氯酸鹽電解槽廢氣的處理

(福州一化化學(xué)品股份有限公司，福建福州 350717)

電解是氯酸鹽生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)電解過程中產(chǎn)生的廢氣，不能僅停留在處理后達(dá)標(biāo)排放，而應(yīng)對(duì)其實(shí)現(xiàn)綜合利用。據(jù)計(jì)算，年產(chǎn)1×104t氯酸鈉可以產(chǎn)生6.5×106m3氫氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，將這些氫氣用作燃料，按1 m3氫氣折標(biāo)煤0.368 kg[1]計(jì)算就可節(jié)約標(biāo)煤2 392 t，按1 kg標(biāo)煤排放二氧化碳2.498 kg[2]計(jì)算，可以減少二氧化碳排放5 975 t。此外，氫氣作為重要的化工原料，其附加值更大。因此，氯酸鹽企業(yè)如何利用電解槽廢氣，是提高該產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段之一。

1 氯酸鹽電解過程產(chǎn)生的廢氣

在氯酸鹽電解過程中，陽(yáng)極總反應(yīng)為：

(1)

陰極總反應(yīng)為：

(2)

(3)

從以上方程式可見：在電解槽中，理論上僅有的產(chǎn)物是氯酸鹽和氫氣。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于電極材料、工藝控制條件等因素的影響，不同的企業(yè)中電解槽排放的氣體成分不盡相同。中國(guó)普遍采用的汽提外循環(huán)電解槽中，電解氣體參數(shù)為：壓力(表壓)3～6 kPa；溫度≈70 ℃；氣體組成為：w(O2)=2%～4% ，w(Cl2)=0.2%～0.5%，其余為氫氣及在這個(gè)溫度下的飽和蒸汽。每生產(chǎn)1 t氯酸鈉產(chǎn)生的氫氣實(shí)際可達(dá)650～700 m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。

2 電解槽廢氣的處理

2.1 除氯工藝

2.1.1 廢氣的預(yù)處理

電解槽廢氣中的氯氣普遍采用NaOH溶液吸收處理。為減少NaOH溶液的消耗，降低對(duì)后面工序中設(shè)備的腐蝕，應(yīng)對(duì)電解槽廢氣進(jìn)行預(yù)處理，方法為：1)冷卻，將電解槽廢氣通過熱交換器進(jìn)行冷卻，使氣體溫度降到40 ℃左右，這時(shí)約有50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Cl2溶解于水中，生成氯水(主要成分是HCl和HClO)，氯水可以返回氯酸鈉電解系統(tǒng)中，但氯水還會(huì)稀釋電解液，一般情況下1 t氯酸鈉會(huì)增加100 L左右液體，也可以將這些氯水排放到污水系統(tǒng)中處理污水的COD；2)用鹽水吸收，使加入電解槽的鹽水與電解槽廢氣在吸收塔內(nèi)充分接觸，既提高了鹽水溫度，又降低了鹽水的pH。采用該方法時(shí)，應(yīng)考慮到吸收塔的填料在吸收過程中可能產(chǎn)生的腐蝕及機(jī)械損耗，由此造成鹽水中含有雜質(zhì)對(duì)電解的影響。故用這種方法預(yù)處理氣體時(shí)，采用鈦材制造的篩板塔較為合適。

2.1.2 堿液吸收

經(jīng)過預(yù)處理的廢氣中Cl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以降到0.1%以下。將廢氣通過幾個(gè)串聯(lián)的堿吸收塔后，氣體中Cl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以降到2×10-5以下。在設(shè)計(jì)填料塔及選擇填料時(shí)，要盡量減少塔的阻力，控制電解系統(tǒng)壓力<5 kPa。

2.2 除氧工藝

除氯后的氣體中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然在3.0%以上。此時(shí)該氣體若不加以壓縮，在氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4.0%時(shí)，可以直接作為燃料使用。如果需要壓縮貯存，或者用作化工原料，就必須進(jìn)行除氧處理。較為安全的方法是將這種氣體通過以鈀為催化劑、Al2O3為載體的除氧塔處理。在除氧塔中，氧氣與氫氣在鈀催化劑上生成水。該反應(yīng)過程在實(shí)際運(yùn)行中仍然要注意以下幾個(gè)問題。

2.2.1 對(duì)氣體的要求

含Cl2、HCl及帶有NaOH堿沫的氣體帶入除氧系統(tǒng)，不僅造成后系統(tǒng)設(shè)備、管道腐蝕，還會(huì)造成催化劑中毒，影響除氧效果。應(yīng)保證除氯后氣體中w(Cl2)≤2×10-5。同時(shí)氣體在進(jìn)入除氧系統(tǒng)前，應(yīng)通過水洗塔除去氣體雜質(zhì)，并通過除沫裝置器減少氣體夾帶的液態(tài)水分。

2.2.2 氣體的輸送

輸送氫氣比較安全的設(shè)備是水環(huán)式真空泵及壓縮機(jī)，該設(shè)備在工作過程中恒溫，氫氣與機(jī)械在運(yùn)行過程中不直接接觸，在抽吸和壓縮易爆氣體過程中不易發(fā)生危險(xiǎn)。輸送壓力控制約為0.08 MPa。

2.2.3 除氧催化劑的選擇和除氧塔的設(shè)計(jì)

中國(guó)生產(chǎn)除氧催化劑的廠家大部分采用浸漬法生產(chǎn)工藝[3]，在選擇催化劑時(shí)應(yīng)考慮的主要參數(shù)為：1)粒徑，粒徑小,堆積密度相對(duì)較大，脫氧塔阻力較大，較佳的粒徑為4 mm 左右；2)機(jī)械強(qiáng)度，機(jī)械強(qiáng)度差,在運(yùn)行一段時(shí)間后容易粉化，要求機(jī)械強(qiáng)度≥100 N/粒；3)除氧深度、使用溫度、使用壽命、使用空速是催化劑生產(chǎn)廠家技術(shù)含量的綜合體現(xiàn)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度綜合考慮選擇適合的催化劑。其中，使用空速是保證除氧效果情況下的重要指標(biāo)，是除氧工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

除氧塔的工藝設(shè)計(jì)主要考慮催化劑的裝填量和高徑比。裝填量由氣體處理量、使用空速、堆積密度決定。在氯酸鹽電解槽廢氣的處理系統(tǒng)中，除氧塔高徑比為4～5較為適合。由于除氯后的氣體中仍然還有微量的對(duì)催化劑有害的氣體雜質(zhì)，在使用一段時(shí)間后會(huì)使催化劑失效，因此可用系統(tǒng)中的氫氣對(duì)催化劑進(jìn)行再生。在設(shè)計(jì)除氧塔時(shí)，一般應(yīng)設(shè)計(jì)兩個(gè)塔(如A、B塔)，正常情況下兩塔并聯(lián)運(yùn)行。在需要進(jìn)行催化劑再生時(shí)，兩塔串聯(lián)運(yùn)行。做到既可以從A塔進(jìn)B塔出，也可以從B塔進(jìn)A塔出。

3 安全問題

由于氫氣具有易燃易爆的特點(diǎn)，故在氯酸鹽廢氣處理的全過程都必須高度重視。應(yīng)嚴(yán)格按照GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 4962—2008《氫氣安全使用安全技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。為防止氣體在除氧塔反應(yīng)過于劇烈，應(yīng)控制氣體中w(O2)<2%。為此，可將處理后的純氫部分返回到除氧塔進(jìn)氣口，以降低氣體中氧氣含量。

4 結(jié)語(yǔ)

氯酸鹽電解槽廢氣是重要的資源，對(duì)其實(shí)現(xiàn)綜合利用具有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的雙重效益。在利用氯酸鹽電解槽廢氣工藝中，企業(yè)應(yīng)分析氣體成分，根據(jù)不同氫氣用途采用相應(yīng)的技術(shù)。在設(shè)計(jì)與操作過程中，只要嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)規(guī)范執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)廢氣綜合利用，即可有效推動(dòng)氯酸鹽行業(yè)的發(fā)展。

[1] DB21/1617—2008燒堿單位產(chǎn)品綜合能耗、交流電消耗限額及計(jì)算方法[S].

[2] 中國(guó)節(jié)能產(chǎn)業(yè)網(wǎng).碳排放的計(jì)算方法及與電的換算公式[EB/OL].2009-12-10[2011-01-10].http:∥www.china-esi.com/pat/9079.html.

[3] 張?jiān)屏迹?李玉良.工業(yè)催化劑制造與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008：43-44.