工业生产中氯气的吸收与再利用

侯 俊，王三反，汪孔泉，张文泉，李爱玉

(1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730070)



工业生产中氯气的吸收与再利用

侯 俊1,2，王三反1,2，汪孔泉1，张文泉1,2，李爱玉1,2

(1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

介绍了国内外氧气吸收与再利用现状，包括合成盐酸法、溶剂吸收法、生产液氯法、碱液吸收法等，对其回收与再利用进行了探讨,并对其中涉及的几种方法进行了比较分析。

工业；氯气；吸收；再利用

1 引言

氯气是一种具有强氧化性的黄绿色气体，因其价格低廉，在生产与生活中具有广泛的应用，是许多领域所需的重要原料。氯气主要用于制备盐酸、农药、炸药、有机染料及三氯乙烯、氯化苯、氯乙醇等多种氯化物[1]；可用于纸张的漂白、饮用水及布匹的消毒；同时还用于合成橡胶、塑料、石油化工产品以及有色金属和稀有金属的冶炼工艺。在工业生产中，氯气常被用来制造杀虫剂、消毒剂、溶剂、合成纤维等。此外，氯气还可以处理某些工业废水，将具有还原性的有毒物质如H2S、氰化物等氧化成无毒物质[2]。然而，氯气又是一种具有窒息性的有毒气体，它会对人体健康造成危害，影响动植物的生长且损害多种器物，对环境造成了一定的负面影响[3]。因此，在使用氯气的过程中，必须采取安全的防护措施，一旦氯气发生泄漏，应立即做好安全保护并迅速离开现场，以免吸收过量的氯气而危害人体健康；同时还要建立可靠的氯气吸收与再利用系统，使氯气得到最大限度地利用。

2 国内外氯气吸收与再利用现状

氯气因其刺激性、剧毒性，危害着人类健康，污染着环境。为此，国内外的专家学者都在寻找一种科学、环保且经济有效的吸收方法。目前国内外氯气吸收与再利用的方法主要有合成盐酸法、溶剂吸收法、生产液氯法、碱液吸收法、亚硫酸钠吸收法和氯化亚铁吸收法等方法。

2.1 合成盐酸法

此方法是将尾气中的氯气经过干燥、净化等工序处理后，与氢气发生化合反应，生成HCl气体，将HCl气体溶于水或用水喷淋后形成HCl溶液即成盐酸，防止了对空气的污染。合成后的盐酸可以制备有机与无机化合物，还可用于皮革的加工、钢材的酸洗以及除锈剂、洁厕灵等日常用品。其化学反应方程式如下：

H2+Cl2=2HCl

工艺流程如图1。

图1 工艺流程

2.2 溶剂吸收法

此方法是用除水以外的无机或有机溶剂来吸收氯气，将吸收后的溶剂进行加热，解吸出纯氯气，解吸后的溶剂可以循环利用，含氯的溶剂还可以用作生产过程中所需的生产原料。其工艺流程如图2。

图2 工艺流程

2.3 生产液氯法

对生产尾气中的氯气进行干燥、净化等工序处理，然后冷却加压，可以得到高纯度的氯气，最后进入压缩机使之液化，最终转化为液氯，然后封瓶，进行远距离的运输与使用[4]。目前水厂常将液氯用作经济且效果良好的消毒剂，该方法适用于氯气纯度高且产量大的大型氯碱厂。目前氯气液化的主要方法有低温低压和高温高压两种方法。

2.3.1 低温低压法

低温低压法有氨-氯化钙水溶液法和氟利昂法。氨-氯化钙水溶液法工艺特点：历史悠久，技术成熟可靠，但因其流程长、投资多、占地面积大、生产环境差，且由于氯化钙水溶液腐蚀性较大，易腐蚀管道及设备等缺陷，目前已逐步被淘汰。氟利昂法虽然没有氨-氯化钙水溶液法技术纯熟，但其工艺先进，流程短，设备投资少，生产环境好，占地面积较小，与同等规模的工艺相比较，该工艺占地面积仅为氨-氯化钙水溶液工艺的1 / 3，耗电少，电耗比氨法节省了35%，寿命长，操作简单，维修量小；其缺点是噪声大，对原氯中水含量要求高[5]。

2.3.2 高温高压法

高温高压法是将氯气的运输与液化工艺相结合，节省了低温制冷设备的需要，大大降低了能耗，缩短了氯气液化流程。高温高压法具有操作简单、工艺流程短、设备少、占地面积小、成本低等优点，避免了液氯的循环损失，减少了劳动力，避免了设备及管道的腐蚀，具有较高的液化安全性能，有利于实现液氯自动化生产。其缺点是工作压力大，对所需的设备材料与焊接要求高，对氯气的纯度要求也高[6]。往复式压缩机压缩和液环式压缩机压缩是目前高温高压法最主要的两种方法，我国主要采用液环式压缩机压缩的方法。液环式压缩机压缩生产液氯工艺中的单级压缩，因设备少，占地面积小，操作简单，安全系数高等特点，使其成为国内高温高压法液氯生产的主要工艺。其工艺流程如图3。

图3 工艺流程

2.4 碱液吸收法

用氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)或氢氧化钙(Ca(OH)2)等碱性溶液作为吸收剂，与生产尾气中的氯气发生反应后生成氯化盐和次氯酸盐。其化学反应方程式如下：

2NaOH+Cl2= NaCl+NaClO+ H2O

其工艺流程如图4。

图4 工艺流程

2.5 亚硫酸钠吸收法

将亚硫酸钠溶液作为还原剂，与尾气中的氯气发生反应，在反应过程中，氯气作为氧化剂被还原成氯化氢，亚硫酸钠作为还原剂被氧化成硫酸钠，生成的稳定产物硫酸钠可以用来制造玻璃、纸浆、干燥剂、制冷混合剂、饲料等。其化学反应方程式如下：

Na2SO3+Cl2+2NaOH=Na2SO4+2NaCl+H2O

其工艺流程如图5。

图5 工艺流程

2.6 氯化亚铁吸收法

该方法是用工业盐酸与废铁屑发生置换反应生成氯化亚铁溶液，氯化亚铁溶液与废铁屑组成的吸收液再与氯气发生氧化还原反应，氯气将二价铁氧化成三价铁，三价铁又被吸收液中的废铁屑还原成二价铁，继续吸收氯气，形成循环体系[7]。其化学反应方程式如下：

Fe+2HCl = FeCl2+H2

2FeCl2+Cl2= 2FeCl3

2FeCl3+Fe = 3FeCl2

当吸收槽里的氯化亚铁溶液达到一定浓度时，将氯化亚铁送入聚合反应器中并加入催化剂和稳定剂，同时通入氧气，对氯化亚铁进行催化氧化，生成聚合氯化铁(PFC)。聚合氯化铁(PFC)是一种新型的无机高分子絮凝剂，可广泛应用于给水与排水领域，由于其用量少，水解速度快，去除率高，适用范围广，无二次污染等优点，特别适用于对各种浊度的源水、COD、BOD、悬浮物、微生物等的去除。

其工艺流程如图6。

图6 工艺流程

采用该方法一方面可以吸收氯气，另一方面还可以充分、有效的利用废铁屑，同时生成的聚合氯化铁(PFC)又可用于水处理领域。它不仅具有工艺简单、操作方便、经济等特点，而且还能够生成一种新的副产物。该方法不仅获得了良好的经济效益，而且还取得了较好的环境与社会效益。废铁屑吸收氯气的方法本质上是吸收净化法，吸收净化法是工业废气治理方法中一种常用且重要的方法。吸收过程可分为物理吸收与化学吸收两种。物理吸收法的分离原理主要是气态污染物在不同吸收剂中的溶解能力，而化学吸收法的分离原理主要是气态污染物与吸收剂中活性基团的选择性反应能力。吸收净化法不仅可以净化废气，减少向大气排放的气态污染物，有时还可以得到有用的副产物。相较于化工生产的吸收过程而言，废气吸收净化的一个特点是气态污染物的含量低、产量大，净化所需要求高，这就要求吸收净化过程具有较快的吸收速率与较高的吸收效率，物理吸收法难于满足要求，化学吸收法常常成为首选方案。用废铁屑吸收氯气(Cl2)既有物理吸收又有化学吸收，从影响因素中氯气(Cl2)的溶解度来看，物理吸收很难达到要求，主要还是依靠化学吸收法来吸收氯气。用废铁屑吸收氯气(Cl2)可以生成氯化亚铁，氯化亚铁再进一步的催化氧化可以得到副产物聚合氯化铁(PFC)。利用废铁屑吸收氯气(Cl2)不但没有二次污染，而且生成的副产物又有着非常广阔的应用前景。

3 方法比较

目前国内外氯气吸收回用的方法有很多种，每种方法都有各自的特点和应用，现对几种方法进行比较研究，比较结果见表1。

4 结语

通过对以上几种方法的分析比较可以看出，每种方法都有其自身的特点与适用范围。采用生产液氯法来吸收氯碱工业所产生的氯气，不仅工艺复杂，经济成本高，在液化的过程中消耗大量的能量，要求排放的氯气纯度高，而且该方法仅适合于大型氯碱厂、有色金属冶炼厂的使用。碱液吸收法吸收氯气，虽然吸收速度快，设备简单易操作，但仍有一部分氯气不能被完全吸收，污染工作环境，而使用氨水吸收时虽然能够带来一部分经济收益但由于氨水极易挥发又会对环境造成新的污染，反而加重了环境问题，同时也对资源造成了浪费。所以采用碱液吸收法吸收氯气不但达不到实际生产的要求，而且所需成本很高。用亚硫酸钠吸收法吸收氯气时，所需时间短，与氯气的反应产物硫酸钠也很稳定，且亚硫酸钠易溶于水，需要时易于配制，其本身对人体也无毒害作用，但就亚硫酸钠的吸收量而言，不但没有烧碱的吸收量大，而且还要同烧碱一起使用才能吸收氯气，所以这种治理方法没有得到厂家的青睐。采用氯化亚铁溶液吸收法吸收氯气，不但工艺简单，原材料便宜，废铁屑得到了充分的利用，而且还可以循环使用，无须更换，腐蚀性小。该方法不仅吸收了氯气，而且还生成了有用的副产物聚合氯化铁(PFC)，聚合氯化铁(PFC)在给水、排水领域具有广泛的应用。这样既做到了变废为宝，又可以取得良好的社会、环境与经济效益。

表1 氯气吸收回用方法比较

[1]周兰霞.化工生产中氯气毒性伤害[J].河北化工,2010,33(4):57～65.

[2]北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学无机化学教研室.无机化学(上册)[M].北京:高等教育出版社，1986：398.

[3]邢家悟,刘东升.离子膜制碱操作问答[M].北京:化学工业出版社,2009．

[4]殷宪立.氯氢处理工艺总结[J].氯碱工业, 2006(6):19～20.

[5]胡进录.低压法氯气液化工艺的选择[J].化学工程, 2011,39(8):99～102.

[6]崔亚新,杨红霞.高温高压法液氯生产工艺的优越性[J].氯碱工业, 2008, 44(2): 21～22.

[7]夏红卫,何敬华.自来水厂投氯室漏氯吸收装置的改进[J].给水排水,1999,25(11):69～70.

Absorption and Reuse of Chlorine in Industrial Production

Hou Jun1,2,Wang Sanfan1,2,Wang Kongquan1,Zhang Wenquan1,2,Li Aiyu1,2

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China; 2.WaterResourcesUtilizationinColdandAridAreas,EngineeringResearchCenterofMinistryEducation,Lanzhou,Gansu730070,China)

This paper introduced several methods for the absorption of chlorine gas at home and abroad, including synthetic hydrochloric acid method, solvent absorption, manufacturing method of liquid chlorine,alkali absorption etc.We discussed the recycling and reuse of chlorine, andanalyzed several methods in comparison.

industry; chlorine; absorption; reuse

2016-07-15

国家科技支撑计划项目课题(编号：2015BAE04B01)；国家自然科学基金项目(编号：21466019)

侯 俊(1990—)，男，兰州交通大学环境与市政工程学院硕士研究生。

王三反(1952—)， 男，教授，博士生导师，主要从事水资源利用与保护方面的教学与研究工作。

X701

A

1674-9944(2016)18-0081-03