工業(yè)生產(chǎn)中酸霧的控制技術(shù)
摘要： 介紹了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中酸霧的主要來(lái)源、排放特點(diǎn)和造成的危害，重點(diǎn)介紹了液體吸收法、固體吸附法、過(guò)濾法、靜電除霧法、機(jī)械式除霧法和覆蓋法等酸霧控制技術(shù)。
1 酸霧的來(lái)源
通常所說(shuō)的酸霧是指霧狀的酸類物質(zhì)。在空氣中酸霧的顆粒很小，比水霧的顆粒要小，比煙的濕度要高，粒徑為0.1~10 μm，是介于煙氣與水霧之間的物質(zhì)，具有較強(qiáng)的腐蝕性[1]。
酸霧主要產(chǎn)生于化工、電子、冶金、電鍍、紡織(化纖)、機(jī)械制造等行業(yè)的用酸過(guò)程中，如制酸、酸洗、電鍍、電解、酸蓄電池充電等。另外，在一些科學(xué)研究的過(guò)程中，也會(huì)使用到不同的酸[2]。因?yàn)檫@些用酸工藝過(guò)程中使用的往往是多種酸的混合物，所以排放出的廢氣也大多是多種酸霧的混合。
2 酸霧的形成機(jī)理
酸霧的形成機(jī)理主要有兩種：一種是酸液表面蒸發(fā)，酸分子進(jìn)入空氣，與空氣中的水分凝并而形成霧滴；另一種是酸溶液內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，形成氣泡上浮到液面后爆破，將液滴帶出[3]。另外，伴隨酸霧排放過(guò)程不可避免地會(huì)有呈分子態(tài)的酸性氣態(tài)污染物如SO2和NOX等的排放，所以其排放過(guò)程和排放物成分比較復(fù)雜。
3 酸霧的危害
導(dǎo)致大氣酸化的首要污染物是化石燃料在燃燒過(guò)程中排放出來(lái)的二氧化硫和氮氧化物，而酸霧的排放也不容忽視，因?yàn)楹腿紵裏煔庀啾容^，酸霧的腐蝕力更強(qiáng)、毒性更大。例如就硫酸霧來(lái)講，它的毒性比二氧化硫高約10倍之多。
酸霧的排放會(huì)造成工作場(chǎng)所的空氣中酸霧和酸性氣體彌漫，排入大氣后又會(huì)造成大氣環(huán)境中的酸沉降。它不僅危及工人及廠房周圍居民的身體健康[4,5]，腐蝕廠房設(shè)備及精密儀器，造成生產(chǎn)和生活的損失，而且還會(huì)對(duì)農(nóng)作物及其他動(dòng)植物的生存帶來(lái)不良影響[6～9]，造成對(duì)建筑物、文物古跡等的損壞等[10]。
因此，人們?cè)诩訌?qiáng)對(duì)燃煤煙氣、汽車尾氣等進(jìn)行治理的同時(shí)，也迫切需要采取得力措施控制酸霧的排放，以遏制大氣環(huán)境的酸化和酸雨的發(fā)展。
4 去除酸霧的方法
現(xiàn)今控制酸氣排放的方法主要有：液體吸收法、固體吸附法、過(guò)濾法、靜電除霧法、機(jī)械式除霧法及覆蓋法等。下面對(duì)這幾類方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
4.1 液體吸收法
液體吸收一般包括水洗法和堿液中和法。堿液吸收常用的吸收劑有10％的Na2CO3、4%~6%的NaOH和NH3等的水溶液。所采用凈化處理設(shè)備主要有洗滌塔、泡沫塔、填料塔、斜孔板塔、湍球塔等[11，12]。其主要凈化機(jī)理是使氣、液充分接觸，酸、堿中和，從而提高凈化效率。
液體吸收法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資較低，工藝較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是[13]：⑴ 耗能耗水量大、運(yùn)行費(fèi)用高；⑵ 容易帶來(lái)二次污染；⑶ 在北方的冬天還容易因結(jié)冰而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行；⑷ 由于硝酸霧中含有不易溶于水的NO，因此液體吸收法對(duì)硝酸霧的凈化效率比較低。
4.2 固體吸附法
常用的吸附劑有活性炭、分子篩、硅膠、含氨煤泥等。北京工業(yè)大學(xué)研制成功一種可以治理多種酸霧的吸附劑——SDG吸附劑，曾被國(guó)家環(huán)保總局列為1992年最佳實(shí)用技術(shù)和1995年可行實(shí)用技術(shù)[14]。目前該吸附劑已在多個(gè)行業(yè)中得到成功的應(yīng)用。它可以凈化硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸、醋酸、磷酸等各種酸氣(霧)。尤其適用于濃度小于1000 mg/m3的間歇排放的酸洗操作場(chǎng)所。
與現(xiàn)有的其他吸附劑相比，SDG酸霧吸附劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴ 吸附劑原料及制作成本低；⑵ 吸附效率高，吸附容量大；⑶ 吸附過(guò)程以化學(xué)吸附為主，形成的產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定，所以吸附完成后的吸附劑可以直接拋棄，無(wú)需再生，節(jié)約了相應(yīng)的工藝和設(shè)備消耗。吸附法凈化設(shè)備有固定床吸附器、移動(dòng)床吸附器、回轉(zhuǎn)式吸附器等[15]。
吸附法凈化酸霧的優(yōu)點(diǎn)是：⑴ 能比較好地去除伴隨硝酸霧產(chǎn)生的氮氧化物的污染；⑵ 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；⑶ 干式工藝，不產(chǎn)生二次污染。其缺點(diǎn)是：由于吸附劑的吸附容量有限，造成設(shè)備龐大，且過(guò)程為間歇操作。因此，吸附法僅適用于凈化處理酸霧濃度較低的廢氣[3]。
4.3 過(guò)濾法
酸霧過(guò)濾器的濾層主要包括板網(wǎng)、絲網(wǎng)和纖維三種型式。板網(wǎng)除霧器的濾層通常由聚氯乙烯材料制作，交錯(cuò)疊置于設(shè)備內(nèi)。絲網(wǎng)除霧器中的絲網(wǎng)一般由聚乙烯或耐腐蝕不銹鋼材料制作而成。纖維除霧器的纖維材料則以聚丙烯和玻璃纖維居多。圖1和圖2分別為塑料板網(wǎng)和除霧絲網(wǎng)[1]。圖3[3]為文丘里絲網(wǎng)除霧器。圖4[16]為筒式纖維除霧器的一只筒式元件。
 圖1 塑料板網(wǎng) |
 圖2 除霧絲網(wǎng) |
 圖3 文丘里絲網(wǎng)除霧器 |
 圖4 筒式纖維除霧器之筒式元件 |
過(guò)濾法的除霧機(jī)理是：不同粒徑的酸霧滴懸浮在氣流中，由于互相碰撞而凝聚成較大的顆粒，在經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)、板網(wǎng)或纖維層時(shí)，通道彎曲狹窄，在慣性效應(yīng)和鉤住效應(yīng)(咬合效應(yīng))作用下，附著在絲網(wǎng)、板網(wǎng)或纖維上。不斷附著的結(jié)果使細(xì)小的酸液滴增大并降落下來(lái)，最后流入集液箱回用[2]。
過(guò)濾法對(duì)密度較大、易凝聚的酸霧如硫酸霧、鉻酸霧的凈化效果較好，但對(duì)霧滴較小的酸霧去除效果不夠理想，對(duì)氣態(tài)污染物則幾乎沒(méi)有去除能力。
4.4 靜電除霧法
酸霧靜電捕集器是靜電收塵器系列產(chǎn)品中的一個(gè)種類，靜電收塵成為專利技術(shù)后，第一次成功的實(shí)際應(yīng)用便是1907年用于硫酸霧的捕集 [17]。
靜電除霧技術(shù)的工作原理[18]如圖5所示。
 圖5 靜電除霧的工作原理 |
與靜電除塵相仿，通過(guò)靜電控制裝置和直流高壓發(fā)生裝置，將交流電變成直流電送至除霧裝置中，在電暈線(陰極)和酸霧捕集極板(陽(yáng)極)之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，使空氣分子被電離，瞬間產(chǎn)生大量的電子和正、負(fù)離子，這些電子及離子在電場(chǎng)力的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成了捕集酸霧的媒介。同時(shí)使酸霧微粒荷電，這些荷電的酸霧粒子在電場(chǎng)力的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)，抵達(dá)到捕集酸霧的陽(yáng)極板上。之后，荷電粒子在極板上釋放電子，于是酸霧被集聚，在重力作用下流到除酸霧器的儲(chǔ)酸槽中，這樣就達(dá)到了凈化酸霧的目的。
同電除塵器類似，靜電除霧器也有立式、臥式、多管式和線板式等多種型式。
由于靜電除霧器一般處在酸性氣氛中，所以必須使用防腐性能較好的材料制造。常用的材質(zhì)有鉛質(zhì)、硬PVC和玻璃鋼三種類型。其中鉛制靜電除霧器應(yīng)用的歷史最久。除霧器陰極電暈線的材質(zhì)也有很多種，如鎳鉻鋼絲外包鉛、鈦鈀合金線[19]、鈦絲等。
靜電除霧器工作時(shí)要在陰陽(yáng)兩極之間產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)，所以需要兩極都可以導(dǎo)電。一般玻璃鋼或聚氯乙烯等非金屬材料的靜電除霧器采用借助液膜導(dǎo)電的方法[20]；也有用玻璃鋼和石墨混合壓制而成的導(dǎo)電玻璃鋼[11]，或采用在玻璃鋼陽(yáng)極內(nèi)層加一層碳纖維墊[20]的方法來(lái)解決導(dǎo)電問(wèn)題。
靜電除霧器有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴ 除霧效率高，如寶鋼冷軋廠酸洗工藝段采用的靜電除霧器除霧效率高達(dá)99.55% [19]；⑵ 性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)有：⑴ 易產(chǎn)生電暈閉塞、電暈極肥大等問(wèn)題[21]；⑵ 設(shè)備體積大、價(jià)格高；⑶ 適應(yīng)面窄，只適用于硫酸霧和鉻酸霧[22]，并且對(duì)呈分子狀態(tài)的酸性氣體基本無(wú)凈化作用。
4.5 機(jī)械式除霧法
這類方法的原理是借用重力、慣性力或離心力的作用使霧滴與氣體分離，從而達(dá)到凈化目的。常用的設(shè)備有折流式除霧器、離心式除霧器等。
折流式除霧器示意如圖6[3]所示，圖中為折流板的一段，包括兩塊折流板，是構(gòu)成一個(gè)通道的壁。在通道的每個(gè)拐彎處裝有一個(gè)貯器，收集并排出液體，液滴與氣體在拐彎處分離。當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)拐彎處，慣性力阻止液滴隨氣體流動(dòng)，一部分液滴碰撞到對(duì)面的壁上，聚集形成液膜，并被氣流帶走聚集在第二拐彎處的貯器里。這部分在第一個(gè)拐彎處分離出來(lái)的液滴，包括大的液滴和部分靠近第一個(gè)拐彎處外壁運(yùn)動(dòng)的細(xì)滴。剩余的細(xì)滴經(jīng)過(guò)通道截面重新分配后能夠靠近第二個(gè)拐彎處。同樣，部分靠近第二拐彎處外壁的液滴，經(jīng)過(guò)碰撞外壁，聚積成液膜并聚集在第三個(gè)拐彎處的貯器里。最后，經(jīng)過(guò)除霧的氣流離開折流分離器。
 圖6 折流式分離器示意圖 |
離心式除霧器[3]主要適用于分離直徑在0.05～0.4 μm范圍內(nèi)的極微細(xì)的液滴。它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備的防堵性能較好，適用于酸霧中帶固體或帶鹽分的廢氣除霧。其主要原理是：含霧的氣體以約20 m/s的速度進(jìn)入螺旋管道，且流向分離器的中心。當(dāng)氣體流向中心時(shí)，氣體的旋轉(zhuǎn)速度逐漸加大，離心力也逐漸加強(qiáng)。由于這個(gè)向心力場(chǎng)的作用，液滴從氣流中分離并被帶出，從而實(shí)現(xiàn)了氣液分離。在設(shè)備的中心，向含霧氣體中噴射水，有利于液滴分離。噴出的較大水滴會(huì)黏著在旋轉(zhuǎn)氣流中的非常微細(xì)的液滴上。聚集后的液滴積聚在殼體壁上，由氣流把這些液滴帶至排出口。
為了分離吸收塔頂部的霧沫夾帶，進(jìn)一步導(dǎo)致旋流板除霧器的出現(xiàn)。它的作用是使氣體通過(guò)塔板產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用離心力的作用將霧沫除去，除下的霧滴從塔板的周邊流下。該塔板除霧器的除霧效率可達(dá)98％～99％，且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，阻力介于折流板與絲網(wǎng)除霧器之間。如圖7[3]所示。
 圖7 旋流除霧板原理圖 |
機(jī)械式除霧法的優(yōu)點(diǎn)是除霧效率高； 酸液可回收再用； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。其缺點(diǎn)主要在于對(duì)呈分子狀態(tài)的酸性氣體基本無(wú)凈化作用。
4.6 覆蓋法
有些工藝如金屬酸洗工藝使用較大的開放式工藝槽，酸霧不易有效收集，所以采用懸浮塑球覆蓋或用抑霧劑產(chǎn)生泡沫來(lái)封閉液面等方法防止酸霧外溢，這類方法稱作覆蓋法。
懸浮塑球可在酸液液面上形成一層不流通空氣的絕緣層，延緩了酸液的蒸發(fā)和揮發(fā)，該方法可以減少70％以上酸霧的排放[23]。
抑霧劑成分一般為表面活性劑，加入酸液之后可使氣液界面的張力有所降低。這樣使酸液中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡在較小直徑時(shí)周圍就吸附了活性分子膜，向液體表面浮起。這些較小泡沫所含的能量比未加抑霧劑時(shí)產(chǎn)生的氣泡所含能量大大降低，所以沖破液面時(shí)帶出的液體也比不加抑霧劑時(shí)大大減少。上升的氣泡也不會(huì)馬上破裂，而是停留在液面上，當(dāng)很多氣泡停留在液面而不破裂時(shí)，就形成了泡沫。泡沫可以吸收和抑制酸霧的揮發(fā)和排放。
另外，在金屬酸洗工藝中，為了減少酸液對(duì)基體金屬的侵蝕，常常加入緩蝕劑。緩蝕劑一般為有機(jī)成分，可以吸附于待處理金屬表面而形成一層保護(hù)膜，從而將金屬基體屏蔽起來(lái)，大大減少了金屬基體與酸介質(zhì)的作用，這樣既減少了金屬因過(guò)度酸洗造成的損耗，又避免了酸液與金屬基體反應(yīng)產(chǎn)生的氣體帶出更多酸霧[24]。
緩蝕劑抑霧劑同時(shí)加入則起到減少基材的浪費(fèi)、節(jié)約酸洗用酸、治理酸霧等多種作用。
覆蓋法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是有可能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程造成不便或?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量有程度的影響。如采用懸浮塑球覆蓋時(shí)可能引起工件取放不便，使用緩蝕劑則可能造成產(chǎn)品表面出現(xiàn)色斑[25]等。
5 結(jié) 語(yǔ)
隨著社會(huì)的發(fā)展，各國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定日趨嚴(yán)格，對(duì)酸霧控制技術(shù)的要求會(huì)越來(lái)越高，這必將進(jìn)一步促進(jìn)酸霧控制技術(shù)的更快發(fā)展。
但酸霧控制畢竟是末端治理，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，清潔生產(chǎn)已經(jīng)日益收到人們的重視，所以，從生產(chǎn)工藝本身的角度考慮，改進(jìn)生產(chǎn)工藝或采取替代工藝，來(lái)杜絕酸霧的發(fā)生，如用無(wú)氰電鍍代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氰化電鍍工藝[26]，這也正是環(huán)境保護(hù)的發(fā)展方向。
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