光纖預制棒沉積尾氣處理系統研究進展

姚 瑞*

（上海塑潔環保工程設備有限公司）

0 引言

光纖產業主要包括光纖預制棒制備和光纖光纜制備兩個環節。其中，光纖預制棒制備技術門檻較高，占據了光纖產業70%的價值[1]。由于技術壟斷，在2010 年以前國內的光纖預制棒60%～70%的用量仍依靠進口。近年來，我國光纖預制棒產業飛速發展，亨通、中天等公司陸續實現了光纖預制棒國產化生產，2017 年，我國光纖預制棒產能就已經躍居全球第一，約占全球總產量40%。

光纖預制棒的制備主要通過兩步來實現：首先生產二氧化硅晶核芯棒，然后通過芯棒外加套管或者氣相沉積法（OVD）工藝沉積外包層[2]。在OVD 光纖預制棒沉積過程中，氫氧焰中帶有的氣態鹵化物四氯化硅形成晶核，通過逐步層層沉積，在熱力作用下形成團聚體，獲得初沉母棒。制棒過程中會產生大量的二氧化硅粉塵、氯化氫、氯氣等，并帶有少量含氟氣體[3]。廢氣必須經過處理，其中成分到達國家最新的超低排放標準，方可排放至大氣。

光纖預制棒沉積工藝排放廢氣具有以下特性：

（1）廢氣為高溫氣體，廢氣處理系統溫度高達180 ℃左右；

（2）粉塵粒徑極小，達到了納米級（如圖1 和圖2 所示）；

圖1 粉塵動態光散射粒徑分布

圖2 掃描電子顯微鏡測量沉積工藝尾氣粉塵粒度

（3）廢氣中含有氯化氫、氯氣等腐蝕性氣體，并伴有少量含氟氣體成分，腐蝕性極強。

1 光纖預制棒制備沉積廢氣處理工藝

目前，國內外常用的光纖預制棒沉積廢氣處理工藝主要包括干法布袋除塵和濕電除塵。傳統的處理工藝常采用布袋除塵結合噴堿洗滌塔的形式，但由于廢氣易結露，處理溫度應控制在廢氣露點溫度（30～50 ℃）以上，這對于布袋的耐高溫性和耐腐蝕性的要求極高，且布袋具有壽命短、維護保養困難等缺點，光纖預制棒沉積廢氣處理工藝一直是亟待改進的問題。

1.1 干法布袋除塵工藝

干法布袋除塵是含塵煙氣在通過過濾材料時，過濾材料依靠慣性碰撞作用將塵粒過濾，達到過濾材料捕集粗粒粉塵的目的[4]。細粒粉塵的定向捕獲主要依賴于擴散和篩分作用。此外，由于被捕獲的粉塵不斷積累，過濾材料的粉塵層也起到了一定的過濾作用。當除塵器工作一段時間后， 濾袋吸附的含塵煙氣灰層厚度增加， 阻力增大，此時可對濾袋進行清理，實現除塵目的。由于二氧化硅粉塵密度低（220 ～250 kg/m3）、粒徑小（約2.75 μm），且爐窯工藝控制要求高等，實際施工難度較大，技術難點主要體現在對運行的壓力控制精度和系統的風量要求高、粉體回收效率要求高、濾料清灰后再生能力要求高，應盡可能減小運行阻力以及布袋除塵器對窯爐生產的影響（即爐壓穩定性強且波動范圍±20 Pa）。

圖3 為干法除塵的工藝流程圖。廢氣經過收集后先進入預熱器，保證氣體溫度超過其露點溫度（30～50 ℃）以上，確保廢氣不結露；隨后廢氣進入布袋除塵器，去除其中的二氧化硅粉塵；再進入噴堿洗滌塔，去除氯化氫、氯氣等酸性氣體；最后經過引風機和煙囪，排入大氣。噴堿洗滌塔產生的廢水分別經過廢水預處理和MVR 處理后，最終實現零排放。

圖3 干法除塵工藝流程圖

隨著制棒工藝不斷發展，采用高純度四氯化硅氣體進行氣相沉積，粉塵的顆粒度越來越小，甚至達到了納米級，遠遠超出了布袋除塵的處理極限，因此干法除塵已經不能滿足光纖預制棒沉積生產工藝的需要，近年來光纖預制棒制造企業開始采用濕電除塵處理光棒沉積工藝尾氣。

1.2 濕式電除塵工藝

濕電除塵是通過直流高壓產生電暈放電，使粉塵或水霧荷電，荷電粒子在電場力的作用下到達收塵極板和陰極棒上。由于濕式電除塵工藝對粉塵的適應能力強，因而具有較高的除塵效率。又由于該工藝具有噴淋沖洗步驟，因此也適用于處理高溫、高濕的煙氣，且沒有二次揚塵；工藝中沒有錘擊設備等易損部件，耐久性好，且能高效吸附亞微米級顆粒。通常，在濕電除塵工作時，集塵過程中風阻維持不變，不會產生排風量擾動，所以能夠滿足工藝廢氣持續排放時，穩定性高的要求。廢氣粉塵成分單一，主要為二氧化硅，比電阻較大，具有良好的親水性，故可用高壓噴淋霧化水嘴進行連續噴淋增濕，從而達到降低粉塵比電阻的效果，提高電除塵器的處理能力。此外，廢氣溫度較高時，可以由濕式噴淋系統進行有效降低；濕式噴淋系統也能夠有效吸收大部分的酸性氣體，起到減小洗滌塔在吸收中和酸性氣體時負荷的作用。

圖4 所示為濕電除塵工藝流程圖。廢氣收集后先進入預洗塔進行降溫，同時洗去一部分氯化氫；隨后廢氣進入濕式電除塵器，去除廢氣中的二氧化硅粉塵；再進入噴堿洗滌塔，去除氯化氫、氯氣等酸性氣體；最后經過引風機和煙囪排入大氣。預洗塔、濕式電除塵器和噴堿洗滌塔產生的廢水分別經過廢水預處理和MVR 后，最終實現零排放。

圖4 濕電除塵工藝流程圖

濕式電除塵器是處理廢氣中二氧化硅粉塵的核心設備，通過直流高壓使含塵氣體電離，同時帶負高壓的電極絲產生電暈放電，使粉塵荷電，并通過強電場力的作用使荷電粉塵被推向帶有高壓正電的收塵極板和帶有高壓負電的陰極棒，去除亞微米顆粒。

2 光纖預制棒制備工藝優缺點

2.1 干法布袋除塵工藝的優缺點

干法除塵的優點為除塵效率高（一般為99%以上），且設備結構簡單、操作便捷，在相同的除塵效率下，相較于濕電除塵法其造價更低，且不受限于粉塵的類別，處理通量大。

其缺點在于廢氣溫度極難控制，廢氣易結露，造成腐蝕設備；粉塵受潮易結塊，堵塞卸料通道，造成布袋清灰困難，阻力增大，使設備過早失效甚至損壞；處理車間中隨處可見粉塵溢出等情況，工作環境較差，操作人員健康也會受到影響；布袋的使用壽命短，維護保養較困難。

而且隨著預制棒沉積技術的發展，廢氣處理量顯著增加，干法布袋除塵在使用過程中還出現了以下新問題：

（1） 除塵器脈沖瞬時清灰時，嚴重影響沉積裝置生產光纖預制棒時的風壓環境，也影響了光纖預制棒的成品率及品質；

（2） 廢氣處理量激增使除塵器運行阻力長期超過可承受閾值；（3） 光纖預制棒制備技術提升使二氧化硅粉塵相較于以前更輕更細，清灰問題較為突出。

2.2 濕式電除塵工藝的優缺點

濕式電除塵的優點為適用于微?？刂?，二氧化硅粉塵的親水性好，荷電充分，除塵效率可達到99%以上；塵粒從氣流中分離的能量不是供給氣流，而是直接供給塵粒，因此濕式電除塵器的設備阻力較低。其缺點在于設備龐大，占地面積大，一次性投資較多，結構復雜，制造、安裝精度要求高。

而且隨著預制棒沉積技術不斷發展，粉塵顆粒越來越小，濕式電除塵系統在使用過程中出現了以下幾種新問題：

（1）二氧化硅粉塵的粒徑極小，且易團聚，間歇式噴淋不能將聚積的粉塵沖洗干凈，大量粉末淤積在陽極板表面，嚴重影響系統的除塵效率；

（2）由于系統使用循環水，極易堵塞螺旋式噴嘴，使噴淋系統不能正常工作，或者噴出的液體呈水柱狀，導致陽極與陰極間出現擊穿現象甚至直接導電，影響除塵效率，且存在事故隱患；

（3）廢氣組分中含有氯化氫、氯氣等腐蝕性氣體，對設備本體、陽極板、陰極線的腐蝕性極強。設備本體多采用玻璃鋼材質，陽極板、陰極線等多采用不銹鋼或鈦材，但不銹鋼的耐腐蝕性有限，而鈦材的造價昂貴；

（4）由于廢氣中的二氧化硅粉塵含量大，需定期清理，導致系統的維護頻率較高，嚴重影響系統連續生產過程；

（5）在維護保養過程中，陽極板內表面淤積的二氧化硅粉塵極難清理，且內部空間狹小，增加了維護保養的難度。

因此現有干法布袋除塵工藝和濕式電除塵工藝均存在較多缺點，光纖預制棒生產廠家需要配備更高效的生產尾氣處理設備并配套一體化凈水設備，以滿足光纖預制棒沉積工藝技術的發展，及生產企業的超低排放要求，也可以改善現場工作環境，節省環保運行費用。

3 結論

隨著光纖技術不斷發展，光纖預制棒的需求量不斷增加，而光纖預制棒制備沉積廢氣處理對環境影響較大。改進除塵工藝，實現更低的廢氣排放需引起更多重視。本文對光纖預制棒沉積尾氣的處理工藝進行了總結與分析，希望能給相關從業人員帶來啟發，對現有技術進行更新與改進，滿足光纖行業的可持續性發展與生產企業的排放要求。