鋅合金工業白煙治理的實驗研究

張海龍

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鋅合金工業白煙治理的實驗研究

張海龍

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 貴陽 550081）

在實驗室內以人工配氣為氣源，模擬白煙（主要成分是NH4Cl，NH3，和HCl）的生成，基于NH4Cl，NH3和HCl的性質，用不同pH值的溶液作為吸收劑，通過填料塔進行不同噴淋密的吸收操作，探討此工藝對白煙的去除效果。

白煙；NH4Cl；NH3；HCl；吸收；大氣污染

0 引言

在火法冶煉鋅合金工藝過程中，為了除去高溫狀態下鋅合金表面生成的氧化物，提高鋅合金的純度，采用高溫熔融狀態下摻入大量氯化銨晶體造渣以達到提純的目的。由于氯化銨在高溫下揮發出煙霧狀氣體，使得鋁合金車間經常彌漫白色煙霧，極大地污染環境。因此，我們在實驗室模擬氯化銨白煙的產生方式，用填料吸收塔來洗滌去除混合煙氣中的有害成分，并尋求最佳工藝條件，以求在工業上得到推廣應用。

1 白煙成分及危害

火法冶煉鋅合金工藝過程中散發的的白色煙霧主要成分為NH4Cl，NH3，和HCl。

1.1 氯化銨

氯化銨為無色晶體或白色結晶性粉末，無臭，味咸，有清涼性，易溶于水，水溶液呈弱酸性反應，在加熱時酸性增強。對黑色金屬和其他金屬有腐蝕，特別對銅腐蝕性更大，而生鐵尚能抵抗它的腐蝕。氯化銨加熱升華或分解，在100℃時開始有顯著的揮發，在328℃時離解為NH3及HCl，遇冷后又重新化合生成顆粒極小（粒徑小于1μm）氯化銨，此狀態的氯化銨不易下沉，不易溶于水[1]，反應方程式：

NH4Cl?NH3↑+HCl↑ （1）

1.2 氯化氫

氯化氫為無色有刺激性氣味的氣體，溶于水生成鹽酸，主要通過呼吸道危害人體健康。長期接觸氯化氫可引起喉粘膜刺激，鼻粘膜潰瘍，牙齒腐蝕及胃腸疾病等。氯化氫氣體對金屬也有嚴重腐蝕作用。因此，氯化氫氣體在居民區大氣中最高容許濃度一次測定值為0.05mg/m3日平均濃度值為0.15mg/m3。主要用于制染料、香料、藥物、各種氯化物及腐蝕抑制劑。

1.3 氨氣

氨氣，無色氣體，有刺激性惡臭味，水溶液呈堿性，它對接觸皮膚組織都有腐蝕和刺激作用。可以吸收皮膚組織中的水分，使組織脂肪皂化，破壞細胞膜結構。氨的溶解度極高，所以主要對動物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，減弱人體對疾病的抵抗力。濃度過高時除腐蝕作用外，還可通過三叉神經末梢的反射作用吸收至血液，而引起心臟停搏和呼吸停止。主要用于制造硝酸、炸藥、合成纖維、化肥；也可用作制冷劑[20]。氨氣與水反應生成氨水，方程式：

NH3+H2O?NH3·H2O?NH4++OH-（2）

2 實驗方案

在實驗室內，以人工配氣為氣源，模擬白煙的生成。基于水溶液對氯化銨顆粒的吸附作用，以及氨氣和氯化氫都具有水溶性極強的特性，考慮用純水及酸性、堿性溶液作為吸收劑的填料塔進行吸收操作，探討此工藝對白煙的去除效果。填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且填料表面具有良好的湍流狀況，從而使吸收過程易于進行。而且，填料塔還具有結構簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優點，從而可以使吸收操作過程節省大量人力和物力。吸收過程機理有惠特曼（WGWhitman）在20世紀20年代提出雙膜理論，西格比（Higbie）于1935年提出溶質滲透理論，以及丹克沃茨于1951年對西格比的理論提出改進和修正后的表面更新理論。

1.模擬煙道；2.采樣口；3.采氣口；4.除霧器；5.噴嘴；6.篩板；7.填料；8.吸收劑；9.水槽；10.水管；11.循環水泵；12.風管；13.新風閥門；14.風機；15.焙燒皿

實驗具體做法：取一定量的氯化銨晶體，放入耐氯化銨腐蝕的加熱器皿中用電爐進行加熱，使晶體分解生成煙氣，通過離心風機使煙氣經模擬煙道進入填料塔進行吸收，填料選取有較高空隙率、氣流阻力小、耐腐蝕的聚丙烯階梯環。為了提高傳質效率，選用逆流操作[2]。通過離心風機的作用，煙氣自塔底進入由塔頂排出，吸收液自塔頂噴出由塔底流出在模擬填料塔中通過填料的作用使廢氣與吸收液充分接觸，使混合氣體中的化學成分NH4Cl、NH3和HCl被充分吸收，最終處理后的廢氣直接排空。吸收液經循環水泵循環利用，吸收液分別采用純水、酸性、堿性溶液進行試驗。其流程圖見圖1。

白煙中NH3與HCl溶于水后發生以下中和反應：

NH3+H2O?NH4++OH-（3）

NH4++CL=NH4Cl （4）

由于白煙中NH3與HCl是由NH4Cl加熱分解產生，因此理論上二者在水溶液中正好反應完全。

3 去除效率的測定

在煙道的入口以及煙氣的排空點分別設采樣點，在采樣系統中設置濾膜截留氯化銨煙氣，用吸收液分別吸收NH3和HCl氣體，并設置平行樣。采樣流量范圍為0.2—1.0L/Min，采樣體積為4.0—30.0L。采集后的樣品馬上進行分析。由入口與出口處各樣品的濃度，可計算出填料塔去除NH4Cl，NH3，和HCl的效率。

分析項目均按國家環保局編纂的《空氣和廢氣監測方法》（2003年第四版）中的標準方法進行分析。氯化銨煙塵的測定：重量法[3]；氯化氫的測定：硝酸銀容量法[4]；氨的測定：水石楊酸-次氯酸鈉分光光度法。

4 數據處理及分析

本系統中采用負壓操作。分別用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五種不同溶液做吸收劑。每次實驗采集5組數據，為了分析不同噴淋量下的處理效率，5組數據分別采集于噴淋量為2m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、8m3/h的五個等級。了保證檢測的準確性，每次實驗后，補充一定量吸收劑進入循環系統。

4.1 煙氣中氯化銨監測分析

在系統進出口處的采樣口進行監測，分別用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五種不同溶液在不同噴淋量下次測試5組數據，記錄如下圖2。

由圖2可知無論酸性、堿性還是中性溶液，隨著噴淋量的增大，對氯化銨的處理效率都有顯著增加。當吸收劑呈堿性時，在同一噴淋量下對氯化氨的吸收效果最好，pH=12噴淋量為8m3/h時處理效率達到93.4%。吸收劑呈酸性時在同一噴淋量下吸收效率次于堿性，pH=2噴淋量為8m3/h時處理效率達到87.6%。而吸收劑為水時吸收效果不如酸性、堿性溶液，噴淋量為8m3/h時處理效率為86.8%。由此可知用堿性溶液吸收氯化氨效果顯著。分析其主要原因是堿性溶液對氯化銨的吸收是一種化學吸收，氫氧根離子會與氯化氨中的氨離子發生化學反應，兩者結合生成氨水化合物，從而降低了氯化氨的濃度。但氨水化合物性質很不穩定，易分解生成氨氣和水，這又會增加煙氣中氨的濃度，給氨氣的吸收處理帶來負擔。

圖2 氯化銨處理效率漸進圖

Fig.2Handle efficiency char of NH4Cl

4.2 煙氣中氯化氫監測分析

為了準確監測系統去除氯化氫的效率，分別用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五種不同溶液在不同噴淋量下次測試5組數據，記錄如下圖3。

由圖3可知無論酸性、堿性還是中性溶液隨著噴淋量的增大，對氯化氫的處理效率都有顯著增加。當吸收劑呈堿性時，在同一噴淋量下對氯化氫的吸收效果最好，pH=12噴淋量為8m3/h時處理效率達到93.9%。吸收劑呈中性時在同一噴淋量下吸收效率次于堿性，噴淋量為8m3/h時處理效率達到85.1%。而吸收劑為酸性溶液時，吸收效果不如堿性溶液與中性溶液，pH=4噴淋量為8m3/h時處理效率為46.7%。由此可知堿性溶液吸收氯化氫效果顯著，而用酸性溶液吸收氯化氫效果很差。分析其主要原因為堿性溶液中的氫氧根離子與氯化氫中的氫離子結合成水，從而降低了氯化氫的濃度，而酸性溶液中的氫離子抑制了氯化氫中的氫離子，使氯化氫在酸性溶液中的吸收效果較差。

圖3 氯化氫處理效率漸進圖

4.3 煙氣中氨氣的監測分析

與除去氯化氨、氯化氫一樣，分別用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五種不同溶液做吸收劑在噴淋量為2m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、8m3/h五個等級下測試5組數據，記錄如下圖4。

圖4 氨處理效率漸進圖

由圖4知無論酸性、堿性還是中性溶液隨著噴淋量的增大，對氨氣的處理效率都是增大的。當吸收劑呈酸性時，在同一噴淋量下對氨氣的吸收效果最好，pH=2噴淋量為8m3/h時處理效率達到80.6%。吸收劑呈中性時在同一噴淋量下吸收效率不如酸性，噴淋量為8m3/h時處理效率為60.5%。而吸收劑呈堿性時吸收效果最差，pH=12噴淋量為8m3/h時處理效率為20.6%。由此可知用酸性溶液吸收氨氣效果很好，而堿性溶液吸收氨氣效果很差。分析其主要原因為氨氣在酸性溶液中與氫離子結合生成氨離子從而降低了煙氣中氨氣的濃度，而吸收劑呈堿性時，由于氫氧根的存在抑制了氨氣的吸收，另外煙氣中的氯化氨與堿性溶液作用會有氨氣生成，這些原因導致氨氣在堿性溶液中的吸收效率很低。

5 結論

本研究著重利用實驗室模擬填料吸收塔裝置來探討此工藝對白煙的治理的可行性和經濟合理性。根據實驗結果，可得出如下結論：

（1）由實驗得知吸收劑呈堿性時，在同一噴淋量下對氯化氨的吸收效果顯著。pH=12噴淋量為8m3/h時處理效率達到93.4%。吸收劑呈酸性pH=2噴淋量為8m3/h時處理效率達到87.6%。由此可知用酸性溶液吸收氯化氨效果也不錯。

（2）由實驗得知吸收劑呈堿性時，在同一噴淋量下對氯化氫的吸收效果最好。pH=12噴淋量為8m3/h時處理效率達到93.9%。吸收劑呈中性，噴淋量為8m3/h時處理效率達到85.1%，在同一噴淋量下吸收效率次于堿性吸收液。

（3）由實驗得知吸收劑呈酸性時，在同一噴淋量下對氨氣的吸收效果最好。pH=2噴淋量為8m3/h時處理效率達到80.6%。吸收劑呈中性時在噴淋量為8m3/h時處理效率為60.5%。而吸收劑呈堿性時吸收效果最差。

由以上結果可知，不同的溶液對白煙中的成分有不同的吸收效果。堿性溶液對氯化氨和氯化氫的吸收效果優于酸性與中性，而酸性溶液對氨氣的吸收效果明顯優于堿性與中性。鑒于此結果，可嘗試用兩級吸收法來處理白煙，即一級吸收用堿性溶液做吸收劑吸收煙氣中的氯化氨與氯化氫，二級吸收用酸性溶液做吸收劑吸收煙氣中的氨氣。這樣對白煙的處理效果會大大提高。

總的來說，本次試驗研究通過利用不同性質的溶液對鋅合金工業白煙進行了模擬吸收處理，

實驗結果對于鋅合金工業白煙的治理具有一定的參考和指導意義。

[1] 天津化工研究院編.無機鹽工業手冊（第二版）（上冊）[M].北京:化學工業出版社,1996,256-257

[2] 吳分苗,胡小吐,梁曉寧.聚丙烯填料塔應用于PCB廢氣凈化的工程實踐[J]環境工程,2003,21(5):32-33.

[3] 國家環境保護總局編.空氣和廢氣監測分析方法（第四版）[M].北京:中國環境科學出版社,2003:187-447.

[4] 邵和敏,鐘衛民,徐輝.環境監測中氯化氫測定的分析方法實驗[J].工業安全與環保,2002,(11):91-97.

Zinc Base Alloy Industry White Frog Governs

Zhang Hailong

( Guiyang Aluminum and Magnesium Design Institute Co., Ltd, Guiyang, 550081 )

This experimental goal is laboratory simulates white frog by the man-power as the gas source. Because NH4Cl, NH3and HCl, all has the water-soluble greatly strengthened characteristic, we considered the water used carries on the absorption operation as the absorbent absorption chamber,discusses this craft dialogue effect to remove the white frog.

white frog; NH4Cl; NH3; HCl; absorption; atmosphere pollution

1671-6612（2016）05-611-04

TF09

A

2015-07-31

作者（通訊作者）簡介：張海龍（1981.12-），男，本科，工程師，E-mail：zhanghailong123@126.com