石等原料在磷爐內(nèi)高溫條件下發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生以磷蒸氣、一氧化碳、磷酸鹽、硅酸鹽和炭粉等為主要成份的磷爐氣。經(jīng)靜電除塵器除塵，在冷凝塔內(nèi)冷凝，從而制得粗磷半成品，再經(jīng)沉降分離制得成品磷，見圖 1 所示。［1］

圖1 磷爐靜電除塵的基本工藝Figure1 A basic process of electrostatic precipitator in phosphorus furnace

2 靜電除塵器的除塵效率

2.1 設(shè)計技術(shù)條件

1)設(shè)計技術(shù)條件

當(dāng)磷爐溫度≤600℃ 、磷爐壓力≤500 Pa、處理氣體量在12000～17000 m3/h、且含塵量≤80 g/m3時:

①每臺磷爐運行投入2臺靜電除塵器時，除塵效率為99%。即每小時除塵950.4 kg，殘余含塵量0.8 g/m3，除塵器的正常工作時間大于15天。

②每臺磷爐運行投入1臺靜電除塵器時，除塵效率為96%。即每小時除塵921.6 kg，殘余含塵量3.2 g/m3，除塵器的正常工作時間大于15天。

2)除塵效率的設(shè)計定義

式中:磷爐氣總灰=電塵干灰+粗磷中雜質(zhì)+含磷廢水中懸浮物

2.2 靜電除塵器的除塵效率

除塵效率是指同一時間內(nèi)除塵器捕捉下來的磷爐氣懸浮粉塵數(shù)量與進(jìn)入除塵器的磷爐氣含有的懸浮粉塵數(shù)量之比，用η表示。它是衡量除塵器性能的主要技術(shù)指標(biāo)。

式中:CE為進(jìn)口磷爐氣中含塵質(zhì)量濃度，g/m3;Co為出口磷爐氣中含塵質(zhì)量濃度，g/m3。

公式(2)和公式(1)的意義是等同的，對測定電除塵器的η很有實際意義，但對分析電除塵器η的影響因素很不直觀。為方便分析電除塵器η的影響因素，經(jīng)常使用安德森一多依奇公式。經(jīng)推導(dǎo)的除塵效率公式是:

式中:A為收塵極板面積，m2;Q為煙氣量，m3/s;f為A/Q的比值，稱為比集塵面積，m2/m3/s，即一秒內(nèi)凈化一立方米煙氣所需的收塵面積;ω為驅(qū)進(jìn)速度，m/s。

從(3)式中看出，當(dāng)收塵效率一定時，除塵器的大小和粉塵驅(qū)進(jìn)速度ω成反比，和處理煙氣量Q成正比。驅(qū)進(jìn)速度是荷電懸浮粉塵在電場力作用下向收塵極板表面運動的速度。它的公式描述是:

式中:α為粉塵半徑;μ為粘滯系數(shù);E為粉塵所在處電場強度。

由(4)式可知，粉塵驅(qū)進(jìn)速度與收塵區(qū)的電場強度和粒徑成正比，而與氣體的粘滯系數(shù)成反比。

安德森一多依奇公式雖然不能完全作為實際設(shè)計使用的公式，但到目前為止，安德森一多依奇公式仍然是分析、評價和比較電除塵器的重要理論基礎(chǔ)。［2］

3 磷爐氣溫度對除塵效率的影響分析

磷爐氣粉塵的比電阻、溫度、濕度、流量、流速、含塵濃度、氣流分布均勻性、器身結(jié)構(gòu)以及操作等因素對除塵效率的影響很大，雖然這些參數(shù)都已在設(shè)計時作了設(shè)定，但在運行中變化較大。本文根據(jù)多年的運行實踐分析溫度因素對靜電除塵器效率的影響。

3.1 磷爐氣溫度對比電阻的影響

粉塵比電阻是衡量粉塵導(dǎo)電性的一項指標(biāo)，粉塵的比電阻對電除塵器除塵效率影響較大。粉塵的比電阻由表面比電阻和體積比電阻并聯(lián)組成，比電阻隨溫度的變化而變化，如圖2所示。

圖2 溫度與比電阻的關(guān)系Figure 2 The relationship between temperature and resistivity

在低溫時，粉塵表面吸附物、水蒸氣的影響起主導(dǎo)作用。隨著溫度的升高，這種作用減弱而使粉塵表面比電阻增加。在高溫時，粉塵本身的導(dǎo)電性能起主導(dǎo)作用，隨著溫度升高，物質(zhì)中自由離子的自由電子數(shù)目增加，導(dǎo)電性能增強，而使粉塵體積比電阻降低［3］。圖2為比電阻ρ和除塵效率η的關(guān)系。

電除塵器在處理比電阻ρ在104～1011Ω·cm之間的粉塵時，η較高，電除塵器工作穩(wěn)定;在處理比電阻ρ＜104Ω·cm或ρ＞1011Ω·cm的粉塵時，η較低。

比電阻值的大小，可借鑒一些經(jīng)驗公式來定性判斷:當(dāng)w(Al+Si+Fe)＜82%時，比電阻適中，除塵器工作好;當(dāng)w(Al+Si+Fe)在82% ～93%之間時，比電阻隨該值增大而增大，除塵器工作隨該值增大而愈來愈差;當(dāng)w(Al+Si+Fe)＞93%時，比電阻較高，易發(fā)生反電暈，除塵器工作很困難。或是用經(jīng)驗公式判定:當(dāng) w(SiO2+Al2O3)≥85%也屬高比電阻，難除塵。［4］

圖3 比電阻和除塵效率的關(guān)系Figure 3 The relationship between resistivity and dedusting efficiency

粉塵比電阻高到一定程度時，除塵效率急劇下降，原因是:電暈電流因粉塵層的壓降大而減小，從而使粉塵的荷電率、荷電量及電場強度下降，導(dǎo)致除塵效率下降。即使電流密度很低，也會發(fā)生粉塵層的擊穿，從而造成反電暈，使得除塵效率下降。此時，粉塵附著在陽極排上的力也因粉塵層壓降的增多而增大，增加了清灰的難度。正常操作條件下，磷爐氣粉塵比電阻在108～108Ω·cm之間。當(dāng)加入磷爐焦炭中的炭粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過5%時，粉塵比電阻低于104Ω·cm以下，使得電除塵器的除塵效率下降，粗磷純度降低。

3.2 磷爐氣溫度對驅(qū)進(jìn)速度的影響

當(dāng)磷爐氣溫度升高時，氣體的分子熱運動加劇，分子之間的磨擦也加大，使得氣體的粘度增加，粉塵就會粘附在極排上，即使通過振打也不易將粉塵振打下來，從而影響電暈電流與工作電壓的升高。磷爐氣溫度愈高，氣體的粘度愈大。根據(jù)公式(3)、(4)可知，磷爐氣的粘滯性增大，粉塵驅(qū)進(jìn)速度就會降低，電除塵器的除塵效率也下降。

3.3 磷爐氣溫度對氣體密度的影響

在一定壓力下，氣體的密度與溫度成反比。當(dāng)磷爐氣溫度升高時，通過除塵器的爐氣量增大，氣體密度減小，電場風(fēng)速提高。從公式(3)可知，除塵效率按指數(shù)關(guān)系下降。根據(jù)經(jīng)驗，煙氣溫度每升高10℃，煙氣量將增加6%［4］。由于氣體密度的減小，電場中煙氣的自由電子容易與中性原子(分子)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致氣體的擊穿電壓降低，電除塵器的除塵效率也降低。有資料介紹，溫度每升高10℃，擊穿電壓將下降3%［4］。

3.4 磷爐氣溫度對電場電暈電流的影響

當(dāng)磷爐氣溫度升高時，粉塵容易在收塵電極上形成反電暈現(xiàn)象，并在粉塵層的孔隙間產(chǎn)生局部擊穿，產(chǎn)生與電暈極極性相反的正離子向電暈極運動，然后中和電暈區(qū)帶負(fù)電的粒子。其結(jié)果是電場電暈電流增大、放電電壓下降，粉塵二次飛揚嚴(yán)重，導(dǎo)致收塵性能顯著惡化。

3.5 磷爐氣溫度對除塵器結(jié)構(gòu)部件的影響

除塵器的外殼和陽極棒、陰極絲都是由不銹鋼制成的(1Cr18Ni9Ti)，而刮灰螺旋則是由普通碳鋼制成。除塵器在450℃下使用，金屬材料因受熱會發(fā)生膨脹，其膨脹量計算公式為:

由相關(guān)數(shù)據(jù)代入(5)式計算得到:

陽極棒變形量為20.55 mm，陰極絲變形量為55.03 mm，刮灰螺旋軸變形量為41.6 mm，刮灰螺旋外殼的變形量(300℃)為43 mm。

在磷爐生產(chǎn)過程中，由于爐內(nèi)塌料、溶池上抬等原因，進(jìn)入除塵器的磷爐氣溫度超過600℃。在檢修中發(fā)現(xiàn)，由于溫度過高，使得不銹鋼、碳鋼發(fā)生熱膨脹變形并引起以下故障:

①除塵器殼頂受熱變形大時，振打支座發(fā)生偏斜，局部縮短了陰陽極之間的距離。

②殼體變形造成陽極框架定位支架變形，定位銷脫開或斷裂，極排移位。陽極棒脫出后倒靠于陰極絲上造成陰陽極搭接，陽極棒積灰嚴(yán)重。

③陰極吊架變形，懸掛陰極絲重錘脫出，陰極絲彎曲變形造成短路，陰極絲積灰嚴(yán)重。

④灰耙扭斷，刮灰螺旋軸和外殼膨脹變形，造成聯(lián)軸器連接螺栓頻繁扭斷，軸承壓蓋磨穿漏磷著火，軸器難以對中等。

上述故障的發(fā)生，導(dǎo)致電除塵器失去除塵的功能，變成了磷爐氣的通道和沉淀室。

3.6 煙氣溫度對除塵器效率的影響

溫度過高會影響除塵效率，過低同樣會影響除塵器的運行。如果進(jìn)入電除塵器的磷爐氣溫度低于露點溫度(180℃)，磷蒸汽會冷凝結(jié)灰，導(dǎo)致運行電壓降低，二次電流增大，甚至使兩極間拉弧短路，高壓電源不能正常供電以及出現(xiàn)輸灰故障。

3.7 密封氮氣溫度對除塵器的影響

熱氮風(fēng)機、電加熱器和氮氣管道等組成熱氮循環(huán)系統(tǒng)并為靜電除塵器保溫夾套提供循環(huán)熱氮氣。氮氣的溫度必須控制在300～500℃之間，以避免磷爐氣溫度因過度散失而低于露點溫度。

4 改進(jìn)措施

針對溫度對除塵器結(jié)構(gòu)部件受熱變形以及對除塵器性能的影響，采取以下改進(jìn)措施。

1)下極排陽極棒由倒插式改為懸掛方式，保證陽極棒保持垂直且不會脫出，如圖4。

圖4 改后陽極棒懸掛結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Anode rod suspension structure diagram

2)重錘懸掛扁鐵延長400 mm，重錘與陰極絲固定位置由下橫梁以上改為在下橫梁下端，加固焊接點，如圖5。

圖5 改后陰極絲懸掛結(jié)構(gòu)Figure 5 Cathode wire suspension structure diagram

3)分別改造刮灰螺旋軸承座、聯(lián)軸器和密封裝置。改螺旋滑動軸承座為可調(diào)心軸承座，使螺旋軸受熱膨脹時可向外延伸;靠背輪聯(lián)軸器改為“十”字滑塊聯(lián)軸器，受熱膨脹時兩靠背輪不再相抵觸;N2密封裝置改成為填料混合密封，避免磷爐氣泄漏著火。

4)調(diào)整加固振打裝置，減少磷爐氣溫度的影響。

5 結(jié)語

靜電除塵器是大型黃磷爐磷爐氣高效凈化的重要環(huán)保設(shè)備，保證電除塵器正常運行可大量減少泥磷量、污水中懸浮物及污水量，并提高粗磷半成品的質(zhì)量和產(chǎn)量，改善生產(chǎn)操作環(huán)境。盡管影響除塵效率的因素很多，但在除塵器設(shè)計定型投用后，影響的主要因素就是溫度控制和操作管理。因此，在黃磷生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格控制操作溫度(250℃ ＜磷爐氣溫度＜600℃，氮氣溫度在電除塵器出口處不低于250℃)，減少粉狀原料入爐，并控制入爐焦炭的碳粉含量小于5%。

對除塵器結(jié)構(gòu)部件采取改進(jìn)措施，并嚴(yán)格控制磷爐氣溫度后，提高了靜電除塵器的運行周期，檢修頻率、維護(hù)費用明顯下降，電場的電壓從17 kV提高到32 kV，除塵器運行天數(shù)從11天提高到27天，黃磷收得率提高10%以上。

［1］楊洪.大型磷爐靜電除塵器除塵效率計算及分析［J］.云南電力技術(shù)，2003，3l(3):27-30.

［2］南京國電環(huán)保設(shè)備有限公司.電除塵器工作原理［R］.南京國電環(huán)保設(shè)備有限公司，2010(10)

［3］陳鵬.靜電除塵器除塵效率影響因素的研究［D］.中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫:工程科技I輯，2011(S1)

［4］蒙騮.火電廠影響電除塵器性能的主要因素［R/OL］.2016(11)