１概述
随着重有色冶金工业的发展,冶炼烟气制酸的规模也愈来愈大,并大量地采用新技术、新设备、新材料。具有代表性的是七十年代贵溪冶炼厂全套引进闪速熔炼技术和设备,同时引进了两转两吸烟气制酸技术和设备,制酸设计能力为３６０ｋｔ/ａ。
我国烟气制酸从八十年代开始有了较大的发展,具有代表性的有铜陵金隆铜业有限公司(简称金隆工程)的烟气制酸装置,于１９９７年４月投入生产,是目前国内自行设计的最大的闪速炉炼铜工厂，技术装备达到了九十年代同行业国际先进水平,其硫酸的设计生产能力为３７５Ｋｔ/ａ,处理烟气量为１１５０００Ｎ /ｈ。笔者结合金隆工程的实际,阐述干吸塔设备设计的优化。
２设备结构
金隆工程硫酸工艺采用了两转两吸流程。干燥塔、第一吸收塔、第二吸收塔内径均为６６００ｍｍ。三塔均采用瓷质球拱作为填料支撑,设备底部均为碟形,分酸装置均采用美国孟山都的插管槽式分酸器。三塔采用了不同形式的除沫器:干燥塔为金属丝网除沫器;第一吸收塔为美国孟山都的ＥＳ纤维除沫器;第二吸收塔为美国孟山都的ＣＳ纤维除沫器。
３结构特点
３.１除沫器的选型
冶炼烟气制酸不同于其它制酸工艺,主要表现为它有两大特点,实为两大难点:一是烟气含杂质高;二是气量波动大。杂质含量高,意味着净化效果不好时,除沫器易堵塞,这对于纤维除沫器尤为敏感,其结果会造成系统阻力上升,甚至造成停产,从这一点来看,宜采用丝网除沫器。气量的波动,意味着丝网除沫器的除沫效率低。
丝网除沫器的总效率:
丝网除沫器的除沫机理主要是惯性碰撞,从上述效率公式可知:对于尺寸一定的丝网除沫器,其除沫效率与气量成正比。低效率的除沫器会直接影响风机及转化系统。美国孟山都布林克纤维除沫器有两大类产品,一类是布朗型产品、另一类是碰撞型产品。顾名思义,布朗型产品的除沫机理主要是布郎运动,其实,它的除沫机理还包括惯性碰撞、直接截留;碰撞型产品的除沫机理还包括直接截留。表１列出了布林克除沫器的性能特性。布郎型产品的除沫粒径范围很广,且除沫效率也很高；碰撞型产品次之。丝网除沫器的除沫范围最窄,直径为２μ的除沫效率仅为９０%,而布林克除沫器的效率可到９９%。见图１。
所谓“再飞溅”是指被除沫器捕获的雾沫被气体吹出除沫器形成新的雾沫。“再飞溅控制”是在布林克纤维除沫器的除沫纤维层下游用不同的铺层法铺设一层粗糙的纤维层。气速的变化对布林克纤维除沫器的影响远没有对丝网除沫器的影响大,需要指出的是,对于布朗型产品,气速下降,效率反而提高。见图２。
在设计中,考虑到堵塞的问题,干燥塔采用了丝网除沫器,丝网材料为国产ＮＳ-８０。为了确保除沫效率,出干燥塔后增设一个独立的纤维除沫器,除沫元件为国产。顺便提到的是,国外目前开发了一种金属和纤维混织的丝网除沫器,其特点是经济、除沫效率高、压损小。笔者以为,将其用在不洁环境———如干燥塔内是不合适的。
第一吸收塔采用的是ＥＳ节能型纤维除沫器,８个,设计压损ΔＰ＝２０３０Ｐａ。选型理由:第一吸收塔酸雾粒径较小,一般情况下,酸雾的典型粒径为１～２μｍ，采用ＥＳ节能型纤维除沫器可提高除沫效率,延长触媒使用寿命。
第二吸收塔采用的是ＣＳ-ⅡＰ经济型纤维除沫器，８个，设计压损ΔＰ＝２０３０Ｐａ。选型理由:一般情况下,酸雾的典型粒径为２～３μｍ,相对第一吸收塔而言,除雾要容易些。
另外,采用ＣＳ-ⅡＰ经济型纤维除沫器,价格便宜,且能满足我国的尾排环保要求。在除沫器花板上预留数个纤维除沫元件安装孔是有益的。在纤维除沫器压损还没有大到需要对其进行拆卸清洗时,增加数个纤维除沫元件可有效地降低除沫器压损,或利用短时的停产时间,逐个对除沫元件进行更换清洗,可降低系统的运行成本。
３.２分酸器的比较
金隆工程干吸塔全部采用美国孟山都的插管槽式分酸器,其结构见图３。该分酸器的特点是分酸点多,２７点/ 。事实上,在其它的硫酸工厂中,该结构的分酸器的分酸点多达４４点/ ,分酸均匀可有效地降低填料高度,减少压损。
传统的铸铁挂爪槽式分酸器,分酸点少,至多达１４点/ ,且设备笨重,安装、调平困难。其优点是不存在酸泥堵塞的问题。因挂爪内液体不满管,反向流动的气体在爪内穿行时,易引起带沫。另一种应用较多的是管式分酸器,与槽式分酸器的溢流分酸不同,它靠酸泵提供的压力分酸。其特点是结构简单,安装方便,分酸点多。但分酸孔易被碎瓷片堵塞,现场很难清理。干吸塔插管槽式分酸器的材料为ＳＸ。在其它的硫酸工厂中,吸收塔插管槽式分酸器的材料为ＳＳ３１０Ｍ,据介绍该材料在高温情况下的耐蚀性能比常温下还好。
３.３填料支撑的比较
７０年代以前,硫酸生产中干吸塔的支撑结构普遍采用的是拱式结构,该结构的开孔率仅为３０%左右,这种结构的局部阻力大,当塔的操作气速提高时,可能因积液而引起局部液泛。随着新型填料的广泛使用,老厂技改挖潜,干吸塔的操作气速大幅度提高,老式支撑结构成了制约气速的主要因素。为了解决这一问题,国内先后开发了大开孔率的瓷质球拱和条梁。这两种填料支撑的开孔率都可大于５０%。两种支撑形式各有特点,条梁的特点是价格低、安装施工方便。球拱的特点是安全系数高,设备下部空间大,清污方便,尤其适合碟形的设备,充分发挥了瓷质材料抗压性能较好的特性,可避免平底设备瓷内衬在高温时可能因热膨胀产生的起鼓胀裂现象。碟形底无酸泥沉积塔底的问题。
３.４塔体的砌筑方法
一直以来,圆形设备筒壁瓷砖内衬的砌筑采用的都是立砖砌筑,为什麽不能象房屋建筑一样横砖砌筑?显然,采用标准瓷砖横砖砌筑存在两个问题,第一,砖与筒体的间隙太大,尤其对于小直径的筒体。第二,没有标准楔形砖用于曲率调整。立砖砌筑只需要采用标准直形砖及标准楔形砖即可,该法瓷砖成本较之非标砖低。问题是,从砖体结构上来看,纵向错缝距离小,只有砖厚的二分之一,即３２.５ｍｍ;从施工角度来看,侧面砖缝(纵向缝)挤压时,很难做到用力均匀,且松手后,外力几乎为零,胶泥的致密度较低。再者,纵向缝较长(２３０ｍｍ),在固化的过程中很可能由于流胶而形成胶缝中空。
金隆工程干吸塔瓷质内衬设计为横砖砌筑,如图４所示。瓷砖为弧形的非标砖。该方法克服了立砖砌筑出现的问题,纵向错缝为１１５ｍｍ。从现场施工人员的反映及一年多的使用情况来看,该方法施工方便,施工质量是有保证的。国外对于较大直径的设备瓷质内衬多采用横砖砌筑,砖为梯形,梯形砖生产简单、质量容易控制。由于碟形底的曲率半径较筒体大,一般为筒体的两倍,即:ＳＲ＝ⅠＤ。所以碟形底内衬采用标准直形砖和端面楔形砖砌筑,可有效降低内衬成本。
３.５进气口的结构传统的进气口结构是将接管向下斜插入塔体(见图５),该结构的指导思想基于两点,第一,让气体进入塔体下部,有利于气体的均匀分布;第二,避免喷淋酸进入气体管道。此结构在实际生产中较多地出现接管根部渗漏现象,究其原因,结构设计不合理是主要因素。接管内衬在自重及热膨胀的作用下,对塔体内衬产生向内的推力,使接管内衬有脱离塔体内衬的趋向。再则,斜插管的端面是椭圆形,给施工带来诸多不便,施工质量难以保金隆工程干吸塔进气口设计采用折管形式,如图６所示,并在直管段设置了一个止推半环,克服了斜管设计带来的弊端。由于塔内气体流速设计值较传统的要高,且分酸效果较传统的要好,所以塔内气体分布理应较传统的更均匀。迄今为止,该处未出现过任何问题。
４结语
随着新技术、新材料的不断涌现,工程技术人员在设备设计时有了更广阔的思维空间。如何正确地选择并有效地发挥结构和材料的特点,是工程技术人员都必须考虑的问题,对于不同的工艺条件,结果也会不同。
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