静电除尘器在黄磷生产中的应用及存在的问题

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

孙志立 Zhili SUN

贵州省磷酸盐工业协会贵州贵阳 550000 Guizhou Phosphate Industry Association, Guizhou 550000, China

摘要：

概述了静电除尘器在黄磷生产中的应用情况，分析了其未能在我国中、小型黄磷生产装置中推广使用的原因。如能对静电除尘器的密封、加热、出灰、置换吹扫、制造费用、运行成本上有新的突破和发展，静电除尘装置一定会在黄磷行业得到广泛应用。

关键词：

黄磷; 静电除尘器; 应用;

Abstract：

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.

Keyword：

yellow phosphorus; electrostatic precipitator; application;

0 前言

1907年，静电除尘器(又称电除尘器)在控制酸雾排放中的应用获得成功后，迅速在其他工业烟气污染治理中得到应用。1910年，美国首先将电除尘器应用于冶炼铜、铅、锌时回收烟气中的金属氧化物，之后推广应用于波特兰水泥厂、纸浆和造纸厂、发电厂等，促进了电除尘器在世界各国的冶金、建材、化工等行业的推广使用。1930年，德国首先在10 000 kVA制磷装置上安装电除尘器并取得成功，随后在美国TVA黄磷工厂、加拿大魁北克瓦斯伦黄磷厂等的黄磷装置中得到采用。

我国首台电除尘器于1936年在本溪工农兵水泥厂投用，其除尘面积为36 m²。吉林铁合金厂于1954年在其冶金电炉装置上安装了1台棒帏式电除尘器，包钢烧结厂于1965年安装了2台干法电除尘器，然后冶金部组织了电除尘器的试验考核小组，对电除尘器的结构等技术参数进行了进一步的研究、改进和完善，推动了电除尘器在冶金系统的广泛应用，到20纪90年代末期，我国冶金行业的静电除尘技术水平已经达到了国际同期水平。1973年，由南化公司设计院完成设计的0.64 m²电除尘器在南化公司磷肥厂1^#制磷电炉安装，经试生产获得成功，并取得良好的效果，为我国黄磷行业研究和开发使用电除尘器取得了许多重要的技术数据和宝贵的生产操作经验。

目前，世界上黄磷生产装置采用的电除尘器多为立式、管型、双室、双电场分别供电，除尘室的核心部分由沉淀极和电晕极构成，沉淀极一般为圆管式、扁长圆管式，也有用一排金属棒构成极排成为棒帏式，在管中和极排之间悬挂电晕极线，接入高压直流负极电形成电晕区。

1 电除尘器在我国大型制磷电炉中的应用

20世纪八九十年代，我国分别从德国、前苏联引进3台30 000 t/a大型制磷电炉，均采用电除尘器除尘。从前苏联引进的为干法、立式双室电除尘器，型号为ЗВЦТ2-5.5-24K，外形尺寸为15.40 m×8.06 m×14.00 m，质量262 t，有效收尘面积24 m²，同极间距离350 mm，设有2个电场(内壳为圆筒形)，与之相连的倾斜气体导管安装在外壳内，外壳即为加热夹套。由电加热器、热氮风机等组成的热氮循环系统为保温夹套提供循环热氮气，氮气温度控制在300~350 ℃。入室的磷炉气温度最高可达600 ℃，因此内壳材质选用0Cr18Ni11Ti，以保证在高温下具有一定的热稳定性和防腐性能。每台制磷电炉配备2台电除尘器并联操作，根据工作电压情况每15 d为1个操作周期。每台电除尘器从结构上可分为内外壳体组成的夹套加热系统、集尘系统和电晕极、绝缘和供电装置、高压干进线装置、气体分布系统、氮气密封系统、排灰装置、电尘浆搅拌系统等。

电除尘器工作温度是指电除尘器内的黄磷炉气和其夹套内热空气的温度。从节能和热效率角度考虑，炉气温度应维持在实际可行的最低温度，但必须从保持电除尘器正常运行来确定其工作温度，同时还需考虑磷蒸气露点和灰中有机杂质含量对炉气温度的影响，以及电除尘器工作温度对灰的流动性和粉尘电阻率的影响。电除尘器的加热保温方式有2种，一种是煤气或尾气燃烧后的烟气在夹套内循环保温，另一种是电加热氮气保温。前者温度波动较大，还曾出现过烟气漏入室内引起电除尘器爆炸的重大事故，因此，目前国内外的大型制磷电炉均采用后者保温，控制安全稳定，但电耗高。

在电热法制磷生产中，根据化学反应，每生成1分子的P₄，同时产生10分子的CO，2种气体的体积比是1 :10，磷蒸气占总体积的1/11，磷蒸气的分压为9.21 kPa(69.09 mmHg)，对应的露点为180.7 ℃(纯磷蒸气的露点为281.0 ℃)。即磷炉气温度在180.7 ℃以上时，磷以气态形式存在，一旦温度低于180.7 ℃，就有磷蒸气开始冷凝。在制磷电炉中，实际磷炉气中CO含量高于上述理论值，因为还有部分CO来自原料中的Fe₂O₃和CO₂的还原，加上有过量焦炭、其他气体，尤其是体积占比较大的水蒸气的存在，磷炉气中磷蒸气分压低于9.21 kPa，所以其露点肯定低于180.7 ℃。综合上述诸多因素，磷炉气温度必须控制在250 ℃以上才能保证磷蒸气不冷凝。因此，尽管电除尘器夹套保温的运行成本很高，但必须配置。此外，电除尘器夹套保温要均匀，应严防局部温度偏低或偏高，确保磷炉气中的磷在电除尘器室内任何部位以气态存在；夹套出口的循环保温气温度不得低于250 ℃，以确保人身和设备安全。

2 制磷装置应用电除尘器的理论依据及存在的问题

用于制磷装置的电除尘器的基本结构与冶金、化工、水泥等行业使用的电除尘器大致相同，但依然有其特殊性，不能一概而论。

2.1 理论依据及可行性

从磷炉气中所含粉尘的化学成分看，大部分为P₂O₅(即磷酸盐)，其次是SiO₂、碱金属、焦粉(以炭黑形式存在)等。凡是粉尘颗粒都具有不同的导电系数，大致可分为三类，一类电阻系数＜10⁴ Ω·cm，二类电阻系数10⁴~10¹⁰ Ω·cm，三类电阻系数＞10¹⁰ Ω·cm。根据粉尘的特性，具有一类电阻系数的颗粒是不可能在干式电除尘器中除尘的，具有二类电阻系数的颗粒在一级技术条件可以沉降除去，具有三类电阻系数的颗粒需加入“凝结剂”，如水汽或某些化学物质以降低颗粒电阻后才能除去。

通过测定，磷矿和硅石的电阻系数在10⁷~10¹⁰ Ω·cm之间，属二类电阻系数，故容易除去；焦炭的电阻系数仅为44.7 Ω·cm，一般不易除去。由于磷炉气中存在一定数量的水蒸气，故在一定程度上可改善除尘效果。因此，从理论和技术操作上讲，电除尘器用于制磷电炉磷炉气除尘是完全可行的。

2.2 存在的问题

以前苏联引进的大型制磷电炉设计配置的电除尘器为例，其在制磷电炉上推广应用存在的实际问题分析如下。

(1) 投资费用高(设备庞大)。1台电除尘器的建设费用在2 000万元左右，此外还需建设1套复杂的配套设施，结构较紧密，制造、安装的技术精度要求高，维修费用大，对原料制备的质量要求和工艺指标(如入炉焦炭水分含量和粒度、炉气温度等)近似苛刻。

(2) 氮气用量大，电耗高。整台电除尘器用于密封、夹套保温的氮气耗量为3 603.88 m³/h，折吨磷耗氮气864.05 m³(2008年企业统计数据)，需配套建设相应的空分装置，仅电除尘器、氮气加热器、风机的电耗吨磷至少在280 kW·h，这还不包括其他机泵等设备的电耗。

(3) 除尘效率很难达到设计指标。设计除尘率指标是达到99%以上，但从目前实际运行的情况看，最好的在90%左右，一般情况下只能达到70%~80%。

鉴于以上原因，目前国内中、小型制磷电炉的磷炉气除尘均未采用电除尘器。

3 降低磷炉气粉尘含量的措施

为了降低磷炉气的含尘量，在原料制备工序都设计有物料的烘干和筛分设备，只要入炉料含水质量分数能控制在1%以内，带入制磷电炉内的粉尘将大大减少。

3.1 合理利用磷矿资源

磷矿是重要的战略资源，其在黄磷生产成本中所占比重正逐渐加大。黄磷生产用矿并不是品位越高越经济，必须认真分析磷矿化学组分，合理搭配使用灼失(CO₂)高的磷矿并进行预处理，改善入炉配合料质量。对w(CO₂)＞3%的原料磷矿在价格上加以严格调控，w(CO₂)每升高1%，价格下调10~15元/t，以经济手段抑制原料中CO₂含量的升高。有的企业建有原料预处理装置，对高灼失和机械强度差的磷矿进行烧结处理，这是一条值得积极推广的有效措施。此外，可以充分利用磷炉尾气和筛分下来的磷矿、焦粉，既环保又节约成本，有利于黄磷生产企业的增收节支、挖潜增效。

3.2 优化选择设计制磷电炉技术参数

磷炉气温度是一个重要的工艺控制指标，其值高，说明生料层薄，不仅炉料的热交换效果差，而且过滤效果也不好，磷炉气中粉尘含量增大。目前多电极制磷电炉炉膛的内高一般在5.50 m左右，最高的已达6.06 m，生料层的厚度从2 m以上提高至4 m左右，原来设计时担心的炉内电极长度增加后断电极概率上升的现象很少出现。只要炉内电极熔池形成良好、下料均匀、电极受力平衡，就不会发生断电极事故，且国内生产的石墨电极质量完全可满足和适应这种工况条件。生料层厚度增加，等于过滤层厚度增加，磷炉气带出的粉尘量减少，实际上起到了自我除尘净化的功效。目前操作管理较好的多电极制磷电炉装置，吨磷的泥磷量可控制在100 kg左右。

大型制磷电炉要考虑进入电除尘器的磷炉气温度不能低于露点，磷炉气温度一般在500 ℃以内，中、小型制磷电炉磷炉气温度一般≤150 ℃。由于多电极制磷电炉磷炉气至冷凝洗涤喷淋塔的距离仅5 m左右，又未设置电除尘器，故完全没有必要控制过高的磷炉气温度。在正常操作运行时，多电极制磷电炉的磷炉气温度一般在120 ℃左右(导气管)，最低在80 ℃左右(导气管)，操作很稳定。

3.3 加强科学管理及工艺操作

加强科学的操作管理也是降低磷炉气含尘量的必备条件, 除了在设计和原料采购上加强科学管理外，工艺操作的调整控制是相当重要的。磷炉气的成分比水泥、冶金、化工等行业的烟气复杂，其中除磷蒸气外，还含有CO₂，H₂S，SiF₄，N₂，H₂O等，不同组分和灰分的含量取决于很多因素，但主要是制磷电炉操作运行时的电气和工艺条件，如功率、二次电压、电流、炉渣、焦炭组分、磷炉气温度等。

4 结语

(1) 电除尘器是高效的气体净化和重要的环保设备，在制磷电炉上应用已近80年，工艺技术是完全成熟可靠的。采用电除尘器无疑可以提高除尘效率，大大减少泥磷产生量，对减少污染和改善环境功不可没。目前，很多企业已把配置电除尘器作为今后黄磷生产削减污染、升级换代的一项措施。

(2) 由于磷蒸气易冷凝，且冷凝后难以重新蒸发，而现行的多电极制磷电炉磷炉气温度低(120 ℃左右)，若要配置电除尘器，必须将120 ℃左右的磷炉气温度提高至250 ℃以上，这就需要增添加热设备。制磷电炉、电除尘器都在微正压下工作，如炉内塌料瞬间出现负压，炉气可燃、可爆，故必须确保电除尘器的密闭性，杜绝外泄或空气进入。由于高压绝缘瓷瓶(高压进线)部分无法加热，磷蒸气易在此冷凝而破坏其绝缘，影响电除尘器的运行安全，故需使用清洁气体对高压瓷瓶进行不间断吹扫。为了延长电除尘器的使用周期和避免二次污染环境，需设置特殊的干式或湿式出灰系统。

(3) 电除尘器至今未能在国内中、小型黄磷生产装置中推广使用，其主要原因是投资大、技术要求严、除尘效率不稳定、受炉料质量制约大、不易长期达到设计要求等，因此，需对电除尘器的密封、加热、出灰、置换吹扫等加以改进、完善，如能在制造费用和运行成本上有新的突破和发展，电除尘装置一定会在黄磷行业得到广泛应用。