硫酸爐氣凈化與干燥課件

第三章爐氣的凈化與干燥3.1.1有害雜質及其危害

(1)砷和硒

(2)氟

(3)三氧化硫

(4)水分3.1.2爐氣凈化指標目前，中國執(zhí)行的指標如下(在二氧化硫鼓風機出口測定點)。單位為標準狀況下mg／m3。水分<100（部頒指標）酸霧，一級電除霧<30（部頒指標）二級電除霧<5（部頒指標）塵<1（推薦指標）砷<1（推薦指標）氟<0.5（推薦指標）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。它們是轉化催化劑危害最大的毒物，并影響成品酸的應用范圍。氟原料中氟化物經焙燒后有一部分進入爐氣中，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。氟化氫對硅質設備及填料有嚴重的腐蝕作用，而且其腐蝕作用是反復的。反應如下：SiO2十4HF＝SiF4十2H2O（1-3-1）SiF4+(X+2)H2O＝SiO2·XH2O↓十4HF（1-3-2）氟化物進入轉化器后，在高溫、干燥條件下，發(fā)生式(1-3-2)反應，產生的水合氧化硅在催化劑表面形成灰白色硬殼，嚴重時使催化劑結塊，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。水分本身無直接毒害作用，但它會稀釋進入轉化系統(tǒng)的酸霧和酸沫，嚴重腐蝕設備和管道，同時水蒸氣會與轉化后得到的三氧化硫在冷卻和吸收過程中生成酸霧，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性質，使其通過擴散吸收在液體中或吸附在固體表面上；B．將其通過化學變化轉化為無害成分；C.將其先進行相轉化，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)系起來考慮才有實際意義，否則會影響裝置能力的發(fā)揮。有時為提高分離裝置效率，設法使小粒子在進入分離設備前變大一些，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，在凈化過程中應分級逐段進行，先大后小，先易后難。②爐氣中被除物以氣、液、固三態(tài)存在，應按微粒的輕重程度分別進行，先固液，后氣體。③有害雜質危害范圍及程度不同，應先重后輕。④為減少裝置投資費用，應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。

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。當爐氣降至190～230℃時，轉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轉化為微小結晶懸浮于氣相中，形成As,Se和酸霧氣溶膠體系。再經除霧即可。

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

藍色線為實驗數(shù)據綠色線為計算數(shù)據6420100150200250300T/°C臨界過飽和度酸霧霧滴的直徑很小，很難除去，洗滌時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保證除霧效果。霧滴直徑越大，表面效應越少，與平面液體差異越小。除霧效率越高。工業(yè)上往往設置冷卻塔既降低溫度又通過增濕來增大霧滴直徑。酸霧的清除

經電除塵后的爐氣，含塵量降到0.2g／m3以下．溫度為300~320℃，進入冷卻塔，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。爐氣經過該塔后，通過增加濕度而降濕，同時產生酸霧。爐氣中所含的礦塵、SO3、HF、As2O3、SeO2等雜質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)和對爐氣中雜質的吸收、捕集各物質的濃度均有所提高，但其濕度未發(fā)生改變，其原因是塔內氣液直接接觸．形成了一個絕熱蒸發(fā)系統(tǒng)。從這一點上說，爐氣中的熱量仍留在水中，只是爐氣的顯熱轉化為水蒸氣浴熱。爐氣進入洗滌塔，氣體中數(shù)種雜質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，使爐氣中水含量進一步提高，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。爐氣進入串聯(lián)的兩級電除霧器，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問題，特別是使酸霧含量達標是貫穿整個流程的主要問題。正如凈化原理所述，只要把酸霧清除到規(guī)定指標，則其它雜質都能達到要求。圖3.7圖3.82(3)動力波洗滌器及動力波凈化工藝

動力波洗滌器系美國杜邦公司開發(fā)的氣體洗滌設備，1987年孟山都環(huán)境化學公司獲得使用此技術的許可，開始應用于制造硫酸過程中的氣體凈化。動力波洗滌器有多種型式，已成為一個系列。在此系列中，有兩種型號洗滌器——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，但塔板開孔率及操作氣速相對較大，運行中，在兩塔板間的開孔區(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粒、冷卻氣體和多級吸收氣體。圖4為動力波三級洗滌器流程簡圖。首先，含塵爐氣進入一個初級逆噴型洗滌器，氣體在這里急冷降溫，酸霧等冷凝，同時除塵，除塵效率可達90％左右。氣體離開初級逆噴洗滌器后，進入泡沫塔進一步冷卻(也可用填充塔代替泡沫塔)．同時除塵以及去除砷、硒、氟和酸霧等雜質。在泡沫塔后設一臺最終逆噴型洗滌器，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，只要設置單級電除霧器，就能達到凈化要求。4兩類凈化流程（酸洗與水洗）的比較：水洗流程簡單、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)點是排污量少，約為水洗流程的1/200~1/300。目前投產的工廠一般都不允許采用水洗流程。

濕法制酸流程熱量利用率低，工藝流程復雜,設備投資大，消耗動力多，并產生污水。每生產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。

干法流程簡短，整個過程在高溫下進行，熱利用率高。無污酸、污水排出，減少了硫酸生產對環(huán)境的污染。其缺點是基本上不能除盡As,Se,F等雜質，不適于含As,Se,F成分多的礦料。3．2．4濕法凈化主要設備

在爐氣溫法凈化中，常用的設備有空塔、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、適應性強、氣流阻力小等優(yōu)點。目前生產中應用較為廣泛。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和噴淋密度有關，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?？账娜秉c是容積大、效率較低、投資多，在應用上受到一定限制。(2)泡沫塔

泡沫塔常用作爐氣洗滌的第二塔，氣液在泡沫層中進行接觸，伴有劇烈擾動，接觸面不斷更新，大大強化了傳質、傳熱過程。因而該設備具有效率高，結構簡單，很高的穩(wěn)定性和適應性，降溫和除砷、氟效果較填料塔更好。泡沫塔結構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，篩板上無溢流裝置，板面利用率較高。缺點是操作彈性較小，不易適應氣速的波動(有的為了提高操作彈性，篩板同時開大孔和小扎)。溢流式泡沫塔又分為內溢流和外溢流兩種，與淋降式相比，結構較為復雜，但操作穩(wěn)定。另外，可在同一設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，特別是在小型廠得到廣泛應用。近年來許多廠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氣流通過喉頸縮口時，氣體高速運動，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，相互湍動混合，因而強化了傳質傳熱過程。另外,氣流中央帶的塵粒在氣體繞流液滴時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，塵粒和被滴碰撞機會極多，因此捕集幾率很高。該種設備的除塵、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，辦有采用鑄鐵內襯石墨的；收縮管可用碳鋼；擴散管用硬鉛，亦有用硬聚氯乙烯制作的，而且效果較好。文氏管的一個顯著特點是，在極小的容積內，用少量的水使大量爐氣得以快速降溫和除塵。一般在短時間內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，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備。酸霧中通常含有砷、氟、微塵等雜質，因此，它亦是除去爐氣中砷、硒等雜質的良好設備。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，使爐氣中酸霧微粒荷電向沉降電極運動并沉積下來。當聚集到一定量時，靠自重流下，無需振打。由于所處理爐氣夾帶酸霧，腐蝕性較強，因此，電除霧器需要用耐腐蝕材料制作。過去主要采用鉛材，近年開發(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電，有效沉淀極面積小，運行電壓、電流略低。鉛價格高，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，從第一爐氣洗滌設備沉出的酸液含泥較高，必須進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)計算數(shù)據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)計算數(shù)據爐氣成分（進入凈化）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SO3全部轉化為30%稀硫酸，則副產酸量（損失不計）副產100%硫酸=1.04×98=101.92kg/h折合30%硫酸=101.92/0.3=339.73kg/h系統(tǒng)水平衡的計算基準：單位時間內物料的處理量進入系統(tǒng)的水：爐氣帶入系統(tǒng)的水量B進；系統(tǒng)補加的水量B補出系統(tǒng)的水：由第一洗滌塔引出酸的含水量（M1/C1-M1）；爐氣出電除霧器時帶出的水量B出凈化系統(tǒng)水平衡方程：B進+B補=（M1/C1-M1）+B出系統(tǒng)水平衡的計算基準：單位時間內物料的處理量進入系統(tǒng)的水：爐氣帶入系統(tǒng)的水量B進；系統(tǒng)補加的水量B補出系統(tǒng)的水：由第一洗滌塔引出酸的含水量（M1/C1-M1）；爐氣出電除霧器時帶出的水量B出凈化系統(tǒng)水平衡方程：B進+B補=（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的質量分數(shù)），%則

由上式可知，當爐氣中的水分、三氧化硫含量及帶出凈化系統(tǒng)的水量一事實上時，第一洗滌塔循環(huán)酸濃度由系統(tǒng)的補加水量來維持。當系統(tǒng)中冷凝水（B進-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，則系統(tǒng)循環(huán)酸濃度可自動平衡，不需要補加水。否則需要補加水，要不循環(huán)酸濃度上升。3.3爐氣的干燥

爐氣經除塵除霧后，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，應采用吸收方式進行清除。濃硫酸具有強烈的吸水性，常用于氣體干燥。爐氣的干燥就是將氣體與濃硫酸接觸來實現(xiàn)的。用濃硫酸吸收水分的過程，主要是氣、液相的傳質過程。兩相間的傳質速率方程式可用下式表示：（1-3-8）式中G——單位時間內被吸收的水蒸氣量，kg/h；F——兩相間有效接觸面積，m2；Δp——吸收過程的平均推動力，Pa；K——吸收速度系數(shù)，kg／(m2·h·Pa)。當接觸面積一定時，吸收速率取決于K和Δp。K主要與氣液相對運動速率有關；Δp主要與吸收酸濃度、溫度等有關。吸收過程中除考慮提高吸收速率，還應考慮保證干燥后爐氣含水量小于0.1g／m3，盡量少產生或不產生酸霧，盡量減少二氧化硫在吸收酸中溶解量等幾個方面。吸收酸的濃度平衡時硫酸濃度與液面上的水蒸氣分壓的關系如圖3.9。硫酸濃度增大，平衡水蒸氣分壓降低。在40°C時，92％硫酸溶液上的水蒸氣分壓只有2.7Pa.(此時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。這種硫酸由于冰點低，還可避免冬季低溫時硫酸的結晶現(xiàn)象。圖3.9氣流速度

在干燥塔中，氣—液相問傳質屬氣膜擴散控制。氣速增大，傳質系數(shù)增大。但壓降與氣速的平方成正比（Δp2/Δp1=(w2/w1)2），所以氣速不能過大。同時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：與采用的填料類型有關，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系如表3.4。硫酸濃度/%酸霧含量/(mg/Nm3)40°C60°C80°C100°C900.62.06.023.0