氯化亞鐵在氯化尾氣淋洗中的應用研究

劉朝林,朱衛平

(遵寶鈦業有限公司,貴州桐梓 563200)

眾所周知,鈦因其密度低、比強度高、耐腐蝕、耐高溫等一系列優點,現已廣泛應用于航空航天、石油化工、冶金、電力、船舶以及日常生活等眾多領域,被專業人士譽為崛起的第三金屬。但是,作為海綿鈦生產原料的四氯化鈦生產,由于尾氣系統中含氯尾氣的超標排放問題得不到有效解決而成為制約氯化生產擴大生產規模的瓶頸。為達到含氯尾氣的達標排放,許多氯化生產廠家都一直在尋求一種包含經濟性、有效性及環保性的含氯廢氣的處理辦法。這過程中,有大家熟悉的堿(NaOH)淋洗及石灰水(Ca-(OH)2)淋洗等方式,特別是堿淋洗,因其吸收氯氣的效果較明顯,普遍被許多氯化企業采用。其主要的化學反應式如下:

但是,由于在使用堿淋洗氯化尾氣后,后期在處理次氯酸鈉時,因其性質的不穩定性、易分解的特性,造成了環境的二次污染。其反應式如下:

為此,給氯化企業在尾氣治理工作中帶來了新的挑戰,同時,也很大程度限制了氯化企業的進一步發展。

本文通過在某廠氯化車間尾氣系統創新地采用氯化亞鐵溶液進行含氯廢氣的吸收效果實驗,通過對實驗數據的分析,得出了氯化亞鐵溶液在氯化尾氣治理中的應用是可行的,不僅可以有效吸收氯化尾氣中的含氯廢氣,而且,還能大幅度降低尾氣治理成本,節約大量的人力、物力,同時,也為優化氯化生產工藝技術,尋找到了一種有效的尾氣治理方法。

1 實 驗

1.1 實驗原理

氯化亞鐵溶液具有強還原性,在溶液狀態下易與氯氣發生反應,其反應式如下:

為降低尾氣治理費用,其反應所需FeCl2溶液,該氯化車間采用自制方式進行制備。所需的鐵屑,來源廣泛,且價格低廉。所需原料中鹽酸,通過氯化尾氣酸洗后進行鹽酸回收,濃度控制在30%即可。不僅可以節約外購鹽酸成本,還降低企業處理尾氣酸水的附加成本,可以取到一舉兩得的效果。

其化學反應式如下:

該反應過程在常溫下就能進行,而且速度也非常快。需要注意的是,在反應過程中將會產生大量易燃易爆的氫氣,必須做好安全防范措施。

為避免制備過程產生的大量氫氣密度過大發生爆炸事故,必須在反應池上部安裝一個密閉吸氣罩,并用管線將其與風機連接,這樣,就能輕松將反應中產生的氫氣以及鹽酸廢氣通過風機及時排空。

1.2 工藝流程

某廠尾氣系統流程示意圖如圖1所示。

如圖1所示,該廠氯化生產后的含氯尾氣先經過三級酸洗后,進入后面三級實驗塔進行氯化亞鐵淋洗吸收實驗,最后經風機抽到尾氣煙囪進行排空。

圖1 某廠尾氣系統流程示意圖

1.3 氯化亞鐵溶液的制備

1.3.1 制備流程

FeCl2溶液制備流程如圖2所示。

圖2 FeCl2溶液制備流程示意圖

1.3.2 制備過程

將準備好的鐵屑轉放于制備池內,通過鹽酸泵將低濃度(30%)鹽酸泵至制備池中。為提高反應速度,可在池內加風管進行鼓動。同時,對制備池上部進行密封并通過負壓風機及時將反應過程中的氫氣及鹽酸廢氣抽出經堿液淋洗后排空。

1.3.3 取樣分析

對制備好的FeCl2溶液進行取樣分析,當溶液中FeCl2濃度達到 200 g/L以上時,經過濾至準備池內,備用。

1.3.4 淋洗實驗

第一步:分別在1#、2#、3#實驗塔進出口的尾氣管道上安裝A、B、C、D四處取樣口,便于實驗過程中取樣分析和及時對淋洗情況進行調整,如圖1所示。

第二步:將準備好的高濃度FeCl2溶液泵至三個實驗塔下部的循環罐后,啟動淋洗循環泵將FeCl2溶液分別泵至1#、2#、3#實驗塔內,通過流量大小的調節來滿足對氯化尾氣淋洗的需要。

第三步:取樣分析,在穩定氯化生產的情況下,將通氯量控制為5 000 kg/h時,并對各實驗塔取樣點進行數據采樣,同時,對淋洗過程中FeCl2溶液濃度的變化以及更換頻率進行取樣跟蹤分析。

2 實驗數據及結果分析

2.1 連續一周各取樣點處尾氣中氯氣含量分析

控制FeCl2溶液濃度在30～210 g/L范圍內,于2012年3月5日至3月11日每天早上9∶00對各個隨機取樣點取樣得到連續一周的隨機取樣數據,對各尾氣取樣口氯氣含量數據進行整理,如表1所示。

表1 連續一周各取樣點處尾氣中氯氣含量mg/m3

對采集的數據進行分析,如圖3所示。

圖3 各取樣點尾氣氯氣含量隨時間的變化規律

2.2 FeCl2溶液更換時間及更換量

FeCl2溶液更換時間及更換量見表2。

表2 FeCl2溶液更換時間及更換量

通過采集數據顯示,在氯化爐穩定運行的條件下,氯化尾氣含氯量未進行FeCl2溶液淋洗前,基本保持在5 000 mg/m3,經過一級FeCl2溶液淋洗后,下降到800 mg/m3左右,經過第二級FeCl2溶液淋洗后,氯氣含量降到50 mg/m3左右,到第三級FeCl2溶液淋洗后,氯氣含量降到0,基本可以滿足國家環保排空標準50 mg/m3的要求。

3 補充實驗

為優化工藝技術,在實驗過程中將三級淋洗改為兩級淋洗。即將最后一級即3#實驗塔FeCl2溶液淋洗改為清水淋洗,加強尾氣中氯化氫氣體的吸收。同時,將FeCl2溶液濃度范圍調整為50～300 g/L,增強氯化亞鐵吸收氯氣的能力,確保尾氣氯氣含量不超標。

通過多次實驗數據采集對比,可以很明顯地發現,通過工藝優化后,不僅保證了尾氣中氯氣的有效吸收,同時,尾氣中的氯化氫氣體含量平均值也從實驗前的200 mg/m3降到50 mg/m3,從而既優化了尾氣淋洗工藝,降低了環保治理費用,又達到了環保治理的要求,有效降低了企業生產的環保壓力。工藝優化后進行了實驗數據的采集,時間為2012年4月8日至2012年4月14日每天早上9∶00,實驗結果如表3所示。

表3 工藝優化后各取樣點氯氣和氯化氫含量mg/m3

對采集的數據進行分析,如圖4所示。

圖4 各取樣點尾氣中氯氣和氯化氫含量隨時間的變化規律

4 結 論

1.通過兩次實驗,有效地說明了氯化亞鐵溶液不僅能很好地吸收氯化尾氣中的氯氣,而且,吸收后生成的氯化鐵溶液不僅不會污染環境,而且還可以通過簡單方式進行結晶后還能運用到其他許多領域。如:(1)用作凈水劑,主要用于飲用水的凈化和工業污水的處理;(2)用作染料工業的氧化劑和媒染劑;(3)用作有機合成工業的催化劑、氧化劑。目前,該廠正在進行氯化鐵的結晶和提純試驗工作。

2.打破了氯化尾氣治理離不開堿液的工業瓶頸,有效地拓展了氯化尾氣治理方面的思路和視野,同時,還有效避免了使用強堿后帶來的二次污染問題和使用石灰水帶來的堵塞管道的問題。

3.使用氯化亞鐵溶液,既保證了生產的需要,同時,由于采用自配方式生產氯化亞鐵,不僅可以降低尾氣治理成本,而且,還有效將氯化尾氣產生的酸水(HCl)進行合理運用,從而還能降低處理酸水的費用。可以說,即解決了企業的成本問題,還解決了環保問題。

4.在補充實驗中,增加了一級清水淋洗,進一步吸收尾氣中的氯化氫氣體,將尾氣中氯化氫的含量從淋洗前的約200 mg/m3降到了50 mg/m3左右,同時,產生的鹽酸經收集后不僅可以作為制備氯化亞鐵作為原料,還可以進行外銷,為企業創造新的經濟效益。更重要的是,優化了氯化尾氣淋洗工藝,使尾氣中的含氯量大大降低,不僅有效降低了企業的環保壓力,還為樹立新的企業環保形象奠定了堅實的基礎。

5.通過兩次實驗,雖然成功證明了氯化亞鐵在氯化生產中尾氣吸收方面確實能收到很好的效果,但因投入運用時間還較短,還有許多工作在今后的生產中必須再進行細化。(1)氯化亞鐵溶液吸收氯氣與其濃度的高低有著極其密切的關系,其上下限濃度及最佳吸收濃度范圍,還得進行進一步實驗; (2)吸收后生成的氯化鐵的結晶及提純工作,需要進行摸索;(3)氯化亞鐵溶液制備需要的最佳鹽酸濃度與尾氣中回收酸的工作之間的銜接工作,也需要在今后的工作中加以考慮。

[1] 中國鈦公司遵義鈦廠.鎂法海綿鈦生產[R].遵義:中國鈦公司遵義鈦廠,1981.

[2] 莫畏,董鴻超,吳亨南.鈦冶煉[M].北京:冶金工業出版社, 2011.