靜電除塵器在黃磷生產中的應用及存在的問題

孫志立

(貴州省磷酸鹽工業協會 貴州貴陽 550000)

靜電除塵器在黃磷生產中的應用及存在的問題

孫志立

(貴州省磷酸鹽工業協會 貴州貴陽 550000)

概述了靜電除塵器在黃磷生產中的應用情況，分析了其未能在我國中、小型黃磷生產裝置中推廣使用的原因。如能對靜電除塵器的密封、加熱、出灰、置換吹掃、制造費用、運行成本上有新的突破和發展，靜電除塵裝置一定會在黃磷行業得到廣泛應用。

黃磷；靜電除塵器；應用

0 前言

1907年，靜電除塵器(又稱電除塵器)在控制酸霧排放中的應用獲得成功后，迅速在其他工業煙氣污染治理中得到應用。1910年，美國首先將電除塵器應用于冶煉銅、鉛、鋅時回收煙氣中的金屬氧化物，之后推廣應用于波特蘭水泥廠、紙漿和造紙廠、發電廠等，促進了電除塵器在世界各國的冶金、建材、化工等行業的推廣使用。1930年，德國首先在10 000 kVA制磷裝置上安裝電除塵器并取得成功，隨后在美國TVA黃磷工廠、加拿大魁北克瓦斯倫黃磷廠等的黃磷裝置中得到采用。

我國首臺電除塵器于1936年在本溪工農兵水泥廠投用，其除塵面積為36 m2。吉林鐵合金廠于1954年在其冶金電爐裝置上安裝了1臺棒幃式電除塵器，包鋼燒結廠于1965年安裝了2臺干法電除塵器，然后冶金部組織了電除塵器的試驗考核小組，對電除塵器的結構等技術參數進行了進一步的研究、改進和完善，推動了電除塵器在冶金系統的廣泛應用，到20紀90年代末期，我國冶金行業的靜電除塵技術水平已經達到了國際同期水平。1973年，由南化公司設計院完成設計的0.64 m2電除塵器在南化公司磷肥廠1#制磷電爐安裝，經試生產獲得成功，并取得良好的效果，為我國黃磷行業研究和開發使用電除塵器取得了許多重要的技術數據和寶貴的生產操作經驗。

目前，世界上黃磷生產裝置采用的電除塵器多為立式、管型、雙室、雙電場分別供電，除塵室的核心部分由沉淀極和電暈極構成，沉淀極一般為圓管式、扁長圓管式，也有用一排金屬棒構成極排成為棒幃式，在管中和極排之間懸掛電暈極線，接入高壓直流負極電形成電暈區。

1 電除塵器在我國大型制磷電爐中的應用

20世紀八九十年代，我國分別從德國、前蘇聯引進3臺30 000 t/a大型制磷電爐，均采用電除塵器除塵。從前蘇聯引進的為干法、立式雙室電除塵器，型號為ЗВЦТ2- 5.5- 24K，外形尺寸為15.40 m×8.06 m×14.00 m，質量262 t，有效收塵面積24 m2，同極間距離350 mm，設有2個電場(內殼為圓筒形)，與之相連的傾斜氣體導管安裝在外殼內，外殼即為加熱夾套。由電加熱器、熱氮風機等組成的熱氮循環系統為保溫夾套提供循環熱氮氣，氮氣溫度控制在300～350 ℃。入室的磷爐氣溫度最高可達600 ℃，因此內殼材質選用0Cr18Ni11Ti，以保證在高溫下具有一定的熱穩定性和防腐性能。每臺制磷電爐配備2臺電除塵器并聯操作，根據工作電壓情況每15 d為1個操作周期。每臺電除塵器從結構上可分為內外殼體組成的夾套加熱系統、集塵系統和電暈極、絕緣和供電裝置、高壓干進線裝置、氣體分布系統、氮氣密封系統、排灰裝置、電塵漿攪拌系統等。

電除塵器工作溫度是指電除塵器內的黃磷爐氣和其夾套內熱空氣的溫度。從節能和熱效率角度考慮，爐氣溫度應維持在實際可行的最低溫度，但必須從保持電除塵器正常運行來確定其工作溫度，同時還需考慮磷蒸氣露點和灰中有機雜質含量對爐氣溫度的影響，以及電除塵器工作溫度對灰的流動性和粉塵電阻率的影響。電除塵器的加熱保溫方式有2種，一種是煤氣或尾氣燃燒后的煙氣在夾套內循環保溫，另一種是電加熱氮氣保溫。前者溫度波動較大，還曾出現過煙氣漏入室內引起電除塵器爆炸的重大事故，因此，目前國內外的大型制磷電爐均采用后者保溫，控制安全穩定，但電耗高。

在電熱法制磷生產中，根據化學反應，每生成1分子的P4，同時產生10分子的CO，2種氣體的體積比是1∶10，磷蒸氣占總體積的1/11，磷蒸氣的分壓為9.21 kPa(69.09 mmHg)，對應的露點為180.7 ℃(純磷蒸氣的露點為281.0 ℃)。即磷爐氣溫度在180.7 ℃以上時，磷以氣態形式存在，一旦溫度低于180.7 ℃，就有磷蒸氣開始冷凝。在制磷電爐中，實際磷爐氣中CO含量高于上述理論值，因為還有部分CO來自原料中的Fe2O3和CO2的還原，加上有過量焦炭、其他氣體，尤其是體積占比較大的水蒸氣的存在，磷爐氣中磷蒸氣分壓低于9.21 kPa，所以其露點肯定低于180.7 ℃。綜合上述諸多因素，磷爐氣溫度必須控制在250 ℃以上才能保證磷蒸氣不冷凝。因此，盡管電除塵器夾套保溫的運行成本很高，但必須配置。此外，電除塵器夾套保溫要均勻，應嚴防局部溫度偏低或偏高，確保磷爐氣中的磷在電除塵器室內任何部位以氣態存在；夾套出口的循環保溫氣溫度不得低于250 ℃，以確保人身和設備安全。

2 制磷裝置應用電除塵器的理論依據及存在的問題

用于制磷裝置的電除塵器的基本結構與冶金、化工、水泥等行業使用的電除塵器大致相同，但依然有其特殊性，不能一概而論。

2.1 理論依據及可行性

從磷爐氣中所含粉塵的化學成分看，大部分為P2O5(即磷酸鹽)，其次是SiO2、堿金屬、焦粉(以炭黑形式存在)等。凡是粉塵顆粒都具有不同的導電系數，大致可分為三類，一類電阻系數<104Ω·cm，二類電阻系數104～1010Ω·cm，三類電阻系數>1010Ω·cm。根據粉塵的特性，具有一類電阻系數的顆粒是不可能在干式電除塵器中除塵的，具有二類電阻系數的顆粒在一級技術條件可以沉降除去，具有三類電阻系數的顆粒需加入“凝結劑”，如水汽或某些化學物質以降低顆粒電阻后才能除去。

通過測定，磷礦和硅石的電阻系數在107～1010Ω·cm之間，屬二類電阻系數，故容易除去；焦炭的電阻系數僅為44.7 Ω·cm，一般不易除去。由于磷爐氣中存在一定數量的水蒸氣，故在一定程度上可改善除塵效果。因此，從理論和技術操作上講，電除塵器用于制磷電爐磷爐氣除塵是完全可行的。

2.2 存在的問題

以前蘇聯引進的大型制磷電爐設計配置的電除塵器為例，其在制磷電爐上推廣應用存在的實際問題分析如下。

(1)投資費用高(設備龐大)。1臺電除塵器的建設費用在2 000萬元左右，此外還需建設1套復雜的配套設施，結構較緊密，制造、安裝的技術精度要求高，維修費用大，對原料制備的質量要求和工藝指標(如入爐焦炭水分含量和粒度、爐氣溫度等)近似苛刻。

(2)氮氣用量大，電耗高。整臺電除塵器用于密封、夾套保溫的氮氣耗量為3 603.88 m3/h，折噸磷耗氮氣864.05 m3(2008年企業統計數據)，需配套建設相應的空分裝置，僅電除塵器、氮氣加熱器、風機的電耗噸磷至少在280 kW·h，這還不包括其他機泵等設備的電耗。

(3)除塵效率很難達到設計指標。設計除塵率指標是達到99%以上，但從目前實際運行的情況看，最好的在90%左右，一般情況下只能達到70%～80%。

鑒于以上原因，目前國內中、小型制磷電爐的磷爐氣除塵均未采用電除塵器。

3 降低磷爐氣粉塵含量的措施

為了降低磷爐氣的含塵量，在原料制備工序都設計有物料的烘干和篩分設備，只要入爐料含水質量分數能控制在1%以內，帶入制磷電爐內的粉塵將大大減少。

3.1 合理利用磷礦資源

磷礦是重要的戰略資源，其在黃磷生產成本中所占比重正逐漸加大。黃磷生產用礦并不是品位越高越經濟，必須認真分析磷礦化學組分，合理搭配使用灼失(CO2)高的磷礦并進行預處理，改善入爐配合料質量。對w(CO2)>3%的原料磷礦在價格上加以嚴格調控，w(CO2)每升高1%，價格下調10～15元/t，以經濟手段抑制原料中CO2含量的升高。有的企業建有原料預處理裝置，對高灼失和機械強度差的磷礦進行燒結處理，這是一條值得積極推廣的有效措施。此外，可以充分利用磷爐尾氣和篩分下來的磷礦、焦粉，既環保又節約成本，有利于黃磷生產企業的增收節支、挖潛增效。

3.2 優化選擇設計制磷電爐技術參數

磷爐氣溫度是一個重要的工藝控制指標，其值高，說明生料層薄，不僅爐料的熱交換效果差，而且過濾效果也不好，磷爐氣中粉塵含量增大。目前多電極制磷電爐爐膛的內高一般在5.50 m左右，最高的已達6.06 m，生料層的厚度從2 m以上提高至4 m左右，原來設計時擔心的爐內電極長度增加后斷電極概率上升的現象很少出現。只要爐內電極熔池形成良好、下料均勻、電極受力平衡，就不會發生斷電極事故，且國內生產的石墨電極質量完全可滿足和適應這種工況條件。生料層厚度增加，等于過濾層厚度增加，磷爐氣帶出的粉塵量減少，實際上起到了自我除塵凈化的功效。目前操作管理較好的多電極制磷電爐裝置，噸磷的泥磷量可控制在100 kg左右。

大型制磷電爐要考慮進入電除塵器的磷爐氣溫度不能低于露點，磷爐氣溫度一般在500 ℃以內，中、小型制磷電爐磷爐氣溫度一般≤150 ℃。由于多電極制磷電爐磷爐氣至冷凝洗滌噴淋塔的距離僅5 m左右，又未設置電除塵器，故完全沒有必要控制過高的磷爐氣溫度。在正常操作運行時，多電極制磷電爐的磷爐氣溫度一般在120 ℃左右(導氣管)，最低在80 ℃左右(導氣管)，操作很穩定。

3.3 加強科學管理及工藝操作

加強科學的操作管理也是降低磷爐氣含塵量的必備條件,除了在設計和原料采購上加強科學管理外，工藝操作的調整控制是相當重要的。磷爐氣的成分比水泥、冶金、化工等行業的煙氣復雜，其中除磷蒸氣外，還含有CO2，H2S，SiF4，N2，H2O等，不同組分和灰分的含量取決于很多因素，但主要是制磷電爐操作運行時的電氣和工藝條件，如功率、二次電壓、電流、爐渣、焦炭組分、磷爐氣溫度等。

4 結語

(1)電除塵器是高效的氣體凈化和重要的環保設備，在制磷電爐上應用已近80年，工藝技術是完全成熟可靠的。采用電除塵器無疑可以提高除塵效率，大大減少泥磷產生量，對減少污染和改善環境功不可沒。目前，很多企業已把配置電除塵器作為今后黃磷生產削減污染、升級換代的一項措施。

(2)由于磷蒸氣易冷凝，且冷凝后難以重新蒸發，而現行的多電極制磷電爐磷爐氣溫度低(120 ℃左右)，若要配置電除塵器，必須將120 ℃左右的磷爐氣溫度提高至250 ℃以上，這就需要增添加熱設備。制磷電爐、電除塵器都在微正壓下工作，如爐內塌料瞬間出現負壓，爐氣可燃、可爆，故必須確保電除塵器的密閉性，杜絕外泄或空氣進入。由于高壓絕緣瓷瓶(高壓進線)部分無法加熱，磷蒸氣易在此冷凝而破壞其絕緣，影響電除塵器的運行安全，故需使用清潔氣體對高壓瓷瓶進行不間斷吹掃。為了延長電除塵器的使用周期和避免二次污染環境，需設置特殊的干式或濕式出灰系統。

(3)電除塵器至今未能在國內中、小型黃磷生產裝置中推廣使用，其主要原因是投資大、技術要求嚴、除塵效率不穩定、受爐料質量制約大、不易長期達到設計要求等，因此，需對電除塵器的密封、加熱、出灰、置換吹掃等加以改進、完善，如能在制造費用和運行成本上有新的突破和發展，電除塵裝置一定會在黃磷行業得到廣泛應用。

Use of Electrostatic Precipitator in Production of Yellow Phosphorus and Existing Problems

SUN Zhili

(Guizhou Phosphate Industry Association, Guizhou 550000, China)

The use situation of electrostatic precipitator in production of yellow phosphorus is summarized, the reason why its use in small and medium yellow phosphorus production plants is not promoted is analyzed. If some new breakthrough and development can be made in seal, heating, ash disposal, replacement purge, manufacturing cost and operation cost, electrostatic precipitator will surely be widely used in yellow phosphorus industry.

yellow phosphorus； electrostatic precipitator； application

孫志立(1953—)，男，研究員，國內黃磷生產技術資深專家，貴州省磷酸鹽工業協會副秘書長；2661585942@qq.com

TQ126.3+17

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1006- 7779(2017)01- 0020- 04

2015- 05- 14)