化工制藥工藝殘渣燃燒過程固氯研究

王月妍，楊 帆，田 曼

（1.陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院，陜西 西安 712046；2.西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

化工制藥過程中，剩余大量的化學(xué)殘留物會進行焚燒處理，這些殘渣的組分較為復(fù)雜，包括硫、氯、氮等各類元素，焚燒處理熱值高，而且生成物質(zhì)通常是一些氮氧化物、硫氧化物等有毒有害氣體以及大量粉塵，對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，同時產(chǎn)生的熱量也無法回收利用[1-2]。現(xiàn)階段對環(huán)境問題重視程度不斷提高，對化工制藥行業(yè)也有著更高要求，因此必須采取有效手段對殘渣燃燒過程進行處理，減少有害氣體的排放量。

1 實驗裝置及操作工藝流程

本次實驗容器為石英玻璃管，玻璃管中間插有陶瓷砂芯，兩者均化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，不會與固體殘渣進行反應(yīng)。在實驗過程中，將化工廠提供的制藥工藝剩余殘渣，經(jīng)初步減蒸處理，形成的黑色固體殘渣作為樣本，置于陶瓷砂芯中[3]。在石英玻璃管外側(cè)套上陶瓷加熱管進行加熱，通過溫度監(jiān)測裝置精確控制溫度，并在玻璃管下方注入空氣進行充分反應(yīng)，反應(yīng)所得氣體產(chǎn)物經(jīng)玻璃管頂部排出收集。尾氣處理采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氫氧化鈉溶液，氣體產(chǎn)物經(jīng)溶液反應(yīng)進行鼓泡吸收，流入溶液的速率不應(yīng)超過100 mL/min，否則容易導(dǎo)致氣體產(chǎn)物與氫氧化鈉溶液反應(yīng)不充分。

對于待反應(yīng)固體殘渣，成分取自化工廠的含大量有機氯化物廢棄物，通過減蒸處理后，外觀呈現(xiàn)黑色半固體狀，該反應(yīng)樣品在加熱前需進行恒溫干燥，放置在干燥箱中恒溫干燥5 h，并進行研磨處理，即可添加至陶瓷砂芯進行反應(yīng)。

對于反應(yīng)氣體產(chǎn)物，氣相產(chǎn)物含大量HCL 物質(zhì)，可經(jīng)氫氧化鈉溶液過濾吸收，同時可利用離子色譜對產(chǎn)物進行定量分析，判斷燃燒反應(yīng)過程中生成的HCL濃度，同時計算出剩余灰渣熱灼減率。通過初步分析，當(dāng)反應(yīng)樣本加熱至546.28 ℃時，樣本分解最為充分，同時可釋放3 478 kJ/kg 熱量，此時殘渣氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.21%。

2 實驗結(jié)果研究分析

2.1 氣體產(chǎn)物與加熱溫度的關(guān)系

實驗操作中控制反應(yīng)樣本加熱速率為10 ℃/min，同時控制流入氫氧化鈉溶液的氣體產(chǎn)物流速為100 mL/min，研究生成氣體產(chǎn)物與加熱溫度之間的關(guān)系。通過分析加熱實驗過程發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加熱溫度至450 ℃時，生成氣體產(chǎn)物中開始出現(xiàn)氯化氫氣體，同時伴隨著加熱溫度不斷升高，氯化氫氣體含量不斷增加；加熱溫度至550～650 ℃范圍時，數(shù)值達到最大值；隨后生成氣體產(chǎn)物中氯化氫氣體的濃度開始降低；進一步提高加熱溫度至750 ℃，固體殘渣反應(yīng)停止，反應(yīng)將不再產(chǎn)生氯化氫氣體。通過稱量反應(yīng)剩余殘渣質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，熱灼減率可達78%，說明反應(yīng)樣本中的氯元素基本完全轉(zhuǎn)化為了氯化氫氣體逸出。

2.2 吸收劑固氯效果分析

本次反應(yīng)對生成氣體產(chǎn)物收集即固氯過程主要是通過氧化鈣、碳酸鈣兩種吸收劑實現(xiàn)，其中固氯化學(xué)方程式為式（1）、式（2）：

在式（1）、式（2）中，氧化鈣固氯是一種可逆反應(yīng)，而對于后者碳酸鈣固氯過程，當(dāng)反應(yīng)溫度上升至700℃時，氣體產(chǎn)物中由于不再釋放氯化氫氣體，因此碳酸鈣本身會發(fā)生熱解，熱解方程為式（3）：

因此為保障吸收劑的高效固氯效果，通常應(yīng)用碳酸鈣藥品作為固氯吸收劑時，加熱反應(yīng)溫度不宜超過700 ℃，避免碳酸鈣熱解影響固氯效率[4]。同時為對比兩種吸收劑固氯效率，要分別計算兩種吸收劑與反應(yīng)固體樣本的質(zhì)量比，同時控制生成氣體產(chǎn)物的流速為100 mL/min，加熱速率仍為10 ℃/min，將加熱最高溫度設(shè)定為650 ℃，保溫10 min，計算兩種固氯吸收劑與固體樣本的質(zhì)量比。

通過分析加熱實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固氯吸收劑與反應(yīng)固體樣本的質(zhì)量比不斷增大時，氧化鈣的固氯效果要明顯高于碳酸鈣藥品，其中當(dāng)這一比值達到0.8時，氧化鈣藥品的固氯效果將達到98%左右；而對于碳酸鈣藥品來說，當(dāng)藥品與反應(yīng)固體質(zhì)量比達到2.0時，固氯效果較好，最大數(shù)值可達77%左右。也就是說，兩種固氯吸收劑都會隨著藥品含量的增加，增強固氯效果，低于上述兩種比值時，由于固氯吸收劑藥品質(zhì)量占比較低，對氯化氫逸散氣體無法做到及時固氯處理，固氯效果緩慢。然而超出上述兩種比值后，繼續(xù)增大固氯吸收劑藥品含量，固氯效果將不再提升，反而造成吸收劑藥品的浪費。

2.3 吸收劑溫度對固氯效果的影響

通過分析上述吸收劑固氯效果發(fā)現(xiàn)，將氧化鈣藥品與反應(yīng)固體樣本的質(zhì)量比設(shè)定為0.8、將碳酸鈣藥品與反應(yīng)固體樣本的質(zhì)量比設(shè)定為2.0 時，固氯效果最佳。同時在這兩者比值下分析溫度參數(shù)對固氯效果的影響，同樣設(shè)定生成氣體產(chǎn)物的流速為100 mL/min，加熱速率仍為10 ℃/min。

通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱溫度上升至550～650 ℃范圍內(nèi)，生成氣體產(chǎn)物中氯化氫含量較低，也就是說反應(yīng)生成的氯化氫可以及時被吸收劑固氯處理，該溫度范圍內(nèi)兩種吸收劑的固氯效果較好；進一步提高加熱溫度，固體樣本生成氯化氫速率開始降低，但與上述溫度參數(shù)對氯化氫生成量的影響數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，氯化氫濃度含量大幅降低，也就是說兩種吸收劑的固氯效率也在降低；尤其是當(dāng)加熱溫度升高至700 ℃時，由于吸收劑中的碳酸鈣藥品自身發(fā)生熱解，降低了固氯藥品含量，同時氧化鈣自身也會進行可逆反應(yīng)，影響固氯效率。因此通過上述結(jié)論可以看出，要保證吸收劑藥品良好的固氯效果，反應(yīng)過程應(yīng)綜合考慮吸收劑與待反應(yīng)固體樣本質(zhì)量比以及加熱溫度等多項參數(shù)，保證最優(yōu)狀態(tài)下的固氯反應(yīng)。其中固氯吸收劑藥品與反應(yīng)固體樣本的質(zhì)量比分別為0.8 以及2.0，加熱溫度參數(shù)通常控制在550～650 ℃范圍內(nèi)時，固氯效果較好。

2.4 助燃劑固氯工藝優(yōu)化

由于反應(yīng)固體樣本本身熱值及可燃性較低，為提高待反應(yīng)固體樣本的熱值以及可燃性，本次反應(yīng)在陶瓷砂芯中增加了木屑助燃劑，其熱值可達固體樣本的2 倍以上，通過助燃劑提高反應(yīng)過程熱值，可以保證氯化氫氣體快速溢出，同時加快固氯吸收劑藥品的反應(yīng)速率，因此需要分析木屑助燃劑含量對固氯效果造成的影響。實驗過程中，同樣設(shè)定生成氣體產(chǎn)物的流速為100 mL/min，加熱速率仍為10 ℃/min，分別設(shè)定木屑助燃劑、固體樣本、吸收劑藥品的質(zhì)量比為3∶1∶0.8 以及2∶1∶3 兩種比值下，分析助燃劑對固氯效果的影響。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，在陶瓷砂芯反應(yīng)體系中增加木屑助燃劑，與原反應(yīng)對比熱值提升明顯，同時吸收劑固氯效果也較好，氧化鈣固氯效率可達96%、碳酸鈣固氯效率可達76%左右。

同時通過分析木屑助燃劑反應(yīng)過程中的兩個峰值溫度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱溫度達到340 ℃、450 ℃時，生成氣體產(chǎn)物中氯化氫的濃度達到最大值。這一數(shù)值與未使用助燃劑溫度參數(shù)560 ℃對比可以看出，利用木屑助燃劑進行固氯工藝優(yōu)化，可以更快實現(xiàn)固體樣本分解，木屑助燃劑產(chǎn)生的熱量有助于固體樣本快速進行分解，而又不至于固體樣本本身升高至過高溫度，影響到吸收劑熱解破壞，也就利于固氯反應(yīng)的進行。

3 結(jié)語

通過上述固氯工藝中吸收劑藥品、加熱溫度、助燃劑等多項參數(shù)對比可以看出，選用氧化鈣、碳酸鈣吸收劑藥品以及木屑助燃劑，配比質(zhì)量比在3∶1∶0.8以及2∶1∶3 兩種比值下，同時在加熱溫度340 ℃、450 ℃時，對固體樣本的固氯效果最好。