CN110075697A - 一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用的方法 - Google Patents

一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，所述方法利用电解锰渣与石油亚砜配制浆液吸收SO2形成酸液，同时利用其良好的溶解性能在高效吸收SO2的同时将矿渣中的金属元素进一步溶解，在石油亚砜和金属离子的催化作用下，协同紫外光催化氧化SO2为SO3进而生成硫酸盐。吸收后的浆液静置、沉淀、过滤，固液油三相分离，油相和电解锰渣可循环利用；水相中富集硫酸盐，其中主要成分为MnSO4，可作为电解锰工艺中的电解液资源化使用。本发明工艺简单，脱硫效率高，实现资源循环利用，具有良好的经济效益和环境效益。

Description

一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用的方法
技术领域
本发明属于废渣综合利用和工业废气净化技术领域，具体涉及一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法。
技术背景
我国电解锰工业主要集中在锰矿资源丰富的广西、湖南、贵州、云南、重庆和辽宁等11个省、直辖市、自治区。目前我国已成为全球最大的电解锰生产国、消费国和出口国。2016年，我国电解锰的产量为101万吨，其中约72万吨采用国产碳酸锰矿石生产，受到锰矿品味低、提取及压滤工艺等因素限制，导致每生产1吨电解锰就会产生约9～11吨酸性废渣。目前对电解锰渣的主要处理方式是堆放和填埋。美国和日本等发达国家通常将废锰渣与消石灰混合被固化处理后，掩埋在处理场。我国电解锰企业大多都将废渣输送到堆场，筑坝湿法堆存或掩埋，占用大量的土地资源，同时电解锰尾渣中含有的硫酸盐，以及超过国家排放标准的锰、铜、铬、镍等重金属离子，将对周围土壤环境造成污染，且经过土层渗透，这些重金属离子将进入地表水和地下水中造成水体污染，危害作物生长及人类健康。因此，最大限度限度的降低电解锰尾渣的危害，实现废渣的综合利用、促进电解锰行业可持续发展将具有重要意义。
电解锰尾矿渣为黑色颗粒细小泥糊状粉体酸性固体废弃物。电解锰尾矿渣的含水率较高，平均含水率约为31.97％，其浸出液pH为5.9～6.6，湿渣密度约为2029kg/m3，风干粉碎后紧堆密度约为976kg/m3，粒径30μm以下的比例可达83％。刘胜利研究表明电解锰渣主要成分由SiO2、CaO和Mn等组成，但ω（Mn）在8％以上，可考虑回收。电解锰尾矿渣中主要物相为二水石膏相、石英相及莫来石矿相。李坦平等对电解锰尾渣105℃烘干料进行化学成分研究分析，结果表明烘干料主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和SO3。其中ω（SO3）占21.33％，进而推算ω（CaSO4·2H2O）约为45％，属于含CaSO4·2H2O较高的工业废料。
根据电解锰尾矿渣主要化学成分和矿物组成，电解锰尾渣中含有大量锰合物及其他金属离子。如果利用得当，不仅减轻了电解锰尾渣对环境的污染问题，还可以实现电解锰渣的有效回收和资源化利用，具有良好的经济效益，环境效益和社会效益。目前，对于电解锰尾渣回收及资源化利用展开了广泛的研究。中国专利（ CN107213774A）利用铜冶炼厂尾矿渣与低浓度二氧化硫、有机硫等污染物充分反应，将SO2氧化为硫酸，进一步浸出尾矿渣中的铁与锌，酸浸液经处理后获得含铁物质和金属锌，但该发明要求二氧化硫浓度低，无法对工业废气进行脱硫。中国专利（ CN 201711033847.X）报道了一种利用磷尾矿渣、铁矿渣、铜矿渣、锰矿渣等一系列矿渣粉末按一定比例混合制成多孔材料，作为新型脱硫脱硝剂，但该发明需要经过高温焙烧，操作复杂，回收成本较高。中国专利（CN 201620352025.2）报道了一种利用电解锰矿渣粉代替混凝土，用于路面基础垫层，实现资源化利用，但该发明中电解锰渣没有进行脱硫利用。
目前，关于利用电解锰渣、紫外光和石油亚砜协同吸收催化烟气中的SO2的工艺方法未见报道。
发明内容
本发明提供了一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其是利用石油亚砜与电解锰渣配成的浆液按一定比例制成脱硫浆液，将脱硫浆液通过浆液泵送至矿浆脱硫鼓泡反应器顶端的喷淋装置内，将除尘后的混合气通入脱硫浆液鼓泡反应器低端，利用紫外灯在搅拌条件下，将脱硫浆液与混合气在矿浆脱硫鼓泡反应器内形成逆流向接触反应至结束。石油亚砜浆液一方面作为一种极性非质子溶剂，具有较大偶极矩，对极性气体分子SO2有很好的溶解性能，紫外光与电解锰渣协同作用于石油亚砜表面形成-OH自由基，-OH自由基具有强氧化性，可以将SO2氧化为SO3，SO3进入水相中与电解锰渣中的重金属结合，进一步浸出矿渣中的锰、铁等，且电解锰渣中的Mn2+、Fe2+等金属元素具有良好的催化氧化能力，加快反应速率；另一方面作为一种惰性溶剂，它具有很高的介质效应，在DMSO-H2O，溶液中介电常数小，使得溶液中已电离的离子间缔合而形成离子对的趋势增大，从而进一步加快反应效率，同时将矿渣中的金属元素洗出到反应浆液中。之后通过静置、沉淀，油相、液相、固相三相分离。油相和Mn2+未有效溶出的电解锰渣固相可继续回用调制浆液；中层水相中主要成分为硫酸锰、硫酸铁等，可作为电解锰工艺中电解液使用。
本发明通过下列技术方案实现：一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，包括以下步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气；
2）将电解锰尾矿渣中加水配制成浆液；
3）将步骤（2）所得的浆液与石油亚砜混合均匀，配置成脱硫浆液；
4）反应器中，在紫外光照下将步骤（1）所得预处理烟气与步骤（3）所得脱硫浆液进行逆流接触反应，得到反应浆液和脱硫烟气，脱硫烟气排空，反应浆液静置、过滤，将固相、油相和水相分离，即可。
优选的，步骤（1）中所述的冶炼烟气为金属冶炼尾气、环境集烟烟气或二者的混合气体。
优选的，步骤（2）中所述的浆液的固液质量比为1:（5-10）。
优选的，步骤（3）中所述的浆液与石油亚砜混合比例为质量比（3-7）：1。
优选的，步骤（4）中所述的逆流接触反应的温度为20 ℃-40 ℃，反应至脱硫浆液的pH值为4-6。
优选的，步骤（4）中的烟气停留时间为5s-25s。
优选的，步骤（4）中所述的紫外光波长为150nm-200nm，光照强度为2-5µw/cm2。
优选的，步骤（4）中所述的脱硫烟气中的SO2的浓度低于100mg/m3。
优选的，步骤（4）中所述的油相可以返回步骤（3）中循环利用；水相中包含硫酸锰、硫酸铁可作为电解锰工艺中电解液进一步利用；固相可以直接排放或者返回步骤（2）中循环利用直至Mn2+有效溶出后排放。
本发明涉及的主要化学反应如下：
SO2+H2O↔H2SO3↔H++HSO3 -→H2SO4
SO2+H2O=H2SO3
SO3 2-+2·OH=SO4 2-+H2O
Mn2++SO4 2-=MnSO4
本发明的有益效果如下：
1、本发明将电解锰尾矿渣与石油亚砜、紫外光协同脱除二氧化硫，其中二氧化硫脱除效率大于90％，实现以废治废。
2、本发明中石油亚砜做一种极性非质子溶剂，一方面对SO2有很好的溶解能力，协同紫外光将SO2氧化为SO3；另一方面石油亚砜可以进一步将矿渣中的金属元素溶解在浆液中。
3、本发明中的脱渣废水通过静置、沉淀，油相、液相、固相三相分离。上层油相可继续回用调制浆液；中层水相中主要成分为硫酸锰、硫酸铁等，可作为电解锰工艺中电解液使用。
4、本发明工艺简单，脱硫效率高，实现资源循环利用，具有良好的经济效益和环境效益。
具体实施方案
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施以2000mg/m3二氧化硫钢瓶气，纯度为99.5％氮气钢瓶气，空气泵抽气通过质量流量计均匀混合配制成混合气体A模拟冶炼烟气，其中混合气A的气体流速为1.5L/min，含有质量分数为10％的氧气，SO2的浓度为1200 mg/m3。
一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用的方法，具体步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气A；预处理烟气A的温度为20℃，氧气体积浓度为10％；
2）在电解锰尾矿渣中加入水配制成浆液B；
3）将步骤（2）中所得的浆液A与石油亚砜按质量比3：1混合均匀，配置成脱硫浆液C；
4）反应器中，在紫外光5µw/cm2条件下将步骤（1）所得预处理烟气A与步骤（3）所得烟气脱硫浆液C在矿浆脱硫反应器内形成逆流向接触反应至脱硫浆液的pH值为4时得到反应浆液D和脱硫气体F，脱硫气体F中的SO2的浓度低于100mg/m3排空。
5）将步骤（4）中所得反应浆液D静置，沉淀，过滤。将固相、油相和水相分离。电解锰渣回用与步骤（1）配制浆液；油相石油亚砜溶液回用与步骤（2）继续配制浆液；水相中富集Mn2+和SO4 2-，可继续用作电解锰工业电解液继续使用。
本实施例脱硫气体F中的SO2浓度为98mg/L，脱硫效率为91.9％，符合GB-26132-2010。液相中Mn2+达到38g/L，达到工业电解液的要求，加入适量的液氨，可用作电解锰工业电解液使用。
实施例2
本实施例的冶炼烟气为铜冶炼制酸过程中产生的烟气和环境集烟烟气的混合烟气，混合的烟气量为80000Nm3/h，其中SO2的浓度为2000mg/m3，O2体积浓度为12％。
一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用的方法，具体步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气A；预处理烟气A的温度为30℃，氧气体积浓度为12％；
2）在电解锰尾矿渣中加入水配制成浆液B；
3）将步骤（2）中所得的浆液A与石油亚砜按质量比5：1混合均匀，配置成脱硫浆液C;
4）反应器中，在紫外光3µw/cm2条件下持续搅拌将步骤（1）所得预处理烟气A与步骤（3）所得烟气脱硫浆液C在矿浆脱硫反应器内形成逆流向接触反应至脱硫浆液的pH值为5.3时得到反应浆液D和脱硫气体F，脱硫气体F中的SO2的浓度低于100mg/m3排空。
5）将步骤（4）中所得反应浆液D静置，沉淀，过滤。将固相、油相和水相分离。电解锰渣回用与步骤（1）配制浆液；油相石油亚砜溶液回用与步骤（2）继续配制脱硫浆液；水相中富集Mn2+和SO4 2-，可继续用作电解锰工业中的电解液继续使用。
本实施例脱硫气体F中的SO2浓度为92 mg/L，脱硫效率为95.4％，符合GB-26132-2010。液相中Mn2+达到40g/L，达到工业电解液的要求，加入适量的液氨，可用作电解锰工业中的电解液使用。
实施例3
本实施例的冶炼烟气为铜冶炼制酸过程中产生的烟气和环境集烟烟气的混合烟气，混合的烟气量为100000Nm3/h，其中SO2的浓度为2600mg/m3，O2体积浓度为11％。
一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用的方法，具体步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气A；预处理烟气A的温度为40℃，氧气体积浓度为11％；
2）在电解锰尾矿渣中加入水配制成浆液B；
3）将步骤（2）中所得的浆液A与石油亚砜按质量比7：1混合均匀，配置成脱硫浆液C；
4）反应器中，在紫外光2 µw/cm2条件下持续搅拌将步骤（1）所得预处理烟气A与步骤（3）所得烟气脱硫浆液C在矿浆脱硫反应器内形成逆流向接触反应至脱硫浆液的pH值为5.9时得到反应浆液D和脱硫气体F，脱硫气体F中的SO2的浓度低于100mg/m3排空；
5）将步骤（4）中所得反应浆液D静置，沉淀，过滤。将固相、油相和水相分离。电解锰渣回用与步骤（1）配制浆液；油相石油亚砜溶液回用与步骤（2）继续配制脱硫浆液；水相中富集Mn2+和SO4 2-，可继续用作电解锰工业中的电解液继续使用。
本实施例脱硫气体F中的SO2浓度为95mg/L，脱硫效率为96.3％，符合GB-26132-2010。液相中Mn2+达到39 g/L，达到工业电解液的要求，加入适量的液氨，可用作电解锰工业中的电解液使用。
实施例4
本实施例的冶炼烟气为锌冶炼尾气，其中SO2的浓度为1000mg/m3。
一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气；
2）将电解锰尾矿渣中加水配制成固液质量比为1:5的浆液；
3）将步骤（2）所得的浆液与石油亚砜按质量比3：1混合均匀，配置成脱硫浆液；
4）反应器中，在波长为150nm，光照强度为2µw/cm2的紫外光照下将步骤（1）所得预处理烟气与步骤（3）所得脱硫浆液进行逆流接触反应，反应温度为20 ℃，烟气停留时间为5s，反应至脱硫浆液的pH值为4，得到反应浆液和脱硫烟气，所得的脱硫烟气中的SO2的浓度低于100mg/m3，脱硫烟气排空，反应浆液静置、过滤，将固相、油相和水相分离，即可。所述的油相可以返回步骤（3）中循环利用；水相中包含硫酸锰、硫酸铁可作为电解锰工艺中电解液进一步利用；固相可以直接排放或者返回步骤（2）中循环利用直至Mn2+有效溶出后排放。
本实施例脱硫气体F中的SO2浓度为78mg/L，脱硫效率为92.2％，符合GB-26132-2010。液相中Mn2+达到42 g/L，达到工业电解液的要求，加入适量的液氨，可用作电解锰工业中的电解液使用。
实施例5
本实施例的冶炼烟气为环境集烟烟气，其中SO2的浓度为1600mg/m3。
一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气；
2）将电解锰尾矿渣中加水配制成固液质量比为1:10的浆液；
3）将步骤（2）所得的浆液与石油亚砜按质量比7：1混合均匀，配置成脱硫浆液；
4）反应器中，在波长为200nm，光照强度为5µw/cm2的紫外光照下将步骤（1）所得预处理烟气与步骤（3）所得脱硫浆液进行逆流接触反应，反应温度为40 ℃，烟气停留时间为25s，反应至脱硫浆液的pH值为6，得到反应浆液和脱硫烟气，所得的脱硫烟气中的SO2的浓度低于100mg/m3，脱硫烟气排空，反应浆液静置、过滤，将固相、油相和水相分离，即可。所述的油相可以返回步骤（3）中循环利用；水相中包含硫酸锰、硫酸铁可作为电解锰工艺中电解液进一步利用；固相可以直接排放或者返回步骤（2）中循环利用直至Mn2+有效溶出后排放。
本实施例脱硫烟气中的SO2浓度为80mg/L，脱硫效率为95％，符合GB-26132-2010。液相中Mn2+达到40 g/L，达到工业电解液的要求，加入适量的液氨，可用作电解锰工业中的电解液使用。
实施例6
本实施例的冶炼烟气为铅冶炼过程中产生的烟气和环境集烟烟气的混合烟气；其中SO2的浓度为2400mg/m3。
一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气；
2）将电解锰尾矿渣中加水配制成固液质量比为1:7的浆液；
3）将步骤（2）所得的浆液与石油亚砜按质量比5：1混合均匀，配置成脱硫浆液；
4）反应器中，在波长为180nm，光照强度为3µw/cm2的紫外光照下将步骤（1）所得预处理烟气与步骤（3）所得脱硫浆液进行逆流接触反应，反应温度为30 ℃，烟气停留时间为15s，反应至脱硫浆液的pH值为5，得到反应浆液和脱硫烟气，所得的脱硫烟气中的SO2的浓度低于100mg/m3，脱硫烟气排空，反应浆液静置、过滤，将固相、油相和水相分离，即可。所述的油相可以返回步骤（3）中循环利用；水相中包含硫酸锰、硫酸铁可作为电解锰工艺中电解液进一步利用；固相可以直接排放或者返回步骤（2）中循环利用直至Mn2+有效溶出后排放。
本实施例脱硫气体F中的SO2浓度为67mg/L，脱硫效率为97.2％，符合GB-26132-2010。液相中Mn2+达到44 g/L，达到工业电解液的要求，加入适量的液氨，可用作电解锰工业中的电解液使用。

Claims (9)

1.一种基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将冶炼烟气经除尘预处理得到预处理烟气；
2）将电解锰尾矿渣中加水配制成浆液；
3）将步骤（2）所得的浆液与石油亚砜混合均匀，配置成脱硫浆液；
4）反应器中，在紫外光照下将步骤（1）所得预处理烟气与步骤（3）所得脱硫浆液进行逆流接触反应，得到反应浆液和脱硫烟气，脱硫烟气排空，反应浆液静置、过滤，将固相、油相和水相分离，即可。
2.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（1）中所述的冶炼烟气为金属冶炼尾气、环境集烟烟气或二者的混合气体。
3.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（2）中所述的浆液的固液质量比为1:（5-10）。
4.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（3）中所述的浆液与石油亚砜混合比例为质量比（3-7）：1。
5.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（4）中所述的逆流接触反应的温度为20 ℃-40 ℃，反应至脱硫浆液的pH值为4-6。
6.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（4）中的烟气停留时间为5s-25s。
7.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（4）中所述的紫外光波长为150nm-200nm，光照强度为2-5µw/cm2。
8.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（4）中所述的脱硫烟气中的SO2的浓度低于100mg/m3。
9.根据权利要求1所述的基于电解锰尾矿渣的烟气脱硫及资源化利用方法，其特征在于步骤（4）中所述的油相可以返回步骤（3）中循环利用；水相中包含硫酸锰、硫酸铁可作为电解锰工艺中电解液进一步利用；固相可以直接排放或者返回步骤（2）中循环利用直至Mn2+有效溶出后排放。
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