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《安全、健康和環境雜志》2016年第7期

摘要:

介紹了超重力技術的作用原理和基本形式，闡述了超重力技術在脫除硫化氫、氨氣、二氧化硫、氮氧化物以及有機氣體等方面的研究進展與應用。所述研究大多是在實驗條件下進行，處理效果較傳統設備有明顯改善，但在工業化應用方面仍需深入研究。

關鍵詞:

超重力技術；氣體處理；有機氣體

隨著我國經濟的快速發展，危險化學品用量逐年上升，危化品事故也呈現多發之勢，此類危化品物質多具有毒性、腐蝕性，一旦發生事故，不僅會造成人體健康、環境污染以及經濟危害，還易引發社會恐慌等危害。因此，發展及研制用于危險化學品處置技術及裝備勢在必行。超重力技術是一種強化相間傳質的高效技術，具有效率高、能耗低、安全可靠以及適用性廣等優點，在危化品處置領域顯示出重大的經濟價值和廣闊的應用前景［1－2］。

1超重力技術簡介

超重力技術有多種形式，根據氣液接觸方式的不同，可分為逆流旋轉床、并流旋轉床和錯流旋轉床。與傳統設備相比，超重力旋轉床具有強化傳遞效果顯著、氣相壓降小、物料停留時間短、便于開停車、設備體積小等優點，相比重力場其傳遞系數可提高1～3個數量級。逆流超重力旋轉填料床結構如圖1所示。在轉子內氣液兩相逆流接觸，使氣液兩相間微觀混合和強化。與逆流旋轉填料床不同，并流超重力旋轉填料床中氣液兩相進行并流接觸;錯流超重力旋轉填料床轉子中氣液兩相進行錯流接觸。

2超重力技術在危化品處理中的應用

經過近些年的發展，國內外對超重力技術的研究取得了顯著的成果，主要應用在硫化氫、氨氣、二氧化硫、氮氧化物以及有機氣體的脫除等方面。下面介紹超重力技術在上述幾種氣體處理領域的應用。

2．1脫除硫化氫

硫化氫具有強刺激性、腐蝕性和毒性，多存在于天然氣開采時油田伴生氣、煉油工業廢氣等。傳統塔器多采用濕法氧化吸收，由于重力場較弱，液膜流動緩慢，傳質效率較低。北京化工大學研究認為超重力技術在絡合鐵體系中強化作用最強，耗堿量最少、最經濟［3－5］，采用絡合鐵、脫硫催化劑、蒽醌二磺酸鈉三種濕式氧化脫硫體系，硫化氫脫除率99.9%。在醇胺法脫硫的研究方面［6－8］，由于二乙醇胺堿性強于N－甲基二乙醇胺(MDEA)，其脫硫效果優于MDEA，但無脫硫選擇性，MDEA可選擇性脫除硫化氫，經過旋轉填料床強化傳質，脫硫率98.0%以上。中北大學潘紅霞［9］采用Na2CO3溶液對焦爐煤氣進行選擇性脫硫實驗研究，在旋轉填料床強化傳質的作用下，選擇性脫硫明顯提高，在適宜條件下脫硫率95%以上，H2S和CO2脫除率之比為30左右。中北大學主要進行了PDS法脫硫研究［10－13］，超重力設備在強化傳質方面效果突出，具有良好的脫硫效果，并且液膜流動速度快，具有自清洗的特點，避免了傳統設備硫堵的問題，在某焦化廠建立的對焦爐煤氣進行脫硫凈化處理的超重力脫硫裝置，處理氣量為10000m3/h，平均脫硫效率90%。可見，超重力技術對天然氣等氣體中的硫化氫脫除具有較大的工業化應用潛力。

2．2脫除氨氣

氨氣是一種具有刺激性、腐蝕作用強的危險化學品，一定條件下遇明火會引起燃燒和爆炸。氨氣吸入過多會對人體造成嚴重損害，能引起肺腫脹，以至死亡［14］。中北大學針對磷肥生產工藝廢氣中的氨氣處理進行中試研究［15］，在超重力旋轉填料床中用生產工藝產生的酸性廢水進行吸收處理，在進氣量500m3/h、氣液比1000m3/m3、超重力因子90的條件下，吸收效率達到90%以上，并且吸收后產物可作為生產原料。北京化工大學在超重力機中分別以水和飽和氯化鈉溶液、氯化鈣溶液、氯化鎂溶液為吸收液進行了耦合吸收NH3和CO2的研究［16－17］，能夠利用超重力技術將氯化鈣廢液、氯化鎂廢液制備成納米材料，為氯化鈣廢液、氯化鎂廢液以及NH3和CO2氣體的資源化利用提供了一條新途徑。可以看出，超重力技術在危害氣體吸收、廢水處理、納米材料制備等化工過程具有較大的經濟價值和社會價值。

2．3脫除二氧化硫

北京化工大學［18－21］與中北大學［22－27］在SO2脫除方面做了大量的研究，超重力雙堿法脫硫效果較好，在逆流工藝中脫硫率穩定在99%以上，并流工藝中脫硫率為91.5%，逆流式旋轉填料床中氨法脫硫率為95%以上，與傳統氨法脫硫相比脫硫率顯著提高。在NaOH、Na2CO3、Na2SO3三種水溶液中煙氣深度脫硫的對比研究顯示，在超重力場中Na2CO3溶液可以深度脫硫，脫硫率99%，脫硫后煙氣可用于蔬菜大棚補充碳源。在可再生吸收液脫硫研究方面，檸檬酸鹽法與磷酸鈉法均可實現脫硫液的再生，脫硫率可達98%左右，解決了傳統脫硫劑再生困難的問題，并且可使SO2資源化利用。超重力旋轉填料床傳質系數高、脫硫效果好、壓降小，并且解決了傳統脫硫設備易結垢的問題，在煙氣脫硫方面表現出良好的應用價值。

2．4脫除氮氧化物

國內對超重力技術脫除NOX做了大量的研究工作［28－35］，一方面強化NO2的吸收效果;另一方面采用氧化劑將NO氧化為NO2，強化吸收。由于清水無法有效吸收氮氧化物中的NO，超重力設備脫硝率只有64.69%，吸收效果一般。酸堿類吸收劑吸收效果較水有所提高，可達80%，但無法有效吸收NO，存在吸收尾液難以處理的問題。在超重力場中Fe2+EDTA絡合溶液脫硝率達95%，但吸收液在空氣中易被氧化。采用尿素/添加劑溶液、臭氧氧化技術對硝化車間尾氣脫硝，通過超重力場強化傳質，吸收率達到85%，吸收效果較好，平均吸收率較清水提高20%左右，兩級吸收工藝平均吸收率達96%以上，符合國家排放標準。超重力技術應用于脫硝領域不僅處理效率高，而且能夠與硝化過程同時開停車，具有非常好的研究和工業應用前景。

2．5脫除有機氣體

在超重力技術處理有機氣體方面，國內外做了大量的研究［36－40］。對親水性有機化合物主要采用水吸收，對丙酮、醇類等具有較好的處理效果，并且部分處理后的混合溶液可回收再利用。疏水性有機化合物傳統處理采用疏水性吸收劑，但其粘度高，傳質效果較差。在超重力場中采用硅油吸收廢氣中的甲苯和二甲苯，吸收率高達95%，旋轉填料床可強化高粘度吸收劑吸收疏水性有機物的傳質過程。另外，在旋轉填料床中采用具有增溶效果的表面活性劑水溶液脫除甲苯，在強化傳質的作用下，吸收率可達74.2%左右，采用SOVAL溶液脫除油氣，同樣取得了明顯的效果，為疏水性有機化合物的凈化提供了新方法。可見，旋轉填料床可有效強化有機氣體的脫除過程，將會帶來明顯的經濟效益和社會效益。

3結語

超重力旋轉填料床設備體積小、傳質效率高，處理效率較傳統設備明顯改善。上述研究主要是在實驗條件下針對不同的廢氣物系，結合合理的吸收工藝進行處理，雖然超重力技術的理論研究取得了顯著的成果，但是工業化應用的成功案例較少。后續工作應當深入研究超重力裝置的工業化應用，通過優化裝置結構來強化相間傳質。雖然超重力裝置還沒有大規模應用到工業中，但作為一種高效的傳質設備，具有廣闊的發展和應用前景。

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作者:趙祥迪 孫萬付 徐銀謀 郭建章 單位: 中國石化安全工程研究院 青島科技大學機電工程學院 化學品安全控制國家重點實驗室