硫酸爐氣凈化與干燥課件

第三章?tīng)t氣的凈化與干燥3.1.1有害雜質(zhì)及其危害

(1)砷和硒

(2)氟

(3)三氧化硫

(4)水分3.1.2爐氣凈化指標(biāo)目前，中國(guó)執(zhí)行的指標(biāo)如下(在二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口測(cè)定點(diǎn))。單位為標(biāo)準(zhǔn)狀況下mg／m3。水分<100（部頒指標(biāo)）酸霧，一級(jí)電除霧<30（部頒指標(biāo)）二級(jí)電除霧<5（部頒指標(biāo)）塵<1（推薦指標(biāo)）砷<1（推薦指標(biāo)）氟<0.5（推薦指標(biāo)）砷和硒砷和硒在爐氣中以氣態(tài)氧化物形式存在，其含量與原料中砷、硒含量和焙燒工藝條件有關(guān)。它們是轉(zhuǎn)化催化劑危害最大的毒物，并影響成品酸的應(yīng)用范圍。氟原料中氟化物經(jīng)焙燒后有一部分進(jìn)入爐氣中，這些氟化物大部分以氟化氫形態(tài)存在，小部分以四氟化硅形態(tài)存在。氟化氫對(duì)硅質(zhì)設(shè)備及填料有嚴(yán)重的腐蝕作用，而且其腐蝕作用是反復(fù)的。反應(yīng)如下：SiO2十4HF＝SiF4十2H2O（1-3-1）SiF4+(X+2)H2O＝SiO2·XH2O↓十4HF（1-3-2）氟化物進(jìn)入轉(zhuǎn)化器后，在高溫、干燥條件下，發(fā)生式(1-3-2)反應(yīng)，產(chǎn)生的水合氧化硅在催化劑表面形成灰白色硬殼，嚴(yán)重時(shí)使催化劑結(jié)塊，活性下降，甚至使床層阻力增大。水分爐氣中水含量視礦石和空氣的水含量而定。水分本身無(wú)直接毒害作用，但它會(huì)稀釋進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的酸霧和酸沫，嚴(yán)重腐蝕設(shè)備和管道，同時(shí)水蒸氣會(huì)與轉(zhuǎn)化后得到的三氧化硫在冷卻和吸收過(guò)程中生成酸霧，酸霧不易被捕集，絕大部分隨尾氣排出，使硫損失增大，污染環(huán)境。因此爐氣必須進(jìn)行干燥。氣體組分的分離，最基本的方法有三：A.利用氣體分子自身的物理化學(xué)性質(zhì)，使其通過(guò)擴(kuò)散吸收在液體中或吸附在固體表面上；B．將其通過(guò)化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分；C.將其先進(jìn)行相轉(zhuǎn)化，使之成為液體或固體，然后再分離。由上述可知，大小不同的粒子都有其相應(yīng)的有效分離方法和裝置，裝置的分離效率一定要與所分離的粒子粒徑聯(lián)系起來(lái)考慮才有實(shí)際意義，否則會(huì)影響裝置能力的發(fā)揮。有時(shí)為提高分離裝置效率，設(shè)法使小粒子在進(jìn)入分離設(shè)備前變大一些，如酸霧的分離就采取了降溫增濕使酸霧液滴長(zhǎng)大的方法。爐氣凈化原則

①爐氣中懸浮微粒粒徑分布很廣，在凈化過(guò)程中應(yīng)分級(jí)逐段進(jìn)行，先大后小，先易后難。②爐氣中被除物以氣、液、固三態(tài)存在，應(yīng)按微粒的輕重程度分別進(jìn)行，先固液，后氣體。③有害雜質(zhì)危害范圍及程度不同，應(yīng)先重后輕。④為減少裝置投資費(fèi)用，應(yīng)考慮多成分共同分離的辦法。3.2.2爐氣凈化原理與方法爐氣凈化分為濕法和干法兩大類(lèi)。

濕法是用液體洗滌爐氣.高溫爐氣(350～400℃)使液相中水分氣化，本身溫度降低。當(dāng)爐氣降至190～230℃時(shí)，轉(zhuǎn)入氣相的水與爐氣夾帶的蒸汽和爐氣中SO3形成硫酸蒸氣；隨爐氣溫度降低，爐氣中As2O3和SeO2轉(zhuǎn)化為微小結(jié)晶懸浮于氣相中，形成As,Se和酸霧氣溶膠體系。再經(jīng)除霧即可。

3.2.2爐氣凈化原理與方法

3.2.2.1砷和硒的清除三氧化二砷和二氧化硒常用水或稀硫酸洗滌爐氣來(lái)清除。從表1-3-1可以看出，兩者飽和蒸汽壓隨溫度下降顯著降低。溫度降到50°C以下氣相中含量已經(jīng)很少。洗滌形成的固體顆粒，形成酸霧凝聚中心，在除霧器可以將其除去。

污水排放量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，已逐漸被淘汰。表1-3-1As2O3，SeO2在氣體中的飽和濃度溫度As2O3飽和SeO2飽和

/°C濃度/mg/Nm3濃度/mg/Nm3500.0160.044700.3100.8801004.2001.00012537.00082.000150280.0530.0

藍(lán)色線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綠色線(xiàn)為計(jì)算數(shù)據(jù)6420100150200250300T/°C臨界過(guò)飽和度酸霧霧滴的直徑很小，很難除去，洗滌時(shí)只有小部分被酸吸收，大部分只能在后續(xù)的電除霧器中除去。電除霧器的原理與電除塵器一樣，只不過(guò)是除去液態(tài)霧滴罷了。即使用電除霧器，也要采取增大霧滴直徑的基本措施來(lái)保證除霧效果。霧滴直徑越大，表面效應(yīng)越少，與平面液體差異越小。除霧效率越高。工業(yè)上往往設(shè)置冷卻塔既降低溫度又通過(guò)增濕來(lái)增大霧滴直徑。酸霧的清除

經(jīng)電除塵后的爐氣，含塵量降到0.2g／m3以下．溫度為300~320℃，進(jìn)入冷卻塔，由下而上為噴淋下的10％一20％稀酸冷卻洗滌。為防止礦塵堵塞，冷卻塔一般采用空塔。爐氣經(jīng)過(guò)該塔后，通過(guò)增加濕度而降濕，同時(shí)產(chǎn)生酸霧。爐氣中所含的礦塵、SO3、HF、As2O3、SeO2等雜質(zhì)大部分被洗滌液液滴捕集或吸收：有一部分未被液滴捕集的礦塵成為硫酸蒸氣冷凝的核心，以酸霧的形式被爐氣帶出塔。洗滌液在塔中由于水分蒸發(fā)和對(duì)爐氣中雜質(zhì)的吸收、捕集各物質(zhì)的濃度均有所提高，但其濕度未發(fā)生改變，其原因是塔內(nèi)氣液直接接觸．形成了一個(gè)絕熱蒸發(fā)系統(tǒng)。從這一點(diǎn)上說(shuō)，爐氣中的熱量仍留在水中，只是爐氣的顯熱轉(zhuǎn)化為水蒸氣浴熱。爐氣進(jìn)入洗滌塔，氣體中數(shù)種雜質(zhì)部分含于酸霧液滴之中，溫度一般在70~80℃。因爐氣含塵量低，不易堵塞設(shè)備，所以采用氣液接觸面積大的填料塔。洗滌塔的作用與冷卻塔的作用基本相同。由于使用更低含量的酸，使?fàn)t氣中水含量進(jìn)一步提高，酸霧液粒由于水蒸氣的冷凝，液粒粒徑增大、酸含量下降。

爐氣進(jìn)入管殼式間接冷凝器，被冷卻水冷卻到40℃以下，所含水蒸氣冷凝在器壁及酸霧表面上，使酸霧直徑進(jìn)一步增大。至此爐氣由330℃降到40℃以下，全部顯熱被管外冷卻水帶走。爐氣進(jìn)入串聯(lián)的兩級(jí)電除霧器，使酸霧含量降到0.005g／m3以下，殘存的極微量礦塵幾乎被完全除凈。應(yīng)注意：所有濕法凈化流程必須解決好清除酸霧和減少爐氣帶人干燥塔的水分兩個(gè)問(wèn)題，特別是使酸霧含量達(dá)標(biāo)是貫穿整個(gè)流程的主要問(wèn)題。正如凈化原理所述，只要把酸霧清除到規(guī)定指標(biāo)，則其它雜質(zhì)都能達(dá)到要求。圖3.7圖3.82(3)動(dòng)力波洗滌器及動(dòng)力波凈化工藝

動(dòng)力波洗滌器系美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)的氣體洗滌設(shè)備，1987年孟山都環(huán)境化學(xué)公司獲得使用此技術(shù)的許可，開(kāi)始應(yīng)用于制造硫酸過(guò)程中的氣體凈化。動(dòng)力波洗滌器有多種型式，已成為一個(gè)系列。在此系列中，有兩種型號(hào)洗滌器——逆噴型和泡沫塔型用于制酸的凈化。泡沫塔型洗滌器外形與普通有固定擋板的板式塔相同，但塔板開(kāi)孔率及操作氣速相對(duì)較大，運(yùn)行中，在兩塔板間的開(kāi)孔區(qū)形成泡沫區(qū)，泡沫區(qū)中氣液接觸非常密切，可有效地脫除亞微細(xì)粒、冷卻氣體和多級(jí)吸收氣體。圖4為動(dòng)力波三級(jí)洗滌器流程簡(jiǎn)圖。首先，含塵爐氣進(jìn)入一個(gè)初級(jí)逆噴型洗滌器，氣體在這里急冷降溫，酸霧等冷凝，同時(shí)除塵，除塵效率可達(dá)90％左右。氣體離開(kāi)初級(jí)逆噴洗滌器后，進(jìn)入泡沫塔進(jìn)一步冷卻(也可用填充塔代替泡沫塔)．同時(shí)除塵以及去除砷、硒、氟和酸霧等雜質(zhì)。在泡沫塔后設(shè)一臺(tái)最終逆噴型洗滌器，以脫除殘余的不溶性顆粒塵及本部分殘余酸霧。在該工藝中，只要設(shè)置單級(jí)電除霧器，就能達(dá)到凈化要求。4兩類(lèi)凈化流程（酸洗與水洗）的比較：水洗流程簡(jiǎn)單、投資省、操作方便，砷和氟的凈化率都高。但SO3和SO2溶于水難于回收，使S的利用率低。最大不足是排放有毒含塵污水多，環(huán)境污染大。(每噸硫酸約排15噸污水！)酸洗流程中酸可循環(huán)使用，多余酸排出系統(tǒng)他用?？衫脿t氣中的SO3，提高了S的利用率。酸泥中的砷硒也可回收。最大優(yōu)點(diǎn)是排污量少，約為水洗流程的1/200~1/300。目前投產(chǎn)的工廠(chǎng)一般都不允許采用水洗流程。

濕法制酸流程熱量利用率低，工藝流程復(fù)雜,設(shè)備投資大，消耗動(dòng)力多，并產(chǎn)生污水。每生產(chǎn)1噸酸要排出10～15m3的酸性污水。

干法凈化是新發(fā)展的凈化方法，其原則流程如圖。

干法流程簡(jiǎn)短，整個(gè)過(guò)程在高溫下進(jìn)行，熱利用率高。無(wú)污酸、污水排出，減少了硫酸生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染。其缺點(diǎn)是基本上不能除盡As,Se,F等雜質(zhì)，不適于含As,Se,F成分多的礦料。3．2．4濕法凈化主要設(shè)備

在爐氣溫法凈化中，常用的設(shè)備有空塔、填料塔、泡沫塔、文丘里洗滌器、間接冷卻器及電除霧器等。(1)空塔空塔主要用作爐氣洗滌第一塔。它具有操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、氣流阻力小等優(yōu)點(diǎn)。目前生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。作為第一洗滌塔，其操作條件在不同流程中存在一定的差異。一般爐氣進(jìn)口溫度在300~350℃左右，出塔氣溫約65~70℃。除塵效率與礦塵的性質(zhì)和噴淋密度有關(guān)，一般約在60％~75％之間。除霧效率在14％~50％以下。氣流速度一般在1.0—1.5m／s。空塔的缺點(diǎn)是容積大、效率較低、投資多，在應(yīng)用上受到一定限制。(2)泡沫塔

泡沫塔常用作爐氣洗滌的第二塔，氣液在泡沫層中進(jìn)行接觸，伴有劇烈擾動(dòng)，接觸面不斷更新，大大強(qiáng)化了傳質(zhì)、傳熱過(guò)程。因而該設(shè)備具有效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很高的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，降溫和除砷、氟效果較填料塔更好。泡沫塔結(jié)構(gòu)上分淋降式和溢流式兩種。淋降式泡沫塔的篩孔有條形、圓形等，與溢流式比較，板面上形成的泡沫層薄，壓力降小，篩板上無(wú)溢流裝置，板面利用率較高。缺點(diǎn)是操作彈性較小，不易適應(yīng)氣速的波動(dòng)(有的為了提高操作彈性，篩板同時(shí)開(kāi)大孔和小扎)。溢流式泡沫塔又分為內(nèi)溢流和外溢流兩種，與淋降式相比，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但操作穩(wěn)定。另外，可在同一設(shè)備中上部用溢流式篩板，用以降溫；下部用淋降式篩板，用以除塵。泡沫塔操作條件：進(jìn)口氣溫70~50℃，出口氣溫40~30℃，液氣比一般為1：450左右，操作氣速1.8—2.6m／s。(3)文氏管

1956年正式將文氏管用于制酸爐氣的降溫除塵，1960年又用以除霧，以后以文氏管為主形成了水洗凈化的“三文一器”、“文泡文”、“文泡電”等水洗流程，特別是在小型廠(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)許多廠(chǎng)將以文氏管為主的水洗流程改為稀酸洗滌流程。文氏管的工作原理是當(dāng)氣流通過(guò)喉頸縮口時(shí)，氣體高速運(yùn)動(dòng)，把從頸部射入的液體沖擊粉碎成霧狀，氣液接觸面積大大增加，相互湍動(dòng)混合，因而強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱過(guò)程。另外,氣流中央帶的塵粒在氣體繞流液滴時(shí)被巨大的慣性力帶到液滴上面被捕集，由于液滴數(shù)量巨大，塵粒和被滴碰撞機(jī)會(huì)極多，因此捕集幾率很高。該種設(shè)備的除塵、除砷和氟、降溫的效率很高。由于文氏管與高溫、高速且?guī)m粒的腐蝕性爐氣接觸，喉管常用磷青銅或硬鉛制造，辦有采用鑄鐵內(nèi)襯石墨的；收縮管可用碳鋼；擴(kuò)散管用硬鉛，亦有用硬聚氯乙烯制作的，而且效果較好。文氏管的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，在極小的容積內(nèi)，用少量的水使大量爐氣得以快速降溫和除塵。一般在短時(shí)間內(nèi)使高溫爐氣迅速降至60~70℃，這樣的降溫效率，比一般空塔大50~200倍，是填料塔的60~70倍。其除塵效率亦相當(dāng)穩(wěn)定，通常在98.5％以上。文氏管的除霧效率與霧粒直徑的大小有關(guān)，除霧效率約70％。(4)電除霧器

電除霧器作為分離爐氣中的酸霧微粒是最為有效的設(shè)備。酸霧中通常含有砷、氟、微塵等雜質(zhì)，因此，它亦是除去爐氣中砷、硒等雜質(zhì)的良好設(shè)備。電除霧器操作原理與電除塵器相同。電暈極發(fā)生電暈放電，使?fàn)t氣中酸霧微粒荷電向沉降電極運(yùn)動(dòng)并沉積下來(lái)。當(dāng)聚集到一定量時(shí)，靠自重流下，無(wú)需振打。由于所處理爐氣夾帶酸霧，腐蝕性較強(qiáng)，因此，電除霧器需要用耐腐蝕材料制作。過(guò)去主要采用鉛材，近年開(kāi)發(fā)出多種非金屬材料，如硬聚氯乙烯，玻璃鋼等。塑料制電除霧器靠液膜導(dǎo)電，有效沉淀極面積小，運(yùn)行電壓、電流略低。鉛價(jià)格高，施工安裝工人易被鉛中毒，現(xiàn)已很少采用。(5)斜板沉降器由于爐氣中夾帶礦塵，從第一爐氣洗滌設(shè)備沉出的酸液含泥較高，必須進(jìn)行沉淀分離才能重新加人洗滌塔中。用聚丙烯酰胺絮凝劑配斜板(或斜管)沉淀器分離稀酸中的酸泥可取得較好效果。3.2.4凈化系統(tǒng)的水平衡與硫平衡3.2.4.1凈化系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)3.2.4.2凈化系統(tǒng)硫平衡3.2.4.3凈化系統(tǒng)水平衡3.2.4.1凈化系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)爐氣成分（進(jìn)入凈化）爐氣溫度350℃SO253.03kmol/h爐氣壓力1.96kPaSO31.04kmol/h爐氣出凈化系統(tǒng)溫度3.2.4.2凈化系統(tǒng)硫平衡進(jìn)入凈化系統(tǒng)的總硫SO2+SO3=52.03+1.04=53.07kmol/h總損失：53.07×（1-97%）=1.59kmol/h其中SO2損失1.59-1.04=0.55kmol/h設(shè)SO3全部轉(zhuǎn)化為30%稀硫酸，則副產(chǎn)酸量（損失不計(jì)）副產(chǎn)100%硫酸=1.04×98=101.92kg/h折合30%硫酸=101.92/0.3=339.73kg/h系統(tǒng)水平衡的計(jì)算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物料的處理量進(jìn)入系統(tǒng)的水：爐氣帶入系統(tǒng)的水量B進(jìn)；系統(tǒng)補(bǔ)加的水量B補(bǔ)出系統(tǒng)的水：由第一洗滌塔引出酸的含水量（M1/C1-M1）；爐氣出電除霧器時(shí)帶出的水量B出凈化系統(tǒng)水平衡方程：B進(jìn)+B補(bǔ)=（M1/C1-M1）+B出系統(tǒng)水平衡的計(jì)算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物料的處理量進(jìn)入系統(tǒng)的水：爐氣帶入系統(tǒng)的水量B進(jìn)；系統(tǒng)補(bǔ)加的水量B補(bǔ)出系統(tǒng)的水：由第一洗滌塔引出酸的含水量（M1/C1-M1）；爐氣出電除霧器時(shí)帶出的水量B出凈化系統(tǒng)水平衡方程：B進(jìn)+B補(bǔ)=（M1/C1-M1）+B出3.2.4.3凈化系統(tǒng)水平衡M1：爐氣中SO3總含量，kg；C1：第一洗滌塔引出酸含量（SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%則

由上式可知，當(dāng)爐氣中的水分、三氧化硫含量及帶出凈化系統(tǒng)的水量一事實(shí)上時(shí)，第一洗滌塔循環(huán)酸濃度由系統(tǒng)的補(bǔ)加水量來(lái)維持。當(dāng)系統(tǒng)中冷凝水（B進(jìn)-B出）與爐氣中SO3形成的硫酸濃度與第一洗滌塔循環(huán)酸濃度相等時(shí)，則系統(tǒng)循環(huán)酸濃度可自動(dòng)平衡，不需要補(bǔ)加水。否則需要補(bǔ)加水，要不循環(huán)酸濃度上升。3.3爐氣的干燥

爐氣經(jīng)除塵除霧后，還須干燥以除去其中的水分。1干燥原理和工藝條件水分的存在形式？如何分離？干燥劑如何選擇？水分在爐氣中以氣態(tài)存在，應(yīng)采用吸收方式進(jìn)行清除。濃硫酸具有強(qiáng)烈的吸水性，常用于氣體干燥。爐氣的干燥就是將氣體與濃硫酸接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用濃硫酸吸收水分的過(guò)程，主要是氣、液相的傳質(zhì)過(guò)程。兩相間的傳質(zhì)速率方程式可用下式表示：（1-3-8）式中G——單位時(shí)間內(nèi)被吸收的水蒸氣量，kg/h；F——兩相間有效接觸面積，m2；Δp——吸收過(guò)程的平均推動(dòng)力，Pa；K——吸收速度系數(shù)，kg／(m2·h·Pa)。當(dāng)接觸面積一定時(shí)，吸收速率取決于K和Δp。K主要與氣液相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)；Δp主要與吸收酸濃度、溫度等有關(guān)。吸收過(guò)程中除考慮提高吸收速率，還應(yīng)考慮保證干燥后爐氣含水量小于0.1g／m3，盡量少產(chǎn)生或不產(chǎn)生酸霧，盡量減少二氧化硫在吸收酸中溶解量等幾個(gè)方面。吸收酸的濃度平衡時(shí)硫酸濃度與液面上的水蒸氣分壓的關(guān)系如圖3.9。硫酸濃度增大，平衡水蒸氣分壓降低。在40°C時(shí)，92％硫酸溶液上的水蒸氣分壓只有2.7Pa.(此時(shí)純水的飽和蒸汽壓為7.9kPa!)。硫酸濃度大于80%后，SO2的溶解度增大很快，氣相中的SO3也容易與水蒸氣形成酸霧。兩方面都使S的損失增多。所以也不宜追求過(guò)高的硫酸濃度。通常以93%~95%的硫酸為干燥劑。這種硫酸由于冰點(diǎn)低，還可避免冬季低溫時(shí)硫酸的結(jié)晶現(xiàn)象。圖3.9氣流速度

在干燥塔中，氣—液相問(wèn)傳質(zhì)屬氣膜擴(kuò)散控制。氣速增大，傳質(zhì)系數(shù)增大。但壓降與氣速的平方成正比（Δp2/Δp1=(w2/w1)2），所以氣速不能過(guò)大。同時(shí)氣速大還要帶走較多酸沫，引起S的損失。適宜的氣速范圍：空塔：以0.7~0.9m/s為宜。填料塔：與采用的填料類(lèi)型有關(guān)，若用階梯環(huán)或矩鞍環(huán)，空塔氣速取1.35~1.5m/s。吸收酸溫度從前面吸收酸濃度的分析中已知，低于50°C已可使水分夠低了，通常采用與常溫很接近的溫度35~45°C干燥后氣相中酸霧含量如下表、SO2的損失與噴淋密度的關(guān)系如表3.4。硫酸濃度/%酸霧含量/(mg/Nm3)40°C60°C80°C100°C900.62.06.023.0