超重力技术在浮法生产中脱硫除尘的应用探讨
武汉理工大学机电学院 许宁 *之初摘要：超重力技术是一种过程强化的新技术，本文简述了超重力技术的基本原理、结构和方法，首次在浮法生产中脱硫除尘研究及应用进行了探讨。超重力技术是一种过程强化的新技术，在材料、化工、冶金、能源、环保等领域有着广泛的应用前景。超重力工程技术，作为一个全新的技术正日益受到各个领域科学工作者的重视。在地球上，自然界的很多规律都受到地球重力场的作用，作为一个极端的物理条件，超重力环境为各学科的研究注入了新的活力。北京化工大学与美国的CaseWestermReserve大学合作，在原国家科委、国家自然科学基金委员会、外国专家局和原化工部的支持下，在国内建立了第一个超重力工程技术研究中心，开始了超重力工程技术的研究。几年来该中心已制造了用于试验研究、中试和工业应用等不同规格的多台超重机，从研究开发到工业应用，已取得了可喜的成果。一、超重力技术的基本原理在化工、冶金、能源、材料、环保等工业过程中，多相流体间的质量传递与反应是最基本的生产过程之一。在这些过程中大量使用着塔器。这种依赖地球重力场作用进行操作的气液逆流接触设备，受到泛点低和单位体积内有效接触面积小的限制。多年来，塔器虽不断有所改进，但过程的强化并未获得突破性进展。离心力场(超重力场)被用于相间分离，无论在日常生活还是在工业应用上，都已有相当长的历史。但为一项特定的手段用于传质过程的强化，引起工业界的重视是70年代末出现的“Higee”，这是英国帝国化学公司的ColinRamshaw教授领导的新科学小组提出的专利技术。它的诞生最初是由设想用精馏分离去应征美国太空署关于微重力条件下太空实验项目引起的。理论分析表明，在微重力条件下，由于g→0，两相接触过程的动力因素即浮力因子△(ρg)→0，两相不会因为密度差而产生相间流动。而分子间力，如表面张力，将会起主导作用，液体团聚，不得伸展，相间传递失去两相充分接触的前提条件，从而导致相间质量传递效果很差，分离无法进行。反之，“g”越大，△(ρg)越大，流体相对滑动速度也越大。巨大的剪切应力克服了表面张力，可使液体伸展出巨大的相际接触界面，从而极大地强化传质过程。这一结论导致了“Higee”(High“g”)的诞生。显而易见，由于△(ρg)的大幅度提高，不仅是质量传递，而且动量、热量传递以及相关传递。特别是传递控制的化学反应过程，也都会得到强化。不仅使整个过程加快，而且气体的线速度也由于液泛限的升高得到了提高。70年代末至80年代初，英国帝国化学工业公司(ICI)连续提出被称之为“Higee”的多项专利。利用旋转填料床中产生的强大离心力——超重力，使气、液的流速及填料的比表面积大大提高而不液泛。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触，极大地强化了传质过程。传质单元能量级降低了1～2个数量级，并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。从而使巨大的塔器变为高度不到2m的超重机。因此。超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为“化学工业的晶体管”和“跨世纪的技术”。虽然超重力技术的实质是离心力场的作用，但该技术与以往的传统复相分离或密度差分离有质的区别，它的核心在于对传递过程的极大强化。过程强化则是一个具有高度创新内涵的概念，它的目的是把整个工厂的物理尺度缩小，以达到在投资、能耗、环境、安全等全方位的效益。超重力技术正是属于能达到这种全方位效益，而且适用性又广的一种过程强化技术。1、超重机的基本结构和工作原理(1)基本结构。超重机的基本结构示意见图1。(2)工作原理。气相经气体进口管由切向引入转子外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液体进口管引入转子内腔，经喷头淋洒在转子内缘上。进入转子的液体受到转子内填料的作用，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转子外缘。在此过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道加剧了液体表面的更新。这样，在转子内部形成了极好的传质与反应条件。液体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开超重机。气体自转子中心离开转子，由气体出口管引出，完成传质与反应过程。根据不同的需要超重机也有气、液两相并流接触或液相为连续相，而气体以气泡形式通过填料层等不同的结构形式。但无论怎样变化，超重机总是以气、液两相在离心力场中，多孔填料内，进行质量传递与反应为其特征的。2、超重力机的特点(1)极大地强化了传递过程(传质单元高度仅1～3)；(2)极大地缩小了设备尺寸与重量(不仅降低了投资，也增加了对环境的改善)；(3)物料在设备内的停留时间极短(10～100ms)；(4)气体通过设备的压降与传统设备相近；(5)易于操作，易于开停车。由启动到进入定态运转时间极短(1min内)；(6)运转维护与检修方便的程度可与离心机或离心风机相比；(7)可垂直、水平或任意方向安装，不怕振动与颠簸。可安装于运动物体如舰船、飞行器、及海上平台；(8)快速而均匀的微观混合。由于具备了这些特点，世界上许多大的化学公司都在竞相对超重力技术进行开发研究，并进行了一些中试或工业性运行。但商业性应用的报导由于种种原因，迄今未见。据悉已有多个加压、常压装置进行了包括吸收、解吸、萃取、精馏在内的单元操作，既有连续逆流，也有分级错流。超重力机与现有技术的经济性比较见表1。超重力机与传统设备的效率比较见表2。二、超重力技术在浮法生产线脱硫除烟应用探讨它作为一种高新科技，在工业上有重大的应用前景，我国的工业污染在环境污染中约占70%，而二氧化硫的排放约占工业总量的25%，传统的氨吸收法处理技术大多数采用筛板塔(泡沫塔)或复喷复档，由于设备复杂庞大，传质效果差，外加结垢阻塞等问题，实际运行结果大都达不到工艺指标要求，国内已安装上的也无法正常运行，新型脱硫(除尘)技术及设备的研究与开发成为当前迫切需要加强的环保科研课题之一。洛玻集团公司现有7条浮法生产线(另有2条正在建设中)，由于通过燃烧重油和煤气来加热玻璃原料，排放废气中含有大量SO2和烟尘，应治理后排放到大气中，仅以洛玻浮法一线为例，排放量平均为78000m3/h，含有SO2为2668mg/m3，烟尘90mg/m3，每年向大气中排放SO2约为1822.99t，烟尘61.4952t，造成环境极大的污染，同时，为了利用废气余热，一部分排放气体通过余热锅炉生产蒸汽，由于SO2气体含量过高，造成了设备寿命大大降低，平均3～4年必大修一次。而龙玻公司投资200余万元的筛板塔已处于瘫痪状态，不能正常投入使用。洛玻集团公司本部在洛阳市中区，现有浮法熔窑3座，20吨燃煤锅炉3台，年耗油10万吨，年耗煤1.7万吨，新鲜水256.4万吨，是洛阳市环保重点治理单位之一。目前公司一线排放指标如下：由于浮法玻璃生产的工艺特点，熔窑的烟气治理一直缺乏科学、经济有效的脱硫除尘方法，几年来，在如何治理烟气方面，洛玻集团公司与国内外的环保公司始终保持着密切的技术交流，其中与韩国、美国、法国等技术专家也进行了多次实质性的谈判，但还未有具体方案出台。鉴于此，本人提出可以利用超重力技术治理浮法生产线排放废气中SO2和烟尘。1、调研主要针对浮法生产线排放废气中含SO2和烟尘量的分析和设备的环境构成，收集国内外有关资料和信息，可以考虑同部分科研院所、大专院校和工厂等合作。2、设计和分析设计一小型超重力机，模拟实验，取得有关数据，进行回归理论分析，并同实际相比较。结构如图2所示。3、实际应用根据现场实际应用，如果总废气治理有难度，可以考虑余热锅炉进气治理方案，超重力机设备安装如图3中位置3处，因为直接从烟道用引风机势必会影响熔窑的压力，不便于熔窑的稳定和操作，同样会影响生产的稳定性。浮法生产线烟道示意如图3。■