锌合金工业白烟治理的实验研究

张海龙



锌合金工业白烟治理的实验研究

张海龙

（贵阳铝镁设计研究院有限公司 贵阳 550081）

在实验室内以人工配气为气源，模拟白烟（主要成分是NH4Cl，NH3，和HCl）的生成，基于NH4Cl，NH3和HCl的性质，用不同pH值的溶液作为吸收剂，通过填料塔进行不同喷淋密的吸收操作，探讨此工艺对白烟的去除效果。

白烟；NH4Cl；NH3；HCl；吸收；大气污染

0 引言

在火法冶炼锌合金工艺过程中，为了除去高温状态下锌合金表面生成的氧化物，提高锌合金的纯度，采用高温熔融状态下掺入大量氯化铵晶体造渣以达到提纯的目的。由于氯化铵在高温下挥发出烟雾状气体，使得铝合金车间经常弥漫白色烟雾，极大地污染环境。因此，我们在实验室模拟氯化铵白烟的产生方式，用填料吸收塔来洗涤去除混合烟气中的有害成分，并寻求最佳工艺条件，以求在工业上得到推广应用。

1 白烟成分及危害

火法冶炼锌合金工艺过程中散发的的白色烟雾主要成分为NH4Cl，NH3，和HCl。

1.1 氯化铵

氯化铵为无色晶体或白色结晶性粉末，无臭，味咸，有清凉性，易溶于水，水溶液呈弱酸性反应，在加热时酸性增强。对黑色金属和其他金属有腐蚀，特别对铜腐蚀性更大，而生铁尚能抵抗它的腐蚀。氯化铵加热升华或分解，在100℃时开始有显著的挥发，在328℃时离解为NH3及HCl，遇冷后又重新化合生成颗粒极小（粒径小于1μm）氯化铵，此状态的氯化铵不易下沉，不易溶于水[1]，反应方程式：

NH4Cl⇌NH3↑+HCl↑ （1）

1.2 氯化氢

氯化氢为无色有刺激性气味的气体，溶于水生成盐酸，主要通过呼吸道危害人体健康。长期接触氯化氢可引起喉粘膜刺激，鼻粘膜溃疡，牙齿腐蚀及胃肠疾病等。氯化氢气体对金属也有严重腐蚀作用。因此，氯化氢气体在居民区大气中最高容许浓度一次测定值为0.05mg/m3日平均浓度值为0.15mg/m3。主要用于制染料、香料、药物、各种氯化物及腐蚀抑制剂。

1.3 氨气

氨气，无色气体，有刺激性恶臭味，水溶液呈碱性，它对接触皮肤组织都有腐蚀和刺激作用。可以吸收皮肤组织中的水分，使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。浓度过高时除腐蚀作用外，还可通过三叉神经末梢的反射作用吸收至血液，而引起心脏停搏和呼吸停止。主要用于制造硝酸、炸药、合成纤维、化肥；也可用作制冷剂[20]。氨气与水反应生成氨水，方程式：

NH3+H2O⇌NH3·H2O⇌NH4++OH-（2）

2 实验方案

在实验室内，以人工配气为气源，模拟白烟的生成。基于水溶液对氯化铵颗粒的吸附作用，以及氨气和氯化氢都具有水溶性极强的特性，考虑用纯水及酸性、碱性溶液作为吸收剂的填料塔进行吸收操作，探讨此工艺对白烟的去除效果。填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行。而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。吸收过程机理有惠特曼（WGWhitman）在20世纪20年代提出双膜理论，西格比（Higbie）于1935年提出溶质渗透理论，以及丹克沃茨于1951年对西格比的理论提出改进和修正后的表面更新理论。

1.模拟烟道；2.采样口；3.采气口；4.除雾器；5.喷嘴；6.筛板；7.填料；8.吸收剂；9.水槽；10.水管；11.循环水泵；12.风管；13.新风阀门；14.风机；15.焙烧皿

实验具体做法：取一定量的氯化铵晶体，放入耐氯化铵腐蚀的加热器皿中用电炉进行加热，使晶体分解生成烟气，通过离心风机使烟气经模拟烟道进入填料塔进行吸收，填料选取有较高空隙率、气流阻力小、耐腐蚀的聚丙烯阶梯环。为了提高传质效率，选用逆流操作[2]。通过离心风机的作用，烟气自塔底进入由塔顶排出，吸收液自塔顶喷出由塔底流出在模拟填料塔中通过填料的作用使废气与吸收液充分接触，使混合气体中的化学成分NH4Cl、NH3和HCl被充分吸收，最终处理后的废气直接排空。吸收液经循环水泵循环利用，吸收液分别采用纯水、酸性、碱性溶液进行试验。其流程图见图1。

白烟中NH3与HCl溶于水后发生以下中和反应：

NH3+H2O⇌NH4++OH-（3）

NH4++CL=NH4Cl （4）

由于白烟中NH3与HCl是由NH4Cl加热分解产生，因此理论上二者在水溶液中正好反应完全。

3 去除效率的测定

在烟道的入口以及烟气的排空点分别设采样点，在采样系统中设置滤膜截留氯化铵烟气，用吸收液分别吸收NH3和HCl气体，并设置平行样。采样流量范围为0.2—1.0L/Min，采样体积为4.0—30.0L。采集后的样品马上进行分析。由入口与出口处各样品的浓度，可计算出填料塔去除NH4Cl，NH3，和HCl的效率。

分析项目均按国家环保局编纂的《空气和废气监测方法》（2003年第四版）中的标准方法进行分析。氯化铵烟尘的测定：重量法[3]；氯化氢的测定：硝酸银容量法[4]；氨的测定：水石杨酸-次氯酸钠分光光度法。

4 数据处理及分析

本系统中采用负压操作。分别用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五种不同溶液做吸收剂。每次实验采集5组数据，为了分析不同喷淋量下的处理效率，5组数据分别采集于喷淋量为2m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、8m3/h的五个等级。了保证检测的准确性，每次实验后，补充一定量吸收剂进入循环系统。

4.1 烟气中氯化铵监测分析

在系统进出口处的采样口进行监测，分别用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五种不同溶液在不同喷淋量下次测试5组数据，记录如下图2。

由图2可知无论酸性、碱性还是中性溶液，随着喷淋量的增大，对氯化铵的处理效率都有显著增加。当吸收剂呈碱性时，在同一喷淋量下对氯化氨的吸收效果最好，pH=12喷淋量为8m3/h时处理效率达到93.4%。吸收剂呈酸性时在同一喷淋量下吸收效率次于碱性，pH=2喷淋量为8m3/h时处理效率达到87.6%。而吸收剂为水时吸收效果不如酸性、碱性溶液，喷淋量为8m3/h时处理效率为86.8%。由此可知用碱性溶液吸收氯化氨效果显著。分析其主要原因是碱性溶液对氯化铵的吸收是一种化学吸收，氢氧根离子会与氯化氨中的氨离子发生化学反应，两者结合生成氨水化合物，从而降低了氯化氨的浓度。但氨水化合物性质很不稳定，易分解生成氨气和水，这又会增加烟气中氨的浓度，给氨气的吸收处理带来负担。

图2 氯化铵处理效率渐进图

Fig.2Handle efficiency char of NH4Cl

4.2 烟气中氯化氢监测分析

为了准确监测系统去除氯化氢的效率，分别用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五种不同溶液在不同喷淋量下次测试5组数据，记录如下图3。

由图3可知无论酸性、碱性还是中性溶液随着喷淋量的增大，对氯化氢的处理效率都有显著增加。当吸收剂呈碱性时，在同一喷淋量下对氯化氢的吸收效果最好，pH=12喷淋量为8m3/h时处理效率达到93.9%。吸收剂呈中性时在同一喷淋量下吸收效率次于碱性，喷淋量为8m3/h时处理效率达到85.1%。而吸收剂为酸性溶液时，吸收效果不如碱性溶液与中性溶液，pH=4喷淋量为8m3/h时处理效率为46.7%。由此可知碱性溶液吸收氯化氢效果显著，而用酸性溶液吸收氯化氢效果很差。分析其主要原因为碱性溶液中的氢氧根离子与氯化氢中的氢离子结合成水，从而降低了氯化氢的浓度，而酸性溶液中的氢离子抑制了氯化氢中的氢离子，使氯化氢在酸性溶液中的吸收效果较差。

图3 氯化氢处理效率渐进图

4.3 烟气中氨气的监测分析

与除去氯化氨、氯化氢一样，分别用pH=7、pH=10、pH=12、pH=4、pH=2五种不同溶液做吸收剂在喷淋量为2m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、8m3/h五个等级下测试5组数据，记录如下图4。

图4 氨处理效率渐进图

由图4知无论酸性、碱性还是中性溶液随着喷淋量的增大，对氨气的处理效率都是增大的。当吸收剂呈酸性时，在同一喷淋量下对氨气的吸收效果最好，pH=2喷淋量为8m3/h时处理效率达到80.6%。吸收剂呈中性时在同一喷淋量下吸收效率不如酸性，喷淋量为8m3/h时处理效率为60.5%。而吸收剂呈碱性时吸收效果最差，pH=12喷淋量为8m3/h时处理效率为20.6%。由此可知用酸性溶液吸收氨气效果很好，而碱性溶液吸收氨气效果很差。分析其主要原因为氨气在酸性溶液中与氢离子结合生成氨离子从而降低了烟气中氨气的浓度，而吸收剂呈碱性时，由于氢氧根的存在抑制了氨气的吸收，另外烟气中的氯化氨与碱性溶液作用会有氨气生成，这些原因导致氨气在碱性溶液中的吸收效率很低。

5 结论

本研究着重利用实验室模拟填料吸收塔装置来探讨此工艺对白烟的治理的可行性和经济合理性。根据实验结果，可得出如下结论：

（1）由实验得知吸收剂呈碱性时，在同一喷淋量下对氯化氨的吸收效果显著。pH=12喷淋量为8m3/h时处理效率达到93.4%。吸收剂呈酸性pH=2喷淋量为8m3/h时处理效率达到87.6%。由此可知用酸性溶液吸收氯化氨效果也不错。

（2）由实验得知吸收剂呈碱性时，在同一喷淋量下对氯化氢的吸收效果最好。pH=12喷淋量为8m3/h时处理效率达到93.9%。吸收剂呈中性，喷淋量为8m3/h时处理效率达到85.1%，在同一喷淋量下吸收效率次于碱性吸收液。

（3）由实验得知吸收剂呈酸性时，在同一喷淋量下对氨气的吸收效果最好。pH=2喷淋量为8m3/h时处理效率达到80.6%。吸收剂呈中性时在喷淋量为8m3/h时处理效率为60.5%。而吸收剂呈碱性时吸收效果最差。

由以上结果可知，不同的溶液对白烟中的成分有不同的吸收效果。碱性溶液对氯化氨和氯化氢的吸收效果优于酸性与中性，而酸性溶液对氨气的吸收效果明显优于碱性与中性。鉴于此结果，可尝试用两级吸收法来处理白烟，即一级吸收用碱性溶液做吸收剂吸收烟气中的氯化氨与氯化氢，二级吸收用酸性溶液做吸收剂吸收烟气中的氨气。这样对白烟的处理效果会大大提高。

总的来说，本次试验研究通过利用不同性质的溶液对锌合金工业白烟进行了模拟吸收处理，

实验结果对于锌合金工业白烟的治理具有一定的参考和指导意义。

[1] 天津化工研究院编.无机盐工业手册（第二版）（上册）[M].北京:化学工业出版社,1996,256-257

[2] 吴分苗,胡小吐,梁晓宁.聚丙烯填料塔应用于PCB废气净化的工程实践[J]环境工程,2003,21(5):32-33.

[3] 国家环境保护总局编.空气和废气监测分析方法（第四版）[M].北京:中国环境科学出版社,2003:187-447.

[4] 邵和敏,钟卫民,徐辉.环境监测中氯化氢测定的分析方法实验[J].工业安全与环保,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（通讯作者）简介：张海龙（1981.12-），男，本科，工程师，E-mail：zhanghailong123@126.com