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含氯废弃物焚烧烟气中HCl回收及提浓研究

文档作者：文晶文档来源：三峡大学电气与新能源学院		点击数：	更新时间： 2024年07月31日
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第40卷第1期
2018年1月
能源与环保
China Energy and Environmental Protection
V01．40 No．1
Jan． 2018
含氯废弃物焚烧烟气中HCI回收及提浓研究
文晶
(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002)
摘要：根据不同工艺条件下产生的含氯废弃物焚烧的工艺特点，设计了焚烧后烟气中HCl的吸收、解
吸、提浓、精制工艺流程，制备高品质盐酸，吸收后的烟气经碱洗后可达标排放。烟气中HCI的吸收工
艺为：一级等温吸收—，多级绝热吸收一尾气碱洗；杂质含量较少的稀盐酸的提浓精制工艺：稀盐酸一
级过滤—，高纯气体提浓一HCl吸收；杂质含量较多的稀盐酸的提浓精制工艺：变压精馏解吸提浓叶
HCl再吸收及加盐精馏解吸提浓一HCl在吸收过程，该提浓精制技术避免了单纯精馏存在的HCI提
浓困难、盐酸品质较差等弊端，适宜工业化推广应用。
关键词：含氯废弃物；盐酸；吸收；提浓
中图分类号：X78 文献标志码：A 文章编号：1003—0506(2018)Ol一0071—05
Study on recovery and concentration of HCI in flue gas of
incineration of chlorine-containing waste
Wen Jing
(ImtitⅢe of Electrical and New Energy，China Three Gorges University，‰7m喈443002，China)
Abstract：In this paper，the absorption，desorption，enrichment and refining process of HCl in flue gas after incineration were studied ac—
cording to the process characteristics of chlorine waste incineration produced under different process conditions．The high quality hydro—
chloric acid was prepared，alkaline washing can be up to standard discharge standards．The absorption process of HCl in flue gas is：first—
order isothermal absorption·-multi··stage adiabatic absorption—-tail gas caustic washing；dilute hydrochloric acid with less impurity concen--
tration refining process：dilute hydrochloric acid pfimary filtration—high purity gas enrichment—HCl absorption：impurity content of dilute
hydrochloric acid refinement refining process：that is，pressure distillation desorption concentrated·HCl re-absorption and salt distillation
desorption enrichment·HCI in the absorption process，the refinement of refined technology to avoid a simple distillation of the existence
of HCl enrichment difficulties，poor quality of hydrochloric acid and other defects，suitable for industrial applications．
Keywords：chlorine·containing waste hydrochloric acid absorption enrichment；hydrochloric acid；absorption；concentration
O 引言
聚氯乙烯是一种高分子有机聚合材料，分子中
含有将近58％的氯，聚氯乙烯具有质轻、可塑性强
等多种优点，在国内得到r广泛应用。自2007年以
来，我国PVC的需求量以42万t／a的速度增长。
PVC制备过程的氯化、精馏、聚合等工艺会产生大
量的含氯废弃物，这些含氯废弃物具有种类多、结构
复杂、毒性大、危险性高、难于自然降解等问题‘1“。
我国每年能有效回收的废弃PVC材料及制备过程
产生废弃物仅有20％左右(以产量计)，未回收的含
氯废弃物给生态环境带来了难以逆转的负面影
响‘3|。
目前，对含氯废弃物的资源化回收技术主要是
热处理技术，包括焚烧、裂解和气化等，这种方法在
短时间内能达到减容、减量等目的。焚烧可将含氯
收稿日期：2017—08—10；责任编辑：郭海霞DOI：10．19389／j．cnki．1003—0506．2018．01．014
作者简介：文晶(1996一)，女，山西怀仁人，研究方向为电气工程及其自动化。
引用格式：文晶．含氯废弃物焚烧烟气中HCI回收及提浓研究[J]．能源与环保，2018，40(1)：71-75．
wen Jing．Study on recovery and concentration of HCI in flue gas of incineration of chlorine—containing waste[J]．China Energy and Environ—
mental Protection，2018，40(1)：7l-75．
·71·
万方数据
2018年第1期能源与环保第40卷
废弃物分解为无机的二氧化碳、水、氯化氢、氯气和
少量氮氧化物H1。
焚烧烟气中的HCl若未经处理直接排人大气，
会带来严重的污染问题，也是对可回收资源的浪费。
碱液吸收烟气中的HCl，会造成环境的二次污染"1；
以水为溶剂吸收烟气中的HCl，得到的稀盐酸溶液
存在品质差、价格低、运输困难，应用范围较窄。因
此，良好的HCl吸收提浓工艺是含氯废弃物资源化
回收利用的核心技术之一。
本文以流化床焚烧不同工艺下含氯废弃物产生
的烟气为研究对象，通过对烟气中含有的HCl气体
进行吸收制备不同浓度的盐酸溶液。结合相关研究
成果，设计了不同工况下含氯废弃物焚烧后烟气中
HCl回收提浓精制技术，即吸收一变压精馏技术和
吸收一加盐耦合解吸精馏过程。该提浓精制技术避
免了单纯精馏存在的弊端，适宜工业化推广应用。
1低浓度氯化氢的吸收
焚烧过程巾温度的控制是非常重要的，流化床
焚烧可有效避开致癌毒性的二嗯英生成温度区间，
含氯废弃物经焚烧生成HCI反应式如下M’6j：
C。HmClp+U02叫XC02+YCO+ZHzO+
形HCl
其焚烧产生的高温烟气蕴含大量的热能，利用
余热锅炉对余热进行回收。余热回收后，烟气温度
由1 100～1 200℃降至550 oC，在急冷塔中以>550
℃／s冷却速度迅速冷却至100℃以下，可减少二嗯
英物质的生成。川。进入急冷塔的循环盐酸经液体
分布器以雾状形态与烟气接触进行热传递，稀盐酸
汽化吸热可使烟气迅速降温，少量HCl会溶解在稀
盐酸溶液中。循环稀盐酸溶液在喷淋降温过程中会
吸收烟气中的颗粒物杂质，品质较差，不作为产品酸
输出‘8驯。
烟气经急冷塔后，HCl浓度≤10％(体积分数)。
综合考虑盐酸的物性和经济因素，可采用一级等温
吸收一多级绝热吸收工艺，吸收低浓HCl。烟气中
低浓度氯化氢的吸收过程如图1所示。
图1 烟气中低浓度氯化氢的吸收过程
Fig．1 Absorption process of low concentration of hydrogen chloride in flue gas
在石墨降膜吸收器中进行HCl等温吸收。管
程中的循环稀盐酸溶液通过气液并流吸收烟气中的
低浓度HCl。壳程冷却水带走过多的溶解热，使得
吸收过程温度变化幅度不明显¨J。降膜吸收得到
的盐酸溶液，一部分进入提浓系统生产成品盐酸，一
部分补充急冷塔液位。
烟气中的HCl经降膜吸收后，浓度<0．5％，此
时需要提高吸收塔的理论级数，以增强吸收效果。
·72·
烟气进入填料吸收塔，稀盐酸溶液于烟气通过多级
逆流接触对低浓度HCl进一步吸收。多级吸收后
HCt的浓度<0．1％，烟气经碱洗后达标排放。多级
吸收得到的稀盐酸液可补充到一级降膜吸收器的循
环槽中。
正常运行中，烟气中HCl一级等温吸收一多级
绝热吸收工艺只需向水洗塔补充足量的水，以便维
持水洗塔循环盐酸溶液的浓度，保证吸收效果。根
万方数据
2018年第1期文晶，等：含氯废弃物焚烧烟气中HCI回收及提浓研究第40卷
据不同工况下产生的含氯废弃物，焚烧后烟气中
HCI含量的不同，此吸收工艺可得到浓度15％～
25％的稀盐酸溶液‘101。
2稀盐酸的精制提浓
2．1 高纯气体吸收提浓工艺
含氯废弃物焚烧过程中温度控制较好时，经吸
收工艺得到的稀盐酸中炭黑等颗粒物杂质较少，品
质较高。此类盐酸经适当的过滤净化后，与外部引
入的高纯HCI气体在并流换热器内混合，进人石墨
降膜吸收器，进降膜接触吸收，可制得3l％的成品
盐酸[1川，对外输出销售。此工艺归纳为：较纯净稀
盐酸一级过滤_高纯气体提浓一HCl吸收。
高纯HCI提浓工艺流程短，操作简单，安全可
靠。在某多晶硅生产工艺含氯废弃物焚烧项目中使
用此技术制得了优质的工业盐酸，获得了业主的肯
定。但此工艺对稀盐酸的品质(杂质含量)要求高，
不适用于原料组成波动大或烟气杂质含量高的提浓
工况，外供的高纯HCI气体等问题也限制了此工艺
的推广应用。
2．2氯化氢脱吸再吸收工艺
一般而言，含氯废弃物经热解焚烧后的烟气组
分复杂、固含量高、灰分较多，焚烧过程控制复杂，烟
气中颗粒物杂质容易混入稀盐酸溶液中，不能满足
高纯气体提浓工艺对盐酸纯净度(杂质含量)和工
艺的要求。采用HCl脱吸一再吸收工艺对盐酸进
行精制提浓，可避免盐酸吸收液纯净度对提浓工艺
的限制¨}¨1。
此工艺流程为：将低浓度盐酸溶液中的HCI进
行解吸，提高烟气中HC]的浓度，在石墨降膜吸收
器内进行二次吸收，同时利用解吸塔分离烟气中的
固体颗粒物，提浓后的HCl随液相进入塔釜，制得
高品质的盐酸溶液¨⋯。
Hcl—H，0系统的二元相图如图2所示。由此
可知，HCI与水存在共沸点为108．6℃，共沸温度下
HCl一水体系组成：HCl浓度20．4％，水79．6％。在
常规解吸过程中，当进料HCI浓度<20．4％时，解
吸塔顶只能得到HCl—H：0的共沸物，气相中HCl
浓度不高，也不能保证二次吸收过程得到高浓度盐
酸溶液；当进料中HCI浓度>20．4％时，塔釜得到
Hcl—H，O的共沸物，HCI浓度过高不能有效满足分
离要求。因此，需要运用特殊精馏方式破坏共沸体
系，以提高Hcl—H，O分离效果。
图2 常压下HCI—H：O系统的二元相图
Fig．2 Binary phase diagram of HCl—H20 system under
atnlosphedc pressure
常用的特殊精馏方法有：萃取精馏、加盐精馏、
变压精馏、均相恒沸精馏、非均相恒沸精馏和反应精
馏。相关研究表明，适用于稀盐酸脱吸的方法：加盐
精馏；变压精馏¨5|。
(1)变压精馏。由表1数据可知，不同压力下，
共沸物的组成不同，随着压力的增加，HCl与H：O
形成的共沸物的浓度随压力的升高而降低。因此，
可以通过变压精馏方式破坏共沸体系，解吸稀盐酸
中的HCl。其工艺流程如图3所示，工艺流程可归
纳为：变压精馏解吸提浓一Hcl再吸收。
表1 氯化氢与水恒沸物的组成及压力
Tab．1 Composition and pressure of hydrogen cmonde
and water azeotropes
压力／kPa HC|浓度／％ 压力／kPa HCI浓度／％
6．666 23．2 173．319 19．3
13．332 22．9 186．651 19．1
26．664 22．3 199．984 19．0
39．997 21．8 213．316 18．9
53．329 21．4 226．648 18．8
66．661 21．1 239．980 18．7
79．993 20．7 253．313 18．6
93．326 20．4 266．645 18．5
101．325 20．2 279．977 18．4
106．658 20．2 293．309 18．3
119．990 19．9 306．641 18．2
133．322 19．7 319．974 18．1
146．655 19．5 333．306 18．O
159．987 19．4
变压精馏工艺，来自前一工段的稀盐酸和高压
塔塔釜的稀盐酸混合后，从脱吸塔中部进入真空精
馏塔，在脱吸塔的塔顶冷凝得到22％左右的盐酸溶
液，塔釜得到脱吸后的稀酸液(HCl浓度<0．5％)，
·73·
万方数据
2018年第1期能源与环保第40卷
图3变压精馏提浓稀盐酸工艺流程
Fig．3 Process of distillation concentrated distillation
dilute hydrochloric acid process flow chart
稀盐酸溶液与塔顶冷凝液换热后可作为HCl循环
吸收液。塔顶得到的稀盐酸经过换热器升温后由泵
打入高压塔。高压精馏塔塔顶的HCl气体浓度>
60％，经降膜吸收器冷凝吸收后得到3l％的成品盐
酸；高压精馏塔塔釜得到浓度约为18％的稀盐酸，
进入真空系统进行循环吸收¨6|。
变压精馏提浓稀盐酸工艺的优势是不引入其他
物质，有利于保证成品酸的品质，不发生二次污染
物[171；但对石墨降膜设备的吸收效果要求比较高，
再沸器须承受压力>1．0 MPa，温度耐受>180℃。
变压精馏过程接近平衡点，精馏能耗较高。
(2)加盐精馏。在精馏过程中加入适量
CaCl：[18|，将盐溶解于稀盐酸中，H20的蒸汽压下
降，沸点升高，以此破坏Hcl—H：0共沸体系。不同
浓度稀盐酸对盐的溶解度不同，故而不同组分蒸汽
压下降的程度有差别。此精馏方法成本低、效果好，
被广泛应用于HCl提浓纯化过程。加盐精馏工艺
流程如图4所示，此工艺可归纳为：加盐精馏解吸提
浓一HCl再吸收。
CaCI：浓溶液与稀盐酸溶液在搅拌槽内均匀混
合并过滤，进料泵将滤液送人解吸塔塔顶，经液体分
布器以雾状喷淋形式破坏来自前一工段的HCl—
H，0共沸体系，HCl从一次盐酸吸收液中解吸出来，
浓HCl经除雾器除雾后，冷凝器内降膜二次吸收后
得到31％的盐酸溶液；解吸塔塔釜得到含有少量
HCl的CaCl，稀溶液¨91。将塔釜液通过循环泵送人
CaCl，提浓系统，提浓后循环使用。水蒸气经循环
水冷凝后作为吸收水加人吸收循环液储罐，过程气
(烟气)随之进入洗气塔进行第二道洗涤吸收。
加盐精馏工艺简单安全，提浓吸收后的盐酸品
质较高，可满足多数工业生产要求ⅢJ。精馏过程不
·74·
氯化
丁艺
稀盐
图4加盐精馏提浓稀盐酸流程
Fig．4 Salt distillation distillation and dilute
hydrochloric acid flow chart
涉及变温、变压，对设备的耐压、耐温要求并不苛刻，
能源消耗较低，易实现工业化。由于一次稀盐酸吸
收液中颗粒物杂质较多，加盐精馏系统运行一段时
间后必须补充CaCl：的新鲜溶液，会产生含盐和颗
粒物杂质的废水。为防止CaCI：溶液盐析，CaCl：溶
液输送管道需要保温伴热措施【21|。
(3)除炭黑工艺。变压精馏的高压塔和加盐精
馏的解吸塔，是HCl提浓精制制盐酸的关键设备。
精馏塔的空速较低(0．10～O．25 m／s)、喷淋流量较
大(70～100 m3／(m2·h))，综合考虑CaCl：盐析及
杂质堵塞等问题，结合精馏操作曲线和实际经济效
益，特殊精馏工艺选用成本低、耐腐蚀、大通径的塑
料或陶瓷填料。解吸过程的FP为0．8～1．4，采用
散堆填料。来自上一工段的烟气中含有的杂质(主
要为炭黑)，可通过精馏设备中的填料进行有效分
离。综合考虑以上因素，精馏工艺分离炭黑过程选
用460姗的鲍尔环作为精馏塔提馏段填料¨1。精
馏段物料较清洁(杂质含量少)，可选用大孔隙率的
陶瓷波纹填料，减少理论塔板数。塔顶安装丝网除
雾装置，保证成品盐酸的品质。
3结语
本文根据不同工况下含氯废弃物焚烧的工艺特
点，在兼顾环保要求和经济性的前提下，设计了焚烧
后烟气中HCI的吸收、解吸、提浓、精制工艺流程，
制备高品质盐酸，吸收后的烟气经碱洗后可达标排
放。烟气中HCl的吸收工艺为：一级等温吸收-+多
级绝热吸收一尾气碱洗；杂质含量较少的稀盐酸的
提浓精制工艺为：稀盐酸一级过滤-+高纯气体提浓
一HCl吸收；杂质含量较多的稀盐酸的提浓精制工
万方数据
2018年第1期文晶。等：含氯废弃物焚烧烟气中HCI回收及提浓研究第40卷
艺为：解吸一特殊精馏一再吸收。对不同烟气中
HCl回收工艺的优势、劣势和关键设备进行了分析
探讨。本文中工艺设计亦可应用于其他含卤素废弃
物(如含氟有机物)的焚烧烟气中酸的回收、精制、
提浓过程。
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