CN1003280B - 氧化脱除气体中的硫化氢 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种从合硫化氢气流中回收元素硫的工艺过程。通过气流中的硫化氢和提高了的硫代硫酸盐离子浓度的缓冲溶液,在初始pH值约为4.5~6.5及足够的停留时间进行反应,一部分硫化氢反应生成元素硫,然后元素硫排出,含硫代硫酸盐的贫溶液通过脱除气流中剩余的硫化氢而被氧化再生返回到还原区。
Description
本发明是关于脱除气流中硫化氢的方法。含硫化氢的气流与含硫代硫酸盐离子的水溶液接触反应产生元素硫,再通过硫化氢的氧化作用随后将硫代硫酸盐再生。
硫化氢作为一种污染物常存在于许多气流之中,若未经处理,这些气体是不允许排入大气的,也不能利用其中的组分进行其它生产。多年来已开拓了许多脱除硫化氢气体的工艺过程,以生产基本上不含硫化氢的气体。在这些工艺过程中,很多是用循环方式进行操作并用可再生的氧化剂去氧化硫化氢,从而得到回收的元素硫,这样经过处理后的气体可排入大气或重新被利用。在硫化氢被氧化成元素硫以后,含水吸收介质中的还原了的氧化剂之再生,典型地是通过该含水介质与空气或氧气的接触来实现的。
许多这样的工艺过程常常是在溶液中使用一些相当昂贵的有机原料。本技术领域里的技术人员都熟知在许多所谓湿法脱硫化氢的工艺过程中,特别是处理那些含有机衍生物例如醌类的工艺过程,都存在一个共同的缺点,就是生成一种硫代硫酸盐离子付产物。几经奋斗和努力创造是为了减少或消除氧化液中的硫代硫酸盐及连多硫酸盐。而这些氧化液被用来从气体中吸收硫化氢。例如美国专利4,347,212叙述了几种在这方面的情况。美国专利3,773,662描述了从溶液中除去硫代硫酸盐的工艺过程,此过程引入硫化氢气体到液流中,以分解多硫化物和抑制元素硫在冷却过程中的水解作用,这样增加了硫磺厂的硫回收率。硫代硫酸盐的存在是作为不希望有的污害来处理的。
很久以来已认识到在含水溶液中的连多硫酸盐或硫代硫酸盐可与硫化氢反应生成硫。举一个例子,美国专利1,832,325,介绍了通过硫代硫酸钠氧化成连四硫代酸钠,然后再与硫化氢反应来脱除硫化氢的工艺过程。这篇美国专利同样公开了采用缓冲盐例如碳酸氢钠或磷酸钠来保持氢氧根离子浓度在某一值以下,因为在该值以上,连四硫酸钠不稳定。硫代硫酸盐氧化成连四硫酸盐是通过使用某些镍或钴催化剂来实现的。
美国专利1,937,196叙述了通过碳酸钠溶液和硫化氢反应脱除气体中的硫化氢。该碳酸钠溶液后来通过加热和曝气再生。这篇专利介绍了采用硫代硫酸盐例如硫代硫酸钠,硫代硫酸铵,硫代硫酸锌,硫代硫酸铁及类似物来吸收二氧化硫。而其中硫代硫酸盐是通过与硫化氢接触而获得再生。在与吸收了二氧化硫的硫代硫酸盐溶液的这种接触后,硫得到了回收。
美国专利3,536,618描述了脱除硫的步骤:硫代硫酸铵与气体中的硫化氢反应,然后分解以回收氨,硫化氢,水及元素硫,生成的含水物料可循环使用,即通过一个简单吸收操作脱除烃产品中的硫化物型的盐。这种工艺过程并未涉及净化气体,但确实公开了硫代硫酸盐和硫化氢生成元素硫这一反应。
发表于1984年21日的美国专利4,432,962,叙述了通过与pH值约为5~10的并含有溶解钒、硫氰酸铁、一种羧酸盐的复合试剂、一个或多个水溶性的醌,以及一个或多个能溶于四价钒的水溶性非醌芳烃化合物的可再生的洗涤液接触反应脱除气体中的硫化氢的工艺过程。吸收了的硫化氢转化为元素硫。在洗液氧化再生后,元素硫便可以与再生的溶液分离。
美国专利4,243,648,也描述了硫化氢的脱除和转化方法。在这篇专利中,含有硫化氢的气体与一种可再生的能吸收硫化氢并且能将硫化氢转化成疏水的元素硫颗粒的洗液接触反应,在pH约为5~10,含有溶解的钒、硫氰酸离子、一种四价钒的增溶剂以及一种水溶羧酸复合剂的洗液再生以后,元素硫便可被分离出来。此专利认为这种工艺过程对于酸性天然气脱硫,矿物加工,煤和油页岩分解蒸馏,煤的气化或液化应用地热液体去发电成其它产生含有硫化氢的气体进行加工过程,脱除硫化氢特别有用。
尽管公开了前述先有的工艺技术,但从污染气流中脱除硫化氢的很多工作还要继续去完成,过去硫化氢的脱除仅仅是采用多个单元操作,例如一个胺洗涤器紧接着一套克劳斯(Clous)装置,随后是一尾气处理,而硫仍然留在气流中。在实现本文所叙的发明内容以后,要解决脱除硫化氢及硫的回收问题就显得是简单而又有效了。根据下述说明,本发明的很多优点,将会更加明显。
本发明实现了从含污染物气流中脱除硫化氢及回收元素硫的工艺过程。这种工艺过程是通过将这种污染气流与一提高了的硫代硫酸盐离子浓度的缓冲溶液接触反应,在第一反应区的进口处溶液初始pH值为4.5~6.5,在有足够将气体中一部分硫化氢反应生成硫的停留时间条件下,硫代硫酸盐被还原成元素硫。反应生成的含硫代硫酸盐贫的洗涤气流,通过第二反应区,在该反应区它和现在已成为贫含硫化氢的但增加至少为化学计算量的氧量的气体接触,结果剩留在污染气体中的硫化氢在第二反应区被氧化成硫代硫酸盐,这样提高了溶液中硫代硫酸盐的浓度。现在干净的气体从第二反应区排出,而提高了硫代硫酸盐离子浓度的溶液循环返回到第一反应区和进入的硫化氢接触反应。气流和液体在第二反应区的最初接触反应是在pH值5.0~7.0下进行。
本发明的优点很多。本发明的工艺过程能很容易地用于处理硫化氢浓度范围很宽的许多污染气体,从含有少量硫化氢的废气到炼油厂排出的基本上是纯的硫化氢气体;它不形成有害的二氧化硫气体即可将硫化氢脱除;它特别适用于回收硫过程中对含有硫化氢和二氧化碳的天然气脱硫过程中排出的酸性气体的处理,其结果二氧化碳能用于强化了的油回收方法。
本发明的操作方法中,最好的另一个优点是被处理的污染气体的硫化氢浓度变化很大也能适应,而不破坏其可操作性,它可以从下面的讨论将会看到。
因此本发明的新颖优点被作为本发明的特征,将在权利要求书中公开。虽然它并没有限制发明本身,但是它的结构和与它的应用对象及优点连结在一起的操作方法,将通过阅读下面的一个具体实例的描述结合看附图,得到最好的理解。
图1表示了本发明的工艺流程。
图2以图示的形式表示本发明工艺过程的一个最好实例。
虽然,过去认为,在回收以流化氢形态存在于气流中的元素硫的方法中,吸收水溶液中存在的硫代硫酸盐是有害的,但是,现在已发现所使用的水溶液中存在的硫代硫酸盐离子对从气流中以元素硫的形态回收硫化氢是有利的。本发明的工艺过程利用两个反应区进行操作。在一个反应区硫代硫酸盐离子的缓冲水溶液和气体中硫化氢接触反应生成元素硫;在另一个反应区,保留在气流中的硫化氢被氧化,重新恢复了硫代硫酸盐溶液的浓度。
反应区以工程师熟知的各种方式,提供了液气接触反应的场所。例如泡罩塔,全混合反应器或填充床,其中填充床是最理想的。
在第一反应区的反应最好是在元素硫熔融温度即在有利于元素硫从含水吸收溶液中分离出来的温度下进行。维持适宜的操作压力以减少溶液中水的蒸发。使补充的水和化学处理剂减到最少。通常在低压下操作,较合适的最小操作压力是6公斤/厘米2,因为在操作温度下水蒸汽分压是5公斤/厘米2。后面将谈到35公斤/厘米2的较高压力或更高些直至超过150公斤/厘米2都是可用的。气流和较高硫代硫酸盐离子浓度缓冲水溶液初始接触反应发生在pH值的范围4.5~6.5,最好是5.5~6.0。在这pH值范围内,溶液中的硫代硫酸盐离子和气体中的硫化氢污染物的接触反应相对较快的。接触反应最好发生在反应区内的固体填料上。例如在鞍形或碳球形或丸形或某些其它熟知的塔的填充物上,虽然催化剂不起作用,但填料的表面确实提供气液之间接触场地,使硫化氢转变成硫。
在本发明工艺过程稳定状态操作时,溶液中硫代硫酸盐离子浓度,按下列方程式使接近一半的气体硫化氢反应生成硫。
Ⅰ 2H2S+2H++S2O <math><msup><mi></mi><msub><mi>=</mi></msup><mi>3</mi></msub></math> /4S+3H2O
而留下的含硫化氢贫气流从第一反应区出来进入第二反应区,其中存在有化学计量足够使剩余的硫化氢氧化的氧量,在稳定状态下,几乎原先硫化氢量的一半,氧化为硫代硫酸盐。这种氧化反应使剩余的硫化氢被除去。这样从第二反应域排出的气流不含或基本不含硫化氢,这取决于对气流的要求。例如对排入大气的气流,其硫化氢浓度50ppm是容许的,也是很容易做到的。当然通过本发明的操作实践,排出的气体会含有相当数量的水,这是因为和气体的接触是在提高的温度下进行,故操作最好将冷凝器和除水罐布置在管线上,以排出冷凝液。
现在提高了硫代硫酸盐离子浓度的溶液从第二反应区排出时的pH值比它进入该反应区时要小,通常pH值要与把再生了的硫代硫酸盐液流重新引入第一反应区,再次和气流中硫化氢接触反应要求的pH值一致,也即维持初始pH值4.5~6.5。
在氧气与含硫化氢的贫气流接触反应之前和在进入第二反应区之前,溶液的pH值主要是通过加碱金属氢氧化物或氢氧化铵到上述溶液来进行控制和调节的。这进口的pH值是调节到5.0~7.0,最好是调节到第二反应区的进口pH值在5.8~6.3,因此这就成为在含硫化氢贫气流经接触反应进行再生作用之前的硫代硫酸盐贫溶液的初始pH值。第二反应区的反应按下式进行:
Ⅱ 2H2S+2O2/2H++S2O <math><msup><mi></mi><msub><mi>=</mi></msup><mi>3</mi></msub></math> +H2O
缓冲水溶液硫代硫酸盐离子以离子化的铵盐、钠盐或钾盐的形式存在,其中以硫代硫酸钠为最好。这是因为硫酸钠(通常称芒硝)的溶解度有限,而且容易从排出的气流中分离。
在本发明工艺过程实践中,进入第一反应区的缓冲溶液按初始pH值为4.5~6.0,该pH值即为从第二反应区回收得到的再生溶液的pH值。
在与含硫化氢气流接触反应后,含硫代硫酸盐贫溶液从第一反应区以高pH值排出,同时元素硫最好在熔化状态下被分离,然后含硫代硫酸盐的贫溶液与碱金属氢氧化物或氢氧化铵液接触,通常用与硫代硫酸盐相同的碱金属的氢氧化物,最好是氢氧化铵和氢氧化钠,以便把进入第二反应区或再生区的溶液的pH值调节到所要求的初始pH值,同时也以便与含有至少为化学计量氧的气体接触反应。当含硫化氢的气流的稀释作用不重要时,氧气能以气体混合物例如空气引入,当不能稀释时,例如氮气在空气中的情况,则把纯氧引入反应区。
本技术领域的技术人员通常都采用碱金属碳酸盐,碱金属酸式磷酸盐,碳酸铵或磷酸铵制备缓冲溶液,使溶液的pH值在5.0~7.0。缓冲溶液以如酸式磷酸盐、酸式磷酸钠为最好。缓冲溶液最好还加入碱金属氢氧化物。当二氧化碳在气体中存在时,部分或全部缓冲作用可通过就地生成碳酸盐缓冲溶液来实现。
现在再来参看附图,特别是图1,含硫化氢的气流通过管14进入,与提高了硫代硫酸盐离子浓度的缓冲溶液在选定的pH值4.5~6.5,最好是5.5~6.0的条件下,在第一反应区10进行接触反应。溶液是通过管16进入反应器12的。含硫化氢气流与提高了的硫代硫酸盐离子浓度的缓冲溶液在第一反应区反应接触足够长的时间时,使部分硫化氢生成元素硫。停留时间通常用秒来表示。在任何情况下,气流和溶液应有15秒到100秒的接触时间。从这一资料,应用通常的工程参数,工艺工程师能计算出反应器大小及床层直径。
当然在气流含硫化氢量低和溶液含硫代硫酸盐离子浓度高的情况下,所有的硫化氢在第一反应区可以和硫代硫酸盐离子反应,生成元素硫。这是本发明工艺过程的特征之一。如果所有硫化氢是在第一反应区进行反应,那么就没有硫化氢在第二反应区或氧化区用于氧化生成硫代硫酸盐离子。这样上述的硫代硫酸盐缓冲溶液将继续循环使用即在第一反应区和硫化氢反应而不进行任何再生,直到排出口气流中有被氧化成硫代硫酸盐离子的硫化氢为止。这样系统就自身平衡。
相反,如果要被处理的气流中有相当量的硫化氢,那么需要过量的硫代硫酸盐。所有的硫代硫酸盐离子将被还原成元素硫,同时来自第一反应区10的硫化氢将在第二反应区产生大量硫代硫酸盐,直到硫代硫酸盐浓度足可转化气体中一半硫化氢成元素硫而允许另一半硫化氢从第一反应区流出,被氧化成硫代硫酸盐。正是按这种方式,本发明的工艺过程成为自身平衡和能容许气流中硫化氢浓度和突然的改变。这样,可以看出在溶液中硫代硫酸盐离子的浓度并不是关键性的,因为它可以针对硫化氢在气流中的含量在上面公开的pH操作范围内平衡它本身。
再回到图,第一反应区10最好是一个充满了固体填料例如Berl鞍形填料,拉西环填料,英特洛克斯鞍形填料或碳丸形(小球)填料以及类似的能有足够接触表面和反应时间,以使在填料表面形成元素硫的填充反应区。
第一反应区10最好是在元素硫是液态或熔融态即温度在270°F(130℃)和320°F(160℃)之间,最好是在300°F(150℃)的温度下操作,因为在这温度范围熔融的硫有最低的粘度。
因为反应液体是一种水溶液且温度相对比较高,常常是在水沸点以上,因此过程最好是在提高压力情况下进行,尽管提高压力对反应本身是不需要的。为减少第一反应区和第二反应区在发生反应时水的损失,故该二个区均采用提高压力操作。当然,操作压力主要是由被硫化氢污染的气流的来源和产品气体中硫化氢的最终处理来决定。如果产品气体要被送入加压放空的管线上,那么在本发明工艺流程的进口端应设置一压缩机,以使气体能在第一种情况下被压缩。这种做法将实实在在地减少过程中的消耗量,并使操作更有效。如果产品气是要排入大气的烟道气,那么将选用某些最小压力,目的是从压力降和水损失的因素来考虑该操作最佳。
在第一反应区10反应后,含硫代硫酸盐离子贫溶液和有元素硫的物料,通过管线18,离开第一反应器12进入硫的分离器20,在那里硫从含硫代硫酸盐离子的贫溶液分离出来,并从分离器20流出,经管线22到一贮罐。含硫代硫酸盐离子的贫溶液通过管线24从硫分离器20排出,通过泵26和管28到包含了第二反应区32的氧化反应器30。这个反应区最好由两个接触床32a和32b组成,它们类似于第一反应区,可充填环或陶质鞍形填料或最好是固体碳球。现在含硫代硫酸盐离子的缓冲贫溶液、通过管线28到正好位于进入第二反应区之前的氧化反应器30,这种含硫代硫酸盐离子的缓冲贫溶液的pH值通过传感器34来测定。在本发明工艺过程的最佳实施例中,这个传感器是和一个与导入碱例如碱金属氢氧化物,最好是氢氧化钠或氢氧化铵敏感的阀门相连。通过管线36调节含硫代硫酸盐离子缓冲贫溶液pH值,以使溶液和气体在第二反应区的最初接触反应的pH值在5.0~7.0,最好是在5.8~6.0进行。
参见还原反应器12。含硫化氢的气流从上面所述的还原反应器流出,通过管38就成为含硫化氢贫气流。在同第二反应区32内的溶液接触之前,含硫化氢贫气流和至少为化学计量的氧气混合,氧气的形式,既可以是纯氧也可以是混合物,如空气。其量应足够根据方程式Ⅱ,把含硫化氢贫气流中的硫化氢转化成硫代硫酸盐离子。按放空的产品气流中硫化氢量的要求,氧气通过管线40进入气流中。如果必要的话,为使产品气流中硫化氢脱除达到要求的量,补充氧气,可通过32a和32b之间管线42,随意注入氧化反应器30内。
在第二反应区32内的氧化反应器30里所维持的温度和压力是根据前面讨论过的第一反应所同样的考虑和判据来选取的,只是如果有元素硫产生的话,量也很少。因为硫化氢氧化是一放热反应,溶液离开排出第二反应区32的温度,可能会比进入反应区的温度高一点。
现在含硫代硫酸盐离子的富溶液,从氧化反应器通过管线44,泵46,管线48和换热器或加热器50排出,在那里含硫代硫酸盐离子的富溶液经管线16重返回到反应器12和第一反应区10。
在稳定状态操作,加热器50通常是仅仅供少量热,但在工艺过程起动时,必须予热含硫代硫酸盐离子的缓冲富溶液。因为硫化氢氧化成硫代硫酸盐是一个放热反应,它基本上补偿了还原反应的热损,而还原反应是吸热反应。在操作时加热器50的热负荷是小的,如必要时也可大些,这完全取决于热损失和操作条件。
在通过第二反应区以后,现在气流已脱净了硫化氢,它通过管线52,从氧化反应器30排出。如果由管线52排出的产品气是要排入到大气的,那就没有兴趣来回收气体中的水蒸汽。如果希望象图1所示的那样,循环使用这样的水蒸汽,那么脱除干净硫化氢的气体应通过冷凝器54和管56到除水罐58,在那里,冷凝水和产品气分离。从除水罐58出来的水,通过管60,泵62和管64,回到含硫代硫酸盐离子的贫溶液的管28。产品气经除水罐58及管66排出,如果产品气是天然气,它将返回到天然气管道;如果产品气是为强化油回收用的二氧化碳,它可以去一管线或去贮槽或去压缩机作进一步加工。留在干净气体中的硫化氢的量,当然是取决于产品气将是作最终用途的要求和规格。本发明工艺过程的最大优点,就是如果希望的话,所有硫化氢实质上都能从气体中脱除。
在本发明工艺过程操作时,一定量的硫代硫酸盐被氧化成硫。如果硫代硫酸钠作为硫代硫酸盐离子的来源而用于缓冲溶液,那么芒硝即硫酸钠被生产出来而且应从系统排放掉。流程图1表示了一股来自管28的其中有含硫代硫酸盐离子的贫溶液的排放物料流70。排放物料经管70到结晶器72,在结晶器硫酸盐结晶出来通过管74从系统排出。从结晶器72分离出来的液体通过管76返回到管28。
虽然前面描述可以信为已足够使一个一般熟悉这一工艺的人能进行本发明的操作。但为了进一步阐述,还要按图2介绍一个对本发明的氧化作用和还原作用反应器协调在一起的实例。
在这具体实例中描述了从天然气回收的二氧化碳和硫化氢作为一种酸性气体(含有少量的甲烷)分离的特殊情况。这个实例的流程如图2所示。含有4%硫化氢的气体进入还原反应器212的第一反应区210,还原反应器212是在一个设有两个反应区的单塔213的上面部份。气体经管214进入,在那里,它和通过管216进入第一反应区210的具有初始pH为5.6的含提高了硫代硫酸盐离子浓度的缓冲溶液接触。接触反应在第一反应区210温度300°F和压力490磅/英寸2(35公斤/厘米2)的条件下进行,然后向下通过作为第一反应区的一个填充碳床到采出盘217,从该盘流出混有在第一反应区210形成的元素硫含硫代硫酸盐离子的贫溶液,通过管218到一个硫分离器220。在分离器内硫和含硫代硫酸盐贫溶液分离,硫是分离器220底部通过管222流出,含硫代硫酸盐离子的贫溶液通过管线228出来再回到一单元反应器213的氧化反应段230并导入到第二反应区232,它同样也是一个填充床,气液接触反应在该填充床完成。引入第二反应区232的含硫代硫酸盐贫溶液温度约为295°F。
在含硫代硫酸盐贫溶液导入第二反应区232之前,pH值是通过传感器234进行测定,该传感器控制一个补充碱235a和补充水235b的控制器,它们可以经管236到管228补充足够量的碱和水,来调节含硫代硫酸盐贫溶液的pH值至6.3。在这一初始pH值条件下,它被加到第二反应区232和溶液接触反应。
通过采出盘217从第一反应区210出来的气体,现在是含硫化氢的贫气流,但仍旧约有原来一半的硫化氢留在气体中,它们通过采出盘217到第二反应区232,在那里和通过管228进入的含硫代硫酸盐贫溶液及通过管240进入的氧接触反应。通过管240进入第二反应区的氧量至少要有足够使剩留在贫含硫化氢气体中的硫化氢氧化成硫代硫酸盐,这样增加了硫代硫酸盐离子在溶液中的浓度,同时也就为循环返回第一反应区210进行了再生。
经管240导入所需氧气的量是通过监测产品气中硫化氢含量的传感器241和一控制器241a来确定的。控制器241a可响应从传感器241发出的信号来计量通过管240进入的氧气量。含硫代硫酸盐离子富溶液从氧化反应段230排出,经管244。泵246和返回管线248,循环回到还原反应区212和第一反应区210。提高了的硫代硫酸盐离子浓度溶液,从氧化反应段230排出pH值约为5.8。
净化了的产品气通过管252和气体出口档板251从氧化反应段230排出。产品气温度280°F(140℃)压力300磅/英寸2(21公斤/厘米2)经换热器253,通过间接换热移出一些热量,将进入反应区的含硫化氢气体加热。产品气然后进入冷凝器254,产品气中的水进一步被冷凝,通过管256到除水罐258在此水被除去,通过管260,泵262及管264返回到进口的气流中,进口气体经管265进入换热器253,经管268到加热器250,这个加热器主要是用于装置开车,也为提高要被处理的酸性气体的温度达到还原反应段212进口条件的要求,增加可能需要的热量。
开车期间,含硫代硫酸盐离子的富溶液从管248流出,通过管272,在那里,它和通过管268进来的酸性气合在一起,然后通过管274进入加热器250,从上述加热器通过管276出来和管214连接,把混合气体导入反应器213。加热器250,通过管278获得燃料气,它的操作是通过测量管线276上的气流温度的传感器280来控制的。响应传感器280的一个控制阀282限制了燃料气进入加热器250的量。在上面已讨论过的本发明的实例中,通过管270从含硫代硫酸盐富溶液排出物料,除去在反应中生成的硫酸盐。在该实例中,产品气,仅含有50ppm的硫化氢,通过管266从除水器258流出。经过这样对上述发明的描述,那些一般性熟练工艺的人们都将很容易觉察到对它可作很多变化和改进,这些均包括在本发明所叙述的范围和所附的权利要求书之中。
Claims (2)
1、一种从气流中氧化脱除硫化氢的方法,是使气流在第一反应区内与缓冲水溶液接触反应,以生成含硫化氢的贫气流和含有元素硫的还原水溶液,再将元素硫从该还原水溶液中分离出来,并使该溶液在第二反应区中与含氧气体接触反应以再生该溶液,从中回收初始的缓冲水溶液,其特征在于,在第一反应区中是含有气流的提高了硫代硫酸盐离子浓度的缓冲溶液,其pH值在4.5到6.5之间,而在第二反应区中与含氧气体接触的是降低了硫代硫酸盐离子浓度的还原溶液,其pH值要高于第一反应区的pH值,将在第一反应区产生的含硫化氢的贫气流与还原溶液和含氧气体在第二反应区接触,以提高初始缓冲溶液的硫代硫酸盐离子浓度以及产生进一步降低排出气中的硫化氢。
2、根据权利要求1的方法,其中将含硫化氢贫气流与至少为化学计量的氧在第二反应区接触,以必须将其中的全部硫化氢氧化成硫代硫酸盐的形式。
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