韓 非，劉 欣，劉 輝，原 源，楊成安

［中海油（山西）貴金屬有限公司，山西 晉中 030600］

0 引 言

硝酸生產(chǎn)工藝主要分為高壓法、常壓法、中壓法、雙加壓法。高壓法由于高能耗和低產(chǎn)能，加之如今嚴(yán)苛的環(huán)保政策，目前在國內(nèi)已逐漸被淘汰，而異軍突起的雙加壓法以其低能耗、低排放和高產(chǎn)能優(yōu)點已成為國內(nèi)硝酸生產(chǎn)工藝的主力軍。硝酸生產(chǎn)是以氨、氧為原料，通過鉑網(wǎng)的催化作用實現(xiàn)氨與氧的充分燃燒、化合；鉑網(wǎng)工作溫度為800～900℃［1］，在高壓氣流的持續(xù)沖擊下，鉑網(wǎng)損耗會隨著硝酸裝置運行時間的延長而逐漸增大。正常生產(chǎn)工況下，噸酸（折100%硝酸）鉑耗設(shè)計值一般為高壓法0.24 g、雙壓法0.12 g、常壓法0.07 g，鉑網(wǎng)損耗一直是氨氧化制硝酸的第二大成本［2］。在硝酸生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展過程中，使用過多種氣態(tài)氧化鉑回收方法，其中鈀回收是最常見的回收方法［3］，但仍有大量的貴金屬顆粒隨氣流進入系統(tǒng)內(nèi)。硝酸裝置氮氧化物氣體粉塵過濾器（簡稱過濾器），是針對貴金屬損耗而設(shè)計的一種捕集裝置［4］，可以有效捕獲鉑網(wǎng)燃燒損失的貴金屬顆粒，同時可以凈化工藝氣，避免氧化氮壓縮機葉片結(jié)垢而導(dǎo)致的喘振，提升硝酸、硝鹽及其相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)。過濾器適用于鉑銠二元催化劑、鉑銠鈀三元催化劑和功能套網(wǎng)雙功效催化劑燃燒過程產(chǎn)生的貴金屬的捕集，適用于不同產(chǎn)能的中壓法、雙加壓法硝酸裝置高壓機組入口氮氧化物氣體中夾帶的貴金屬捕集，但不適用于常壓法硝酸裝置。以下以中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計開發(fā)的一款過濾器在雙加壓法硝酸裝置上的應(yīng)用為例，對有關(guān)情況作一介紹。

1 氮氧化物氣體粉塵過濾器簡介

氮氧化物氣體粉塵過濾器最初應(yīng)用于硝酸裝置高壓機組入口貴金屬顆粒的捕集，過濾器采用單筒式濾芯，更換濾芯時需將過濾器整體吊裝下來，過濾器運行周期初始與末期壓差約為3～8 kPa。近年來，隨著國內(nèi)雙加壓法硝酸裝置高壓機組數(shù)量的逐年增加，為滿足硝酸企業(yè)節(jié)能降耗及貴金屬管理的要求，國內(nèi)過濾器生產(chǎn)廠家從不同設(shè)計角度出發(fā)，在滿足貴金屬回收收益的情況下，開發(fā)出了運行周期初始與末期壓差在2～4 kPa的低阻力過濾器，目前此類型過濾器在國內(nèi)硝酸裝置中已有60余套在用，一些新建硝酸裝置在設(shè)計階段就要求設(shè)計單位在高壓機組入口前增設(shè)過濾器。

目前，中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計開發(fā)的過濾器已有30余套投入應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。該過濾器由外殼、檔板、多個濾芯和過濾材料組合而成，其外殼、檔板和濾芯選用與管線同質(zhì)的材料；濾芯一端用薄板密封，另一端采用焊接或法蘭板固定在檔板上，濾芯外部纏繞疊層過濾材料；過濾器濾層材質(zhì)為三元復(fù)合陶瓷纖維。實際應(yīng)用情況表明，該過濾器適用于化工、鋼鐵、冶金、燃煤鍋爐、耐火材料以及水泥等行業(yè)的高溫?zé)煔膺^濾，介質(zhì)可以是一氧化氮、二氧化氮、氧氣、氮氣等，在高溫、腐蝕性介質(zhì)工況下，過濾器性能優(yōu)良，可有效過濾粉塵。過濾器基本設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 過濾器基本設(shè)備參數(shù)

2 過濾器濾芯的特點

中海油（山西）貴金屬有限公司針對雙加壓法或高壓法硝酸裝置，在充分研究鉑網(wǎng)網(wǎng)灰的形成、成分、粒徑及氮氧化物氣流特點等基礎(chǔ)上，對國外大型單筒濾芯結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計開發(fā)出的新型濾芯具有如下特點。

（1）采用小型多濾芯布局。優(yōu)化設(shè)計的濾芯長度減小、個數(shù)增加，實現(xiàn)了設(shè)備體積更小和過濾器內(nèi)濾芯的可拆卸，可減少有害氣體泄漏隱患，便于濾芯安裝和更換。

（2）極大地增大了濾芯的機械強度。新型過濾器采用三元復(fù)合陶瓷纖維過濾材料疊層裹覆填裝濾芯，該材料是一種結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的三維孔結(jié)構(gòu)新型高溫過濾材料，不僅使得濾芯孔隙率高、阻力小、強度高，而且除塵效率比織物濾料高出1倍左右。

（3）過濾效果好、過濾器壓降極低。新型過濾器濾芯濾材采用風(fēng)琴狀的折疊設(shè)計，可有效增大過濾面積，最大程度降低過濾器對系統(tǒng)氣體流量的影響，增強過濾器的過濾效果；此外，濾材風(fēng)琴狀的折疊設(shè)計有助于分散濾材上的貴金屬，確保濾材過濾通道的暢通，從而可有效控制過濾器帶來的壓降，確保整個運行周期內(nèi)系統(tǒng)壓降控制在極低范圍。

3 過濾器的安裝

氮氧化物氣體粉塵過濾器為壓力容器，其安裝需符合國家壓力容器的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)雙加壓法硝酸裝置各工藝單元的流程、管線排布狀況以及過濾器的運行工況，過濾器的安裝位置位于高溫氣氣換熱器尾部出口管道的水平段或垂直段，該水平段或垂直段的長度≥6 000 mm，場地許可的情況下，優(yōu)選在高溫氣氣換熱器尾部出口管道水平段切割安裝直通式過濾器，水平段切割長度需與過濾器凈長度相同；過濾器進出口分別與水平段兩端切口對接，加支撐并對接口進行焊接。過濾器可安裝就地壓差計，以利后期運行過程中過濾器壓差的監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集可通過信號線接至中控室；過濾器側(cè)部開有人孔，濾筒安裝與后期更換拆卸通過人孔進行，濾筒安裝完成后過濾器外壁加裝保溫材料。

4 過濾器的壓差

4.1 典型應(yīng)用企業(yè)過濾器壓差情況

氮氧化物氣體粉塵過濾器攔截貴金屬顆粒的效率越高，過濾器壓差增加更快也更大。過濾器壓差增加，系統(tǒng)阻力增大，空壓機組做功增大，其汽輪機蒸汽消耗增加，硝酸生產(chǎn)成本上漲，過大的過濾器壓差甚至?xí)?dǎo)致回收的貴金屬的價值不足以平衡阻力增大帶來的蒸汽消耗增加，使得過濾器應(yīng)用的經(jīng)濟性下降，因此，設(shè)計合理的過濾效率、控制合理的過濾器壓差，對于貴金屬回收收益最大化具有重要的意義。中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計的過濾器運行周期初始與末期壓差為1.5～3.8 kPa，實際生產(chǎn)中，經(jīng)合理調(diào)整后過濾器壓差一般可降低——典型應(yīng)用企業(yè)A、B、C硝酸裝置的產(chǎn)能分別為270 kt／a、180 kt／a、150 kt／a，經(jīng)合理調(diào)整后，實際生產(chǎn)中企業(yè)A、B、C過濾器運行周期初始與末期壓差（均值）分別為0.557～2.50 kPa、0.65～2.80 kPa、0.84～3.00 kPa。

4.2 過濾器壓差造成的蒸汽損耗分析

4.2.1 蒸汽損耗量的模擬計算

以國內(nèi)典型應(yīng)用企業(yè)B（硝酸裝置產(chǎn)能180 kt／a）為分析對象，利用壓縮機功率計算模型，以10 kPa的極限阻力為例，對安裝氮氧化物氣體粉塵過濾器后空壓機組汽輪機蒸汽消耗增加情況進行模擬計算。

（1）硝酸裝置負(fù)荷為90%時，未安裝過濾器時，空壓機打氣量100 700 m3／h、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.40 MPa（A）；安裝過濾器后，空壓機打氣量100 700 m3／h（標(biāo)況，下同）、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.41 MPa（A），即安裝過濾器后系統(tǒng)氣體阻力增加10 kPa。取理論功率計算系數(shù)為0.119、機械效率為97%、傳動效率為100%，計算得氣體阻力增加前空壓機的理論功率約7 214.7 kW、軸功率約7 437.8 kW，驅(qū)動機功率約8 181.6 kW；氣體阻力增加后空壓機的理論功率約7 343.2 kW、軸功率約7 570.3 kW，驅(qū)動機功率約8 327.3 kW?？梢钥闯觯跛嵫b置負(fù)荷為90%時，安裝過濾器后空壓機軸功率增加約133 kW，增幅約1.8%。據(jù)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，硝酸裝置90%負(fù)荷下［空壓機出口壓力0.4 MPa（A）］汽輪機的蒸汽消耗約為17 000 kg／h，查汽輪機功率流量曲線對應(yīng)的輸出功率約為4 000 kW，如果在此條件下汽輪機輸出功率增加133 kW，則對應(yīng)的蒸汽流量為4.88 kg／s（17 568 kg／h），即汽輪機的蒸汽消耗增加568 kg／h，按年運行時間8 000 h計，全年汽輪機將多耗蒸汽4 544 t。

（2）硝酸裝置負(fù)荷為100%時，未安裝過濾器時，空壓機打氣量100 700 m3／h、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.45 MPa（A）；安裝過濾器后，空壓機打氣量100 700 m3／h、入口壓力0.10 MPa（A）、出口壓力0.46 MPa（A），即安裝過濾器后系統(tǒng)氣體阻力增加10 kPa。取理論功率計算系數(shù)為0.119、機械效率為97%、傳動效率為100%，計算得氣體阻力增加前空壓機的理論功率約7 827.6 kW、軸功率約8 069.7 kW，驅(qū)動機功率約8 876.7 kW；氣體阻力增加后空壓機的理論功率約7 942.0 kW、軸功率約8 187.7 kW，驅(qū)動機功率約9 006.4 kW?？梢钥闯觯跛嵫b置負(fù)荷為100%時，安裝過濾器后空壓機軸功率增加約118 kW，增幅約1.5%。據(jù)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，硝酸裝置100%負(fù)荷下［空壓機出口壓力0.45 MPa（A）］汽輪機的蒸汽消耗約為24 400 kg／h，查汽輪機功率流量曲線對應(yīng)的輸出功率約為5 652 kW，如果在此條件下汽輪機輸出功率增加118 kW，則對應(yīng)的蒸汽流量為6.92 kg／s（24 912 kg／h），即汽輪機的蒸汽消耗增加512 kg／h，按年運行時間8 000 h計，全年汽輪機將多耗蒸汽4 096 t。

4.2.2 蒸汽損耗量模擬計算結(jié)果的驗證

在硝酸裝置負(fù)荷90%、空壓機出口壓力0.40 MPa（A）下進行空壓機加負(fù)荷試驗，當(dāng)空壓機因打氣量增加出口壓力達到0.41 MPa（A）并處于穩(wěn)態(tài)時，測得汽輪機耗汽量增加1 t／h。如果換算成僅用汽輪機增加軸功率來克服系統(tǒng)氣體阻力增加10 kPa，汽輪機耗汽量增加不會超過1 t／h，耗汽量增加應(yīng)該至少減半，即汽輪機耗汽量增加約0.5 t／h，按年運行時間8 000 h計，全年汽輪機將多耗蒸汽4 000 t，與上述蒸汽損耗模擬計算值基本相符，從而驗證了上述模擬計算的合理性，同時也驗證了相同阻力下機組滿負(fù)荷工況可比低負(fù)荷工況（噸產(chǎn)品）少耗蒸汽這一結(jié)論。

4.3 過濾器壓差造成的成本增加分析

同樣以國內(nèi)典型應(yīng)用企業(yè)B（硝酸裝置產(chǎn)能180 kt／a）為例，實際生產(chǎn)中硝酸裝置100%負(fù)荷下氮氧化物氣體粉塵過濾器運行周期初始與末期壓差（平均值）是由初始低于1 kPa緩慢增加到末期的約3 kPa，空壓機組汽輪機需增加軸功率以克服過濾器壓差帶來的系統(tǒng)氣體阻力增加，從而會多消耗蒸汽，實際汽輪機耗汽量增加值應(yīng)低于最大阻力3 kPa對應(yīng)的汽耗增加值的一半。實際生產(chǎn)中，企業(yè)B過濾器運行周期初始與末期壓差為0.65～2.80 kPa，實際平均壓差低于1.5 kPa，按上述相同模擬方法、以平均壓差為1.5 kPa進行估算，汽耗增加低于872 t／a，汽輪機所耗4.0 MPa、440℃過熱蒸汽價格按90元／t計，全年增加的蒸汽成本為78 480元。使用同樣的計算方法，可計算得出270 kt／a、150 kt／a硝酸裝置滿負(fù)荷工況下因過濾器壓差造成的空壓機組汽輪機汽耗增加分別為1 095 t／a、496 t／a，汽輪機所耗4.0 MPa、440℃過熱蒸汽價格按90元／t計，則270 kt／a、150 kt／a硝酸裝置全年增加的蒸汽成本分別為98 550元、44 640元。

5 安裝過濾器后可能的異常工況及其處理

過濾器安裝后，硝酸裝置可能會出現(xiàn)一些異常工況，需進行相應(yīng)的應(yīng)急處理。

5.1 過濾器壓差突增

過濾器運行過程中，若出現(xiàn)過濾器差壓計示數(shù)大幅上漲，需考慮是否有大量粉塵進入過濾器中，濾材上捕獲的粉塵量大增導(dǎo)致過濾器壓差大幅上漲。此時需繼續(xù)觀察差壓計示數(shù)，如短時間上漲后不再出現(xiàn)上漲趨勢，在不影響生產(chǎn)的情況下可繼續(xù)維持運行；如過濾器差壓計示數(shù)持續(xù)上漲，應(yīng)安排停車，更換濾芯，并對濾芯上附著的粉塵進行分析，以查找原因并作出相應(yīng)的處理。

二級減排催化劑（N2O爐內(nèi)減排催化劑）具有消除N2O溫室氣體的作用，安裝于氨氧化爐內(nèi)鉑網(wǎng)下方，二級減排催化劑運行過程中會有部分碎化，產(chǎn)生大量粉塵，過濾器對催化劑粉塵的有效截留對工藝氣的凈化具有重要意義，因此，需根據(jù)粉塵的產(chǎn)生量調(diào)整過濾器的濾材參數(shù)、降低過濾器的運行壓差。

5.2 過濾器壓差突降

過濾器運行過程中，若出現(xiàn)過濾器差壓計示數(shù)大幅下降，需考慮是否有大顆粒異物進入了過濾器中，濾材被大顆粒異物沖擊出現(xiàn)破損導(dǎo)致了氣流從破損部位溢出。此異常工況的出現(xiàn)不會影響硝酸裝置的正常生產(chǎn)，但會對過濾器本運行周期的過濾效果（亦即貴金屬回收效果）產(chǎn)生影響，應(yīng)在過濾器本運行周期結(jié)束后對顆粒異物進行分析，以查找原因并采取相應(yīng)的措施。

5.3 液態(tài)水侵蝕過濾器

過濾器安裝段嚴(yán)禁大量液態(tài)水通過，一旦液態(tài)水侵蝕過濾器，會導(dǎo)致濾材吸水而失去通透功能，此時需緊急停車，排出過濾器內(nèi)的水，同時查找液態(tài)水泄漏的原因并予以處理，維修破損部位并更換濾材。另外，硝酸裝置重啟前需打開過濾器底部的排污閥排水，確保其內(nèi)部積水排盡。

6 結(jié)束語

隨著雙加壓法硝酸裝置數(shù)量在國內(nèi)的迅猛增長，與其配套使用的過濾器也應(yīng)運而生，經(jīng)過數(shù)年的改進與升級，如今用于貴金屬顆粒捕集的過濾器已完全能滿足雙加壓法硝酸裝置的生產(chǎn)運行要求。上述中海油（山西）貴金屬有限公司設(shè)計開發(fā)的（貴金屬）過濾器，在高溫氣氣換熱器后截取管段通過焊接的方式安裝于系統(tǒng)管線中后，通過人孔可方便地進行濾芯更換，避免了使用吊車吊裝設(shè)備或法蘭蓋造成的頻繁熱緊而易發(fā)生泄漏，濾芯使用三元復(fù)合陶瓷纖維濾材并采用風(fēng)琴狀設(shè)計，使濾芯的強度增大、壓差降低。應(yīng)用實踐表明，該型過濾器具有結(jié)構(gòu)合理、安裝方便、壓降小的特點。此外，利用壓縮機功率計算模型模擬計算的該型過濾器壓差對高壓機組汽輪機蒸汽消耗的影響，可為合理設(shè)計過濾器壓差與貴金屬回收率提供重要的理論依據(jù)，過濾器運行過程中異常工況及處理的簡要總結(jié)也可為硝酸生產(chǎn)企業(yè)安裝過濾器后的運行管理提供一點參考與借鑒。