温度对大型磷炉静电除尘器的影响

余思民

(云南天安化工有限公司总工程师室，云南安宁650309)

20世纪90年代中期，我公司从俄罗斯引进二套80MW、30kt/a的大型黄磷炉装置，每套磷炉配备二台大型静电除尘器并联运行除尘(型号ЗВЦТ2－5.5－24K ，结构为干法立式双室静电除尘器)。除尘器由夹套加热系统、集尘极、电晕极、振打装置、直流高压供电装置、高压干进线装置、气体分布系统、氮气密封系统、排灰装置、电尘浆搅拌系统等几部分组成。由电加热器、热氮风机等组成的热氮循环系统为夹套提供循环热氮气，氮气温度控制在300～350℃。进入除尘器的磷炉气温度最高不允许超过600℃，但在磷炉生产过程中，除尘器的运行温度时常超过600℃，导致电除尘器除尘效率低下或停运，给黄磷生产带来严重影响。针对存在的问题，有必要对影响电除尘器运行的因素进行重点分析并采取有效的改进措施。

1 静电除尘的原理及工艺流程

1.1 静电除尘的原理

在阴极、阳极之间通过加载直流高压电源形成气体电离的静电场，气体电离后所生成的电子、阴离子和阳离子吸附在通过电场的磷炉气悬浮粉尘上使粉尘获得荷电。荷电粉尘在电场力的作用下，向极性相反的电极运动并沉积在电极上，从而达到粉尘和气体分离的目的。通过安装在静电除尘器上振打装置的定时振打，粉尘在重力作用下最终从电极脱落后落入电除尘器底部。由灰耙将粉尘刮入落灰管并落到电尘浆槽，从而使通过除尘器的磷炉气得到净化。用电除尘的方法分离气体中的悬浮粉尘，主要包括气体的电离、悬浮粉尘的荷电、荷电粉尘向电极运动和荷电粉尘沉积在电极上4个复杂而又相互有关的物理过程。

1.2 磷炉静电除尘的工艺流程

磷矿石、烧结料、焦炭、硅石等原料在磷炉内高温条件下发生还原反应，产生以磷蒸气、一氧化碳、磷酸盐、硅酸盐和炭粉等为主要成份的磷炉气。经静电除尘器除尘，在冷凝塔内冷凝，从而制得粗磷半成品，再经沉降分离制得成品磷，见图 1 所示。［1］

图1 磷炉静电除尘的基本工艺Figure1 A basic process of electrostatic precipitator in phosphorus furnace

2 静电除尘器的除尘效率

2.1 设计技术条件

1)设计技术条件

当磷炉温度≤600℃ 、磷炉压力≤500 Pa、处理气体量在12000～17000 m3/h、且含尘量≤80 g/m3时:

①每台磷炉运行投入2台静电除尘器时，除尘效率为99%。即每小时除尘950.4 kg，残余含尘量0.8 g/m3，除尘器的正常工作时间大于15天。

②每台磷炉运行投入1台静电除尘器时，除尘效率为96%。即每小时除尘921.6 kg，残余含尘量3.2 g/m3，除尘器的正常工作时间大于15天。

2)除尘效率的设计定义

式中:磷炉气总灰=电尘干灰+粗磷中杂质+含磷废水中悬浮物

2.2 静电除尘器的除尘效率

除尘效率是指同一时间内除尘器捕捉下来的磷炉气悬浮粉尘数量与进入除尘器的磷炉气含有的悬浮粉尘数量之比，用η表示。它是衡量除尘器性能的主要技术指标。

式中:CE为进口磷炉气中含尘质量浓度，g/m3;Co为出口磷炉气中含尘质量浓度，g/m3。

公式(2)和公式(1)的意义是等同的，对测定电除尘器的η很有实际意义，但对分析电除尘器η的影响因素很不直观。为方便分析电除尘器η的影响因素，经常使用安德森一多依奇公式。经推导的除尘效率公式是:

式中:A为收尘极板面积，m2;Q为烟气量，m3/s;f为A/Q的比值，称为比集尘面积，m2/m3/s，即一秒内净化一立方米烟气所需的收尘面积;ω为驱进速度，m/s。

从(3)式中看出，当收尘效率一定时，除尘器的大小和粉尘驱进速度ω成反比，和处理烟气量Q成正比。驱进速度是荷电悬浮粉尘在电场力作用下向收尘极板表面运动的速度。它的公式描述是:

式中:α为粉尘半径;μ为粘滞系数;E为粉尘所在处电场强度。

由(4)式可知，粉尘驱进速度与收尘区的电场强度和粒径成正比，而与气体的粘滞系数成反比。

安德森一多依奇公式虽然不能完全作为实际设计使用的公式，但到目前为止，安德森一多依奇公式仍然是分析、评价和比较电除尘器的重要理论基础。［2］

3 磷炉气温度对除尘效率的影响分析

磷炉气粉尘的比电阻、温度、湿度、流量、流速、含尘浓度、气流分布均匀性、器身结构以及操作等因素对除尘效率的影响很大，虽然这些参数都已在设计时作了设定，但在运行中变化较大。本文根据多年的运行实践分析温度因素对静电除尘器效率的影响。

3.1 磷炉气温度对比电阻的影响

粉尘比电阻是衡量粉尘导电性的一项指标，粉尘的比电阻对电除尘器除尘效率影响较大。粉尘的比电阻由表面比电阻和体积比电阻并联组成，比电阻随温度的变化而变化，如图2所示。

图2 温度与比电阻的关系Figure 2 The relationship between temperature and resistivity

在低温时，粉尘表面吸附物、水蒸气的影响起主导作用。随着温度的升高，这种作用减弱而使粉尘表面比电阻增加。在高温时，粉尘本身的导电性能起主导作用，随着温度升高，物质中自由离子的自由电子数目增加，导电性能增强，而使粉尘体积比电阻降低［3］。图2为比电阻ρ和除尘效率η的关系。

电除尘器在处理比电阻ρ在104～1011Ω·cm之间的粉尘时，η较高，电除尘器工作稳定;在处理比电阻ρ＜104Ω·cm或ρ＞1011Ω·cm的粉尘时，η较低。

比电阻值的大小，可借鉴一些经验公式来定性判断:当w(Al+Si+Fe)＜82%时，比电阻适中，除尘器工作好;当w(Al+Si+Fe)在82% ～93%之间时，比电阻随该值增大而增大，除尘器工作随该值增大而愈来愈差;当w(Al+Si+Fe)＞93%时，比电阻较高，易发生反电晕，除尘器工作很困难。或是用经验公式判定:当 w(SiO2+Al2O3)≥85%也属高比电阻，难除尘。［4］

图3 比电阻和除尘效率的关系Figure 3 The relationship between resistivity and dedusting efficiency

粉尘比电阻高到一定程度时，除尘效率急剧下降，原因是:电晕电流因粉尘层的压降大而减小，从而使粉尘的荷电率、荷电量及电场强度下降，导致除尘效率下降。即使电流密度很低，也会发生粉尘层的击穿，从而造成反电晕，使得除尘效率下降。此时，粉尘附着在阳极排上的力也因粉尘层压降的增多而增大，增加了清灰的难度。正常操作条件下，磷炉气粉尘比电阻在108～108Ω·cm之间。当加入磷炉焦炭中的炭粉含量(质量分数)超过5%时，粉尘比电阻低于104Ω·cm以下，使得电除尘器的除尘效率下降，粗磷纯度降低。

3.2 磷炉气温度对驱进速度的影响

当磷炉气温度升高时，气体的分子热运动加剧，分子之间的磨擦也加大，使得气体的粘度增加，粉尘就会粘附在极排上，即使通过振打也不易将粉尘振打下来，从而影响电晕电流与工作电压的升高。磷炉气温度愈高，气体的粘度愈大。根据公式(3)、(4)可知，磷炉气的粘滞性增大，粉尘驱进速度就会降低，电除尘器的除尘效率也下降。

3.3 磷炉气温度对气体密度的影响

在一定压力下，气体的密度与温度成反比。当磷炉气温度升高时，通过除尘器的炉气量增大，气体密度减小，电场风速提高。从公式(3)可知，除尘效率按指数关系下降。根据经验，烟气温度每升高10℃，烟气量将增加6%［4］。由于气体密度的减小，电场中烟气的自由电子容易与中性原子(分子)发生碰撞，导致气体的击穿电压降低，电除尘器的除尘效率也降低。有资料介绍，温度每升高10℃，击穿电压将下降3%［4］。

3.4 磷炉气温度对电场电晕电流的影响

当磷炉气温度升高时，粉尘容易在收尘电极上形成反电晕现象，并在粉尘层的孔隙间产生局部击穿，产生与电晕极极性相反的正离子向电晕极运动，然后中和电晕区带负电的粒子。其结果是电场电晕电流增大、放电电压下降，粉尘二次飞扬严重，导致收尘性能显著恶化。

3.5 磷炉气温度对除尘器结构部件的影响

除尘器的外壳和阳极棒、阴极丝都是由不锈钢制成的(1Cr18Ni9Ti)，而刮灰螺旋则是由普通碳钢制成。除尘器在450℃下使用，金属材料因受热会发生膨胀，其膨胀量计算公式为:

由相关数据代入(5)式计算得到:

阳极棒变形量为20.55 mm，阴极丝变形量为55.03 mm，刮灰螺旋轴变形量为41.6 mm，刮灰螺旋外壳的变形量(300℃)为43 mm。

在磷炉生产过程中，由于炉内塌料、溶池上抬等原因，进入除尘器的磷炉气温度超过600℃。在检修中发现，由于温度过高，使得不锈钢、碳钢发生热膨胀变形并引起以下故障:

①除尘器壳顶受热变形大时，振打支座发生偏斜，局部缩短了阴阳极之间的距离。

②壳体变形造成阳极框架定位支架变形，定位销脱开或断裂，极排移位。阳极棒脱出后倒靠于阴极丝上造成阴阳极搭接，阳极棒积灰严重。

③阴极吊架变形，悬挂阴极丝重锤脱出，阴极丝弯曲变形造成短路，阴极丝积灰严重。

④灰耙扭断，刮灰螺旋轴和外壳膨胀变形，造成联轴器连接螺栓频繁扭断，轴承压盖磨穿漏磷着火，轴器难以对中等。

上述故障的发生，导致电除尘器失去除尘的功能，变成了磷炉气的通道和沉淀室。

3.6 烟气温度对除尘器效率的影响

温度过高会影响除尘效率，过低同样会影响除尘器的运行。如果进入电除尘器的磷炉气温度低于露点温度(180℃)，磷蒸汽会冷凝结灰，导致运行电压降低，二次电流增大，甚至使两极间拉弧短路，高压电源不能正常供电以及出现输灰故障。

3.7 密封氮气温度对除尘器的影响

热氮风机、电加热器和氮气管道等组成热氮循环系统并为静电除尘器保温夹套提供循环热氮气。氮气的温度必须控制在300～500℃之间，以避免磷炉气温度因过度散失而低于露点温度。

4 改进措施

针对温度对除尘器结构部件受热变形以及对除尘器性能的影响，采取以下改进措施。

1)下极排阳极棒由倒插式改为悬挂方式，保证阳极棒保持垂直且不会脱出，如图4。

图4 改后阳极棒悬挂结构图Figure 4 Anode rod suspension structure diagram

2)重锤悬挂扁铁延长400 mm，重锤与阴极丝固定位置由下横梁以上改为在下横梁下端，加固焊接点，如图5。

图5 改后阴极丝悬挂结构Figure 5 Cathode wire suspension structure diagram

3)分别改造刮灰螺旋轴承座、联轴器和密封装置。改螺旋滑动轴承座为可调心轴承座，使螺旋轴受热膨胀时可向外延伸;靠背轮联轴器改为“十”字滑块联轴器，受热膨胀时两靠背轮不再相抵触;N2密封装置改成为填料混合密封，避免磷炉气泄漏着火。

4)调整加固振打装置，减少磷炉气温度的影响。

5 结语

静电除尘器是大型黄磷炉磷炉气高效净化的重要环保设备，保证电除尘器正常运行可大量减少泥磷量、污水中悬浮物及污水量，并提高粗磷半成品的质量和产量，改善生产操作环境。尽管影响除尘效率的因素很多，但在除尘器设计定型投用后，影响的主要因素就是温度控制和操作管理。因此，在黄磷生产过程中，要严格控制操作温度(250℃ ＜磷炉气温度＜600℃，氮气温度在电除尘器出口处不低于250℃)，减少粉状原料入炉，并控制入炉焦炭的碳粉含量小于5%。

对除尘器结构部件采取改进措施，并严格控制磷炉气温度后，提高了静电除尘器的运行周期，检修频率、维护费用明显下降，电场的电压从17 kV提高到32 kV，除尘器运行天数从11天提高到27天，黄磷收得率提高10%以上。

［1］杨洪.大型磷炉静电除尘器除尘效率计算及分析［J］.云南电力技术，2003，3l(3):27-30.

［2］南京国电环保设备有限公司.电除尘器工作原理［R］.南京国电环保设备有限公司，2010(10)

［3］陈鹏.静电除尘器除尘效率影响因素的研究［D］.中国优秀硕士学位论文全文数据库:工程科技I辑，2011(S1)

［4］蒙骝.火电厂影响电除尘器性能的主要因素［R/OL］.2016(11)