劉昱瀏

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330031）

對于一般的礦物-金屬-材料的高溫冶金過程，尤其是大宗產品的冶煉生產過程，高溫化學反應通常并不是冶煉生產過程的“短板”，期間的傳質、傳熱及反應產物的移除效率往往決定了生產效率和經(jīng)濟性。此外，在冶煉生產過程中，常常會產生一定量的含SO2和SO3的煙氣，因而需要對冶煉煙氣進行必要的處理。采取的處理方式一般為接觸法制取副產物硫酸，制取過程中通常會產生含砷、銅等雜質的污酸和含有SO2、氮氧化物的廢氣，廢氣需要脫硫脫硝后才能夠達標排放。上述制酸、污酸處理和尾氣脫硫的過程中時常需要通過氣液反應來實現(xiàn)。

超重力技術是一種先進的、適用于需要強化相間傳質、傳熱和混合的多相反應過程的工業(yè)技術[1]，在上述高溫冶金、制酸、污酸處理和尾氣脫硫的過程中具有一定的應用前景。

1 超重力技術

1.1 基本原理

超重力技術最初是由Ramshaw所發(fā)明的，超重力環(huán)境通過旋轉填充（RPB）產生的超過地球重力加速度的離心力場模擬實現(xiàn)，用于精餾等分離過程的強化[2]。

超重力技術的基本原理是充分利用超重力條件下多相物流的特定流動行為，增強各相之間的相對速度以及相互接觸，繼而實現(xiàn)高效的傳質、傳熱過程以及化學反應過程。獲取超重力的方式主要是通過RPB整體或部件形成離心力場，通過變頻器可以方便地調節(jié)電機轉速。

1.2 超重力反應器

超重力可在旋轉反應器條件下模擬產生，在實際應用中，可根據(jù)物料的性質、反應目的、超重力的效果等因素設計相應的反應器。目前廣泛應用的超重力反應器主要有RPB、撞擊流旋轉填料床（ISRPB）、多同心圓柱電極旋轉床（RB-MCCE）、旋轉圓盤反應器（SDR）四種[3]，其中RPB是一種最典型的超重力反應器，液體通常自液體分布器進入到轉子的內側，均勻流過填料，然后離開轉子的外邊緣進入機殼內。研究表明，隨著轉速由300 r/min增加至1 100 r/min，RPB外圍液滴的直徑由1 200 μm減小至400 μm[2]，而氣體則在壓力的作用下在轉子內的填料上從各個方向與液體接觸。填料上的接觸界面是劇烈湍動、快速更新的，起到了強化氣液兩相傳質過程的作用。

1.3 技術優(yōu)勢

超重力技術有許多優(yōu)點[2]，主要包括：

1）微攪拌效率和傳質效率高，傳質系數(shù)比傳統(tǒng)填料床高1～3個數(shù)量級。

2）設備體積小、操作簡單。

3）設備轉子具有較好的自潔性，不易結垢和堵塞。

4）適用于處理貴重、有毒、易燃的物料。

2 超重力技術在冶煉及冶煉煙氣制酸中的應用

2.1 高溫冶金和材料制備

超重力技術因其特有的反應過程強化及定向分離技術優(yōu)勢，不僅在化工行業(yè)已有廣泛應用，也同樣吸引了冶金行業(yè)相關研究人員的目光。

高溫冶金反應劇烈，在熔渣中會夾帶大量細小的金屬液滴。而傳統(tǒng)的回收方法，例如銅冶煉中的浮選法，回收率低，能耗高，且伴有二次污染。Lan等[4]提出了一種基于超重力技術的銅渣低溫快速分離金屬銅相和富鐵相的新方法。在超重力場中，金屬銅和銅锍沿超重力方向濃縮為銅相，而富鐵渣則向相反方向遷移并迅速與銅相分離。

以線路板為代表的電子廢棄物是一種最典型的富含多種金屬的混和物，通常經(jīng)機械破碎、風選等多種技術得到金屬富集料，然后采用火法或濕法回收各種金屬。目前回收的主要成分為銅和金、鉑等貴金屬，而對錫、鉛等其他有價金屬的回收率相當?shù)?。Meng等[5]開發(fā)了一種新工藝，使用超重力分離從粒狀計算機印刷電路板上回收有價金屬錫、鉛、鋅和銅，采用三步分離工藝選擇性回收金屬或合金并濃縮貴金屬。將濕法冶金工藝與金屬或合金的超重力分離工藝相結合，可以實現(xiàn)電子廢物的閉環(huán)、清潔回收，效率顯著。

在火法冶金過程中，由于熔體黏度大、相間界面張力大，以及熔體湍流返混的存在，使得熔體中的彌散相分離很困難，郭占成等[6]通過搭建的超重力冶金研究實驗反應器實驗發(fā)現(xiàn)，超重力能顯著增大兩相間的重力差和降低相間界面張力，并使物質傳遞具有定向性，合理利用超重力的特點，將超重力技術應用于冶金及材料生產過程中，并結合設備開發(fā)，有望解決高溫冶金和材料制備的一些難題，如復雜礦冶金渣有價組分的分離提取、冶煉渣中金屬液的分離回收、混合金屬液的熔析結晶分離、復雜礦直接還原鐵的渣-金分離；在高端金屬材料方面，應用超重力技術，可望解決近零夾雜物的金屬材料的精煉除雜難題，提高梯度功能材料、金屬-陶瓷復合材料、多孔金屬材料、器件材料表面電沉積修飾的制造水平。

然而，在高溫冶金和材料制備方面仍缺乏專業(yè)的超重力反應器，現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)仍處于實驗室階段，因此，超重力技術在此方面的應用尚有一些難題需要攻克。

2.2 煙氣凈化除塵

在冶煉過程中時常會產生含硫的煙氣，這類冶煉煙氣在經(jīng)過高溫電收塵后需對其中的硫進行回收，目前通常是通過接觸法制取副產物硫酸。在制備硫酸前，需對煙氣凈化除塵，避免對后續(xù)工序的設備、催化劑和成品酸產生不利影響。

當前煙氣凈化工序通常選用泡沫柱洗滌器，煙氣自上而下進入洗滌器的逆噴管，與逆噴管內噴嘴噴出的液體逆向碰撞，在氣液兩相的界面處構建起有著一定高度的泡沫區(qū)。在泡沫區(qū)內氣液兩相充分混合，進行傳熱和傳質，進而達到對氣體進行絕熱蒸發(fā)降溫，同時凈化除去煙氣中雜質的目的。根據(jù)工廠實際生產情況，這類泡沫柱洗滌器的逆噴管壓降通常在1 000～1 500 Pa。

在實際生產中，可以將超重力旋轉床作為一種新型的除塵設備，利用超重力將液相進行擴散，加速整個氣液傳質的過程，能將設備單位體積的生產效率提升1～3個數(shù)量級[2]。在除塵時，通常擔心的是設備的堵塞問題，而在超重力旋轉床中，液體在超重力下會對絲網(wǎng)不斷地進行沖刷，使其不被堵塞，除塵效率得到保證。黃德斌等[7]研發(fā)出了一種超低壓降的除塵設備——超重力平面絲網(wǎng)旋轉床，實驗表明：①當氣量為600 m3/h、液量為0.6 m3/h以上、轉速為1 400 r/min時，旋轉床的除塵總效率均在96%以上，若軸向設置3層平面絲網(wǎng)，除塵總效率則均在97%以上；②若進口氣體中塵(ρ)為4 000 mg/m3，則出口氣體中塵(ρ)可控制在120 mg/m3；③超重力裝置的壓降隨氣量、轉速的增加而增大，其中受氣量影響最大，轉速次之，而壓降受液量的影響則很小，當氣量為800 m3/h、轉速1 400 r/min、液量1 m3/h、軸向設置3層絲網(wǎng)時，設備的總壓降不超過490 Pa，比傳統(tǒng)的泡沫柱洗滌器的壓降降低了50%以上。

通過實驗研究，鄧先和團隊發(fā)現(xiàn)在除塵凈化方面，超重力平面絲網(wǎng)旋轉床有著顯著的優(yōu)勢，基本可以去除所有粒徑超過3.5 μm的粉塵[8]。在這一優(yōu)勢下，如果采用超重力平面絲網(wǎng)旋轉床代替現(xiàn)有制酸系統(tǒng)煙氣凈化工序中的逆噴管，不僅可以極大地提高設備凈化除塵效率，還能夠極大地減小設備的壓損（預期設備總壓力降在500 Pa左右），進而減少制酸系統(tǒng)轉化工序SO2主風機的能耗，達到節(jié)能的效果。

2.3 煙氣脫硫

若冶煉煙氣制酸后的尾氣仍不能達到排放標準，則需要對尾氣進行脫硫處理。

煙氣脫硫根據(jù)硫吸收劑的狀態(tài)，可分為干法、半干法和濕法三種。其中濕法脫硫因其設備簡單，脫硫效率高，在有色冶煉中應用十分廣泛。而超重力技術的優(yōu)勢之一便是可以極大地強化氣液兩相之間的相對速度和相互接觸，實現(xiàn)高效的傳質傳熱以及化學反應過程，因此國內外研究人員已對超重力法煙氣脫硫進行了深入研究并已實現(xiàn)了工業(yè)化應用。

2010年，北京化工大學陳建峰團隊研究開發(fā)了2套超重力裝置，分別用于150 kt/a和200 kt/a產能的硫酸尾氣脫硫工藝，工業(yè)運行結果表明，處理后的尾氣中ρ(SO2)≤200 mg/m3，并具有較高的操作彈性[1-2]。超重力技術在硫酸尾氣脫硫領域中的工業(yè)化應用首次在國內得以實現(xiàn)，為該技術在其他行業(yè)尾氣脫硫領域的應用樹立了良好的標桿。

安徽銅陵華興化工有限公司原有3套硫酸尾氣脫硫裝置，且都采用泡沫塔一級氨法脫硫工藝，脫硫效率一直不高，尾氣超標的情況屢見不鮮。2010年，該廠拆除了Ⅱ系統(tǒng)的尾氣吸收塔，更換為超重力反應器，采用“超重力+一級氨法脫硫”工藝，改造后運行效果良好，脫硫效率可達到94.09%，尾氣基本達標排放[9-10]。

Chu等[11]在實驗室和中試裝置中采用亞硫酸鈉作為脫硫劑，對比研究了RPB和傳統(tǒng)噴淋塔的脫硫效果。結果表明，RPB脫硫率可達到98%，比傳統(tǒng)噴淋塔高6%，且所占空間更小。

2.4 污酸處理

目前，有色金屬銅、鋅、鉛等冶煉過程產生的冶煉煙氣用于制取硫酸的過程中，其凈化工序會產生一定量的污酸，是冶煉廠酸性重金屬廢液的主要來源。污酸中含砷、氟、氯等雜質，還含有鉛、鋅、鎘等其他金屬和不溶性粉塵，同時還含有高價值的金屬，如銅、錸、硒等，成分復雜，毒性大，不能直接送往廢水處理車間，需要進行一定程度的預處理[12]。

目前，國內外普遍采用硫化-中和法處理上述污酸。硫化-中和法是在污酸中加入硫化鈉、硫氫化鈉等硫化物，使之與污酸中的銅、砷等金屬離子反應并生成沉淀，從而除去。但這種方法會引入大量的鈉離子，處理后的廢水很難在廠區(qū)內回用，中和后產生的含砷石膏也難以處理。

針對硫化-中和法的弊端，熊義期等[13]在云錫文山鋅銦冶煉有限公司采用硫化氫法除砷，以硫化氫作為硫化物，使其在硫化槽內與污酸中的砷充分反應，通過三級硫化后污酸中ρ(As)＜30 mg/L，不產生含砷石膏、不引入大量鈉離子，不存在二次污染。硫化氫法除砷的過程是氣液兩相反應，其氣液反應程度決定了對污酸的處理效率，超重力反應器因其特有的反應過程強化能力在污酸處理方面具有一定的應用前景。

然而，超重力反應器應用在污酸處理中存在兩個問題，即反應物的停留時間很短、高速旋轉的反應器會使填料發(fā)生振動而偏移。上述問題可能會使污酸中的重金屬無法完全地去除，可以考慮通過改變反應器的結構型式延長反應時間，例如在單個超重力反應器中采用多級轉子、開發(fā)新型的固定性強的規(guī)整填料、改善流體的運動和分布特性等，需要在實驗室階段或是工業(yè)放大階段采取各種手段開展進一步的研究和試驗。

3 展望

對超重力技術長達30余年的研討、開發(fā)及應用證明，超重力技術是一項極具前景的過程強化技術，具有微型化、效率高、易于放大等顯著特點。超重力技術在高溫冶金和材料制備、煙氣凈化除塵、煙氣脫硫等方面的研究已取得重大進展，且在煙氣脫硫領域已成功實現(xiàn)工業(yè)化應用。隨著污酸處理技術的不斷進步，超重力技術有望在以氣液兩相反應為基礎的污酸處理領域得以應用。超重力技術具有某些傳統(tǒng)技術不具備的優(yōu)勢。此外，也更能滿足廠區(qū)空間要求，對于環(huán)境更加友好。

同時需要指出的是，超重力技術及超重力反應器在某些方面也存在問題應予以關注，如在高溫冶金和材料制備方面仍缺乏專業(yè)的超重力反應器，在污酸處理方面現(xiàn)有超重力反應器內流體的停留時間不足、反應器內填料的穩(wěn)定性不足等，需要進一步試驗或開發(fā)；在超重力技術微觀尺度的機理模型、宏觀尺度的流體動力學等方面亦需要進一步的研究；超重力裝置在規(guī)?；a業(yè)化等方面亦需要進一步拓展。在將各難題一一攻克后，超重力技術有望成為21世紀冶煉及化工領域的重要技術之一。