摘要：介绍了纤维填充式过滤器的除雾功能,论述了雾粒的形成原因,纤维填充式过滤器的除雾机理,结构、纤维的选择, 纤维直径、填充密度、床层厚度的确定、产品分类、除雾效率、压力降计算及安装方法。重点介绍了纤维填充式过滤器在 SO3磺化装置中的应用,所遇到的问题及过滤器的再生方法。通过分析比较,使使用者对纤维填充式过滤器的性能有所 了解,根据实际情况选用合适的产品,并正确使用和维护,确保纤维填充式过滤器在SO3磺化操作中发挥最大作用。
关键词：磺化装置;纤维填充式过滤器;机理;压降;应用
中图分类号：TQ649·5 文献标识码：A 文章编号：1001-1803(2010)01-0074-05
在许多生产过程中,悬浮于气流中的液体微粒 (雾粒)是不可避免的,它们一般通过以下途径形成: 由机械力作用使液体形成雾粒;气体中的蒸气冷凝形 成雾粒;在一定的温度和压力下两种或两种以上的气 体发生化学反应形成雾粒。通常由机械力作用形成的 雾粒粒径比较大,而由冷凝或化学反应形成的雾粒粒 径较小(亚微粒),见表1。
通常用来除雾的设备有电过滤器、金属丝网和纤 维填充式过滤器。金属丝网过滤器因其投资省、结构 紧凑、安装方便,在化工生产装置中应用非常普遍,金 属丝网过滤器对直径大于3μm雾粒的除雾效率比较 高,而对小于3μm雾粒的除雾效率则不够理想。电 过滤器虽然对不同粒径的雾粒都有很高的除雾效率, 但由于投资成本、运行费用高,应用也受到了限制。纤 维填充式过滤器不仅可除去气流中的大颗粒雾粒(直 径大于3μm),而且对于除去亚微粒也非常有效,因此 绝大多数的厂家选择使用纤维填充式过滤器。
1 纤维填充式过滤器的除雾机理
在纤维填充式过滤器工作时,其纤维床层主要通 过惯性碰撞、直接拦截、布朗运动等机理来达到捕集雾 粒的目的。
1)惯性碰撞:直径大于3μm的雾粒具有较大的 惯性力,动量使其脱离气流流线直接撞在纤维上而被 捕集。
2)直接拦截:直径介于1μm~3μm的雾粒,沿气 流流线运动,当其与纤维相当接近时,它就会被捕集。 例如,直径为1μm雾粒在间距纤维小于0·5μm时, 就会被捕集。
3)布朗运动:非常细小的粒子与气体分子之间的碰撞产生了随机运动。这种运动的方向既可能顺着气流方向,也可能与气流方向相反或跟气流方向垂直。 布朗运动随雾粒的减小而增加,直径0·1μm雾粒的布朗运动是直径为1μm雾粒的5倍,因而被纤维捕集的机会就大大增加。
纤维床捕集雾粒是几种机理同时作用的结果。惯性碰撞需一定的气流速度来达到较好的捕集效果,而对于直接拦截和布朗运动,气流速度越低效果越好。
2 纤维填充式过滤器的结构
纤维填充式过滤器由单个或多个安装在容器或槽体内花板上的过滤芯组成,见图1。
当含有雾粒的气体水平通过纤维床层时,雾粒通过上述三种除雾机理捕集在单个的纤维上,并逐渐凝聚成大颗粒或液膜,在气流推动力的作用下,穿过纤维 床层,并沿床层的内表面在重力的作用下排出床层。为防止雾粒被气流二次夹带,可在床层的下游增加一粗纤维层,以促进排液,见图2。
纤维填充式过滤器的纤维床是无数纤维的集合体,纤维的种类、纤维的直径、排列方式、填充密度、床层厚度及结构是决定除雾性能的主要因素。
2·1 纤维的选择
在选择纤维填充式过滤器床层纤维时,通常要考 虑纤维的疏液性、耐腐性及稳定性。在磺化生产中一 般选用玻璃纤维。玻璃纤维适应性广,耐酸、耐温。 玻璃纤维填充式过滤器在操作时,雾液在纤维表 面形成连液膜,这等于加大了纤维直径,从而降低了除 雾效率。当纤维具有较好的疏液性时,雾液在纤维表 面呈液滴状,而非膜状,这是因为雾滴间的内聚力大于 雾液分子与纤维间的附着力,液滴表面趋于拉在一起 呈球状。为提高玻璃纤维的疏液性及耐腐性,可在纤 维生产时加入添加剂,或对纤维作表面涂层处理,如使 用氟硅疏水涂层材料处理纤维,这种涂层材料能与玻 纤表面牢固集合在一起形成一层保护膜,大大增强了 玻璃纤维的疏水能力及抗腐蚀能力,使用这种纤维制 作的过滤芯,具有很高的除雾效率和更低的阻力。
2·2 纤维的直径
在相同的填充密度下,纤维越细,其比表面积越 大,雾粒被捕集的机会越大,除雾效率越高,但并不是 纤维越细越好。一方面床层纤维越细,毛细管作用越 明显,床层的持液量及阻力也随之增加,另一方面,纤 维越细,纤维床层的敏感性越强,床层纤维被浸润后, 容易整体沉降,造成气体短路。所以,纤维填充式过滤 器的纤维直径一般取5μm~30μm,这样既可保证纤 维填充式过滤器有较高的除雾效率,又不至于产生过 高的阻力。
2·3 纤维床层的填充率
纤维床层单位容积中填充的纤维实体所占有的容 积分数称为填充率,用α表示,纤维空隙所占分数1- α称为空隙率,有时用ε表示。当纤维床层被压薄时, 除雾效率不会因此发生显著变化,而当填充率进一步 增大时,由于相对增大了纤维间的实际气速,纤维对气 流产生搅动效应,从而提高了惯性碰撞和直接拦截机 率,但填充率增加时,床层阻力也会呈线性增长,所以 过滤器的床层填充率一般取7% ~15%。
2·4 纤维床层的厚度
研究发现,增加纤维床层的厚度可提高除雾效率, 在相同的空隙率及纤维直径时,其关系为:
η=1-exp(-kL)
式中η为总捕集效率;k为单根纤维的捕集效率; L为纤维床层的厚度。
由此式可见,要使纤维填充式过滤器的除雾效率 由90%提高到99%,则纤维床层的厚度要增加一倍。 一般纤维床层的厚度在20 mm~100 mm。床层过薄, 纤维填充的均匀性难以保证,容易形成气体短路;床层 太厚,则会增加床层持液量及床层阻力。
2·5 纤维床层的结构
传统上是将床层设计成均质结构,雾粒在床层中 被捕集后在气体力的推动下移至纤维床的下游表面, 由于雾液不能及时从床层中排出,被气流重新夹带,影 响除雾效率。在改进后的床层结构中,捕液层与排液 层分开,雾液的夹带量大大减少,除雾效率明显提高。
此外,为提高排液能力,可将床层设计成如下几种 结构:床层纤维的排列方向与过滤芯的中心线呈锐角; 床层的空隙率由上游到下游逐渐增大,使雾粒在床层 中不断增大,最终在重力的作用下排出床层;在床层的 中间人为制造一环形间隙,或填充一层疏液性材料,使 捕集的雾液能及时从环形间隙排出。
3 过滤器的分类
根据不同的除雾机理,一般将纤维填充式过滤器 分为布朗扩散型及碰撞型,用户可根据不同的需要选 用合适的产品。
3·1 布朗扩散型纤维填充式过滤器
1)高效型纤维填充式过滤器。这是最先开发的 纤维填充式过滤器,纤维填充于两个同心圆金属或非 金属之间,滤芯直径在300 mm ~600 mm,长度为 1 500 mm~3 500 mm不等,床层为均质结构。
2)节能型纤维填充式过滤器。在传统的纤维床 中,捕集雾液在气体力的作用下,水平移至床层的下游 表面,这时如果雾液不能及时从床层排出,雾液就会重 新被气流夹带,这种情况会使后续系统的含雾量增加。 节能型纤维填充式过滤器的床层结构包括细纤维 捕集层及粗纤维防二次夹带层。上游细纤维层捕集的 液体,在粗纤维层被及时排出床外。
这种过滤器具备以下优点:在不影响除雾效率或 增加床层阻力的前提下,增加20%的气体处理能力; 过滤器的使用寿命会因床层容尘能力的增强而增加; 后续系统含雾量大大减少。
布朗扩散型过滤器降低床层气速无疑可以提高除 雾效率,但在过滤器设计时,要在投资费用、安装空间 与装置的操作维修费用之间取一折中值。
3·2 碰撞型纤维填充式过滤器
碰撞型纤维填充式过滤器主要靠惯性碰撞、直接拦截两种机理捕集雾粒。这种纤维填充式过滤器是在两个同心圆框架间填充玻璃纤维毡作雾粒捕集层,用金属丝网毡作为防二次夹带层,碰撞型纤维填充式过滤器通常被称作高速型纤维填充式过滤器。
碰撞型纤维填充式过滤器的过滤速度为1·6 m/s 左右,压降为1 500 Pa~3 000 Pa。与布朗扩散型纤维 填充式过滤器相比,除雾效率低15% ~30%,但由于 使用滤芯数量少,一次性投入成本低,目前还有部分磺 化装置在使用这种过滤器。
4 纤维填充式过滤器的效率及阻力
衡量纤维填充式过滤器性能有两个标准:一是纤 维填充式过滤器的除雾效率;二是纤维填充式过滤器 的床层阻力。
4·1 纤维填充式过滤器的效率
由于通过纤维床层流体流动情况的复杂性,列出 定量计算纤维填充式过滤器效率的公式非常困难。不 同供应商的产品,性能相差也非常大,因此除雾效率一 般根据不同的产品用实验法来测量。国内某企业开发 的产品的性能如图3所示。
4·2 纤维填充式过滤器的阻力计算
纤维填充式过滤器的压力降决定了其操作费用。 在工业生产中,压降每升高1 000 Pa,则鼓风机每输送 1 000 m3的气量要多消耗约0·4 kW·h的动力。纤维 填充式过滤器的发展方向是不断的提高除雾效率并尽 可能的降低其阻力,目前在生产过滤器时一般要求纤 维填充式过滤器的初始压降≤1 200 Pa,工作压降≤ 6 000 Pa,如有超过则需重新更换过滤芯。当床层气 流对纤维的流动雷诺数Re≤1时,玻璃纤维填充式过滤器初始压降Δp计算方法[2]为:
在布朗扩散型纤维填充式过滤器设计时,为保证 纤维填充式过滤器具有较高的效率及较低的阻力,床 层气速取值一般小于0·5 m/s,气流对纤维的流动雷 诺数Re≤1,满足公式的使用范围。而对于惯性碰撞 型纤维填充式过滤器,其结构与金属丝网过滤器比较 接近,因此可采用金属丝网的压降计算方法。
5 纤维填充式过滤器的安装
节能型纤维填充式过滤器可采用悬挂式或倒扣式 两种安装方式,高速型过滤器由于考虑到气流二次夹 带等原因一般只采用倒扣式安装方式。悬挂式安装是 将滤芯悬挂在花板上,这种安装方式便于滤芯的安装 与维护,净化气体从滤芯的外表面经床层从滤芯的中 心排出。倒扣式安装是将滤芯垂直安装于花板之上, 采用这种安装方式时滤芯可做得更长,并使设备整体 体积缩小,净化气体由滤芯的中心垂直通过纤维床层 后由外表面排出。由于局部阻力系数不同,同种型号 的过滤器,倒扣式安装要比悬挂式安装阻力大。 过滤芯在安装时要求花板不平度≤1/1 000;不得 有翘曲现象;滤芯安装时,滤芯中心线的垂直度偏差小 于5 mm;法兰密封垫最好采用软四氟垫或四氟盘根, 酸封杯中须灌满与所除雾粒介质相同的液体。
6 磺化装置中的纤维填充式过滤器及 应用情况
6·1 磺化装置中纤维填充式过滤器的开发
根据磺化装置的工艺特点,国内某企业开发出了 新型节能纤维填充式过滤器。纤维床为“阶梯式”结 构,纤维的丝径、密度及空隙率呈阶梯式分布,除雾毡 由直径6μm~30μm的单丝纤维编织而成,空隙率为 90% ~95%,纤维经疏液处理,纤维床既具有很高的过 滤效率,且具有较低的床层阻力,纤维床中集积下来的 雾液能及时排出床层,避免酸雾被二次夹带。在磺化 装置中在线检测新型节能纤维填充式过滤器的过滤效 率:雾粒直径≥1·5μm时,过滤效率为100%;雾粒粒 径≥0·7μm时,过滤效率≥98%,纤维床操作气速为 0·2 m/s时,阻力小于1 500 Pa,比高效型纤维填充式 过滤器小20%。
6·2 新型节能纤维填充式过滤器的应用
磺化生产中由转化器过来的SO3烟气在经过换热 降温后,温度低于其露点,产生大量的硫酸雾,这些冷 凝酸雾的平均粒径在0·6μm~1μm,带到后续系统后 会使管道、设备腐蚀,形成的酸盐会使磺化头堵塞,酸 雾也会直接影响磺化产品的质量。因此,生产中要求 尽可能除去酸雾,以保证后续系统的正常生产。
浙江的一套3·8 t/h磺化装置2002年开始使用新 型节能纤维填充式过滤器,用于SO3烟气过滤,到目前 为止,除阻力由最初使用时的1 400 Pa上涨到1 950 Pa外,过滤效率仍保持在95%以上,后续管道没有酸 盐沉积,磺化头也没有堵过,产品质量一直保持良好。
在磺化装置的尾气处理中,纤维填充式过滤器的 使用也越来越普遍。磺化装置的尾气如果不经过处 理,往往会出现酸雾超标而导致的冒白烟现象,有些装 置的尾气经过碱液洗涤塔洗涤后,烟囱出口处会排出 大量的水雾,使用纤维填充式过滤器对尾气进行处理 可以从根本上解决这些问题,以满足日益提高的环保 要求。
上海的一家磺化企业,在做一种磺化延伸产品时, 尾气经碱液中和后,排出大量夹带白沫的气体,装置因 环保问题无法生产,先后采用了多种方法问题也没有 得到有效解决,使用了新型节能型过滤器后,磺化装置 在生产过程中,尾气中看不到任何烟雾,顺利通过了环 保部门的检测,企业再也没有因环保问题而停产过。 目前国内很多磺化装置开始使用新型节能型纤维 填充式过滤器,从运行状况来看,效率、阻力等性能指 标与国外产品非常接近,很多老装置中原先使用的进 口纤维填充式过滤器也逐步被其取代。
7 纤维填充式过滤器的使用及维护
纤维填充式过滤器在磺化装置使用容易产生的问 题主要有以下几方面:
1)在滤芯安装时,不加密封垫或紧固件未拧到 位,导致法兰和支撑花板间密封不严,形成气流短路。
2)在滤芯安装时,液封杯中未加满酸封液,形成 气流短路。
3)在装置升温或生产过程中,油烟或升华硫被带 到后续系统,附着在过滤芯的表面,导致过滤芯阻力增 加,当过滤芯的内外压差达到6 000 Pa以上时,导致过 滤芯框架的破坏,另外过大的滤芯阻力会大大增加生 产的动力消耗,从而不得不清洗或更换滤芯。
4)工艺气体中的硫酸盐、催化剂粉尘等固体颗粒在通过过滤芯时被拦截下来附着在滤芯的表面,使其阻力增加,效率下降,并最终导致滤芯的失效。
在纤维填充式过滤器的使用过程中,堵塞是过滤 芯失效的最主要原因,滤芯堵塞后如何再生,也是过滤器在使用及维护中要解决的问题。滤芯被酸盐堵塞 时,用w(NaOH)<3%溶液或用w(Na2CO3)<5%溶液浸泡20 min左右,再用清水清洗。滤芯堵塞物中同时含有酸盐和升华硫时先按上述方法中和,再加入质量分数5%的Na2S溶液浸泡,最后再用清水洗净后烘干。在过滤芯的清洗过程中,尤其要注意的是水压不宜太高,压头最好小于≤2m,以防止冲坏纤维床层,导致滤芯失效。
综上所述,纤维填充式过滤器已在磺化装置中普遍应用,这对保证装置稳定运行,提高产品品质,保护环境具有重要作用。要使设备在使用中发挥最大的作用,必须对产品的结构、性能有一定的认识,这样才能选择符合生产工艺要求的产品,其次必须正确使用和维护,这样才能使其在生产中发挥更好的作用。
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