趙祥迪,孫萬付，徐銀謀,郭建章

(1.中國石化安全工程研究院,山東青島 2660712.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 2660103.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

超重力技術(shù)在?；窔怏w處理中的應(yīng)用

趙祥迪1,3,孫萬付1，3，徐銀謀2,郭建章2

(1.中國石化安全工程研究院,山東青島2660712.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島2660103.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071)

介紹了超重力技術(shù)的作用原理和基本形式，闡述了超重力技術(shù)在脫除硫化氫、氨氣、二氧化硫、氮氧化物以及有機(jī)氣體等方面的研究進(jìn)展與應(yīng)用。所述研究大多是在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，處理效果較傳統(tǒng)設(shè)備有明顯改善，但在工業(yè)化應(yīng)用方面仍需深入研究。

超重力技術(shù) 氣體處理 有機(jī)氣體

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，危險(xiǎn)化學(xué)品用量逐年上升，危化品事故也呈現(xiàn)多發(fā)之勢(shì)，此類?；肺镔|(zhì)多具有毒性、腐蝕性，一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)造成人體健康、環(huán)境污染以及經(jīng)濟(jì)危害，還易引發(fā)社會(huì)恐慌等危害。因此，發(fā)展及研制用于危險(xiǎn)化學(xué)品處置技術(shù)及裝備勢(shì)在必行。

超重力技術(shù)是一種強(qiáng)化相間傳質(zhì)的高效技術(shù)，具有效率高、能耗低、安全可靠以及適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，在?；诽幹妙I(lǐng)域顯示出重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

1 超重力技術(shù)簡(jiǎn)介

超重力技術(shù)有多種形式，根據(jù)氣液接觸方式的不同，可分為逆流旋轉(zhuǎn)床、并流旋轉(zhuǎn)床和錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，超重力旋轉(zhuǎn)床具有強(qiáng)化傳遞效果顯著、氣相壓降小、物料停留時(shí)間短、便于開停車、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，相比重力場(chǎng)其傳遞系數(shù)可提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。逆流超重力旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)如圖1所示。在轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液兩相逆流接觸，使氣液兩相間微觀混合和強(qiáng)化。與逆流旋轉(zhuǎn)填料床不同，并流超重力旋轉(zhuǎn)填料床中氣液兩相進(jìn)行并流接觸；錯(cuò)流超重力旋轉(zhuǎn)填料床轉(zhuǎn)子中氣液兩相進(jìn)行錯(cuò)流接觸。

2 超重力技術(shù)在?；诽幚碇械膽?yīng)用

經(jīng)過近些年的發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)超重力技術(shù)的研究取得了顯著的成果，主要應(yīng)用在硫化氫、氨氣、二氧化硫、氮氧化物以及有機(jī)氣體的脫除等方面。下面介紹超重力技術(shù)在上述幾種氣體處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 逆流超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

2.1 脫除硫化氫

硫化氫具有強(qiáng)刺激性、腐蝕性和毒性，多存在于天然氣開采時(shí)油田伴生氣、煉油工業(yè)廢氣等。傳統(tǒng)塔器多采用濕法氧化吸收，由于重力場(chǎng)較弱，液膜流動(dòng)緩慢，傳質(zhì)效率較低。北京化工大學(xué)研究認(rèn)為超重力技術(shù)在絡(luò)合鐵體系中強(qiáng)化作用最強(qiáng)，耗堿量最少、最經(jīng)濟(jì)[3-5]，采用絡(luò)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(qiáng)于N-甲基二乙醇胺(MDEA)，其脫硫效果優(yōu)于MDEA，但無脫硫選擇性，MDEA可選擇性脫除硫化氫，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)填料床強(qiáng)化傳質(zhì)，脫硫率98.0%以上。中北大學(xué)潘紅霞[9]采用Na2CO3溶液對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行選擇性脫硫?qū)嶒?yàn)研究，在旋轉(zhuǎn)填料床強(qiáng)化傳質(zhì)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(xué)主要進(jìn)行了PDS法脫硫研究[10-13]，超重力設(shè)備在強(qiáng)化傳質(zhì)方面效果突出，具有良好的脫硫效果，并且液膜流動(dòng)速度快，具有自清洗的特點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)設(shè)備硫堵的問題，在某焦化廠建立的對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行脫硫凈化處理的超重力脫硫裝置，處理氣量為10 000 m3/h，平均脫硫效率90%?？梢?，超重力技術(shù)對(duì)天然氣等氣體中的硫化氫脫除具有較大的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

2.2 脫除氨氣

氨氣是一種具有刺激性、腐蝕作用強(qiáng)的危險(xiǎn)化學(xué)品，一定條件下遇明火會(huì)引起燃燒和爆炸。氨氣吸入過多會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p害，能引起肺腫脹，以至死亡[14]。中北大學(xué)針對(duì)磷肥生產(chǎn)工藝廢氣中的氨氣處理進(jìn)行中試研究[15]，在超重力旋轉(zhuǎn)填料床中用生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的酸性廢水進(jìn)行吸收處理，在進(jìn)氣量500 m3/h、氣液比1 000 m3/m3、超重力因子90的條件下，吸收效率達(dá)到90%以上，并且吸收后產(chǎn)物可作為生產(chǎn)原料。北京化工大學(xué)在超重力機(jī)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(jìn)行了耦合吸收NH3和CO2的研究[16-17]，能夠利用超重力技術(shù)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?？梢钥闯?，超重力技術(shù)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(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

2.3 脫除二氧化硫

北京化工大學(xué)[18-21]與中北大學(xué)[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(wěn)定在99%以上，并流工藝中脫硫率為91.5%，逆流式旋轉(zhuǎn)填料床中氨法脫硫率為95%以上，與傳統(tǒng)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(duì)比研究顯示，在超重力場(chǎng)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)脫硫液的再生，脫硫率可達(dá)98%左右，解決了傳統(tǒng)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(zhuǎn)填料床傳質(zhì)系數(shù)高、脫硫效果好、壓降小，并且解決了傳統(tǒng)脫硫設(shè)備易結(jié)垢的問題，在煙氣脫硫方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值。

2.4 脫除氮氧化物

國內(nèi)對(duì)超重力技術(shù)脫除NOX做了大量的研究工作[28-35]，一方面強(qiáng)化NO2的吸收效果；另一方面采用氧化劑將NO氧化為NO2，強(qiáng)化吸收。由于清水無法有效吸收氮氧化物中的NO，超重力設(shè)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(dá)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(chǎng)中Fe2+EDTA絡(luò)合溶液脫硝率達(dá)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(shù)對(duì)硝化車間尾氣脫硝，通過超重力場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)，吸收率達(dá)到85%，吸收效果較好，平均吸收率較清水提高20%左右，兩級(jí)吸收工藝平均吸收率達(dá)96%以上，符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)。超重力技術(shù)應(yīng)用于脫硝領(lǐng)域不僅處理效率高，而且能夠與硝化過程同時(shí)開停車，具有非常好的研究和工業(yè)應(yīng)用前景。

2.5 脫除有機(jī)氣體

在超重力技術(shù)處理有機(jī)氣體方面，國內(nèi)外做了大量的研究[36-40]。對(duì)親水性有機(jī)化合物主要采用水吸收，對(duì)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(jī)化合物傳統(tǒng)處理采用疏水性吸收劑，但其粘度高，傳質(zhì)效果較差。在超重力場(chǎng)中采用硅油吸收廢氣中的甲苯和二甲苯，吸收率高達(dá)95%，旋轉(zhuǎn)填料床可強(qiáng)化高粘度吸收劑吸收疏水性有機(jī)物的傳質(zhì)過程。另外，在旋轉(zhuǎn)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(qiáng)化傳質(zhì)的作用下，吸收率可達(dá)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(jī)化合物的凈化提供了新方法。可見，旋轉(zhuǎn)填料床可有效強(qiáng)化有機(jī)氣體的脫除過程，將會(huì)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)語

超重力旋轉(zhuǎn)填料床設(shè)備體積小、傳質(zhì)效率高，處理效率較傳統(tǒng)設(shè)備明顯改善。上述研究主要是在實(shí)驗(yàn)條件下針對(duì)不同的廢氣物系，結(jié)合合理的吸收工藝進(jìn)行處理，雖然超重力技術(shù)的理論研究取得了顯著的成果，但是工業(yè)化應(yīng)用的成功案例較少。后續(xù)工作應(yīng)當(dāng)深入研究超重力裝置的工業(yè)化應(yīng)用，通過優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)來強(qiáng)化相間傳質(zhì)。雖然超重力裝置還沒有大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)中，但作為一種高效的傳質(zhì)設(shè)備，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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TheApplicationofHighGravityTechnologyinDisposalofHazardousChemicalsGas

Zhao Xiangdi1,3，Sun Wanfu1,3，Xu Yinmou2，Guo Jianzhang2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266071 2.Qingdao University of Science and Technology, Electromechanic Engineering College, Shandong, Qingdao, 266010 3.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao，266071)

This paper outlines the principle and the basic form of high gravity technology, emphatically introduces the application of high gravity technology in chemical industry which includes the removal of hydrogen sulfide, ammonia, sulfur dioxide, nitrogen oxides and organic gases etc. Most of the research was conducted under experimental conditions and the treatment effect was significantly improved compared with traditional equipment，but it still need deeper research in the industrial application.

high gravity technology; gas treatment; organic gas

2016-04-26

趙祥迪，注冊(cè)安全工程師，高級(jí)工程師，碩士，2008年畢業(yè)于中國科技大學(xué)安全技術(shù)與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事化學(xué)事故模擬與爆炸風(fēng)險(xiǎn)研究。