超重力技术在锅炉脱硫除尘方面的应用研究
第1章 超重力技术及其发展状况
1.1 超重力技术的基本概念
所谓超重力是指比在地球重力加速度（9.8m/s2）大的多的环境下，物质所受到的力（包括引力和排斥力）。研究超重力环境下的物理和化学变化过程的科学称之为超重力科学。由超重力科学原理而诞生的应用技术称为超重力技术。超重力技术作为一种高新技术，在工业上有着重大的应用前景。
在超重力环境下，不同大小分子之间的分子扩散和相间传质过程比常规重力场下要快的多，气－液、液－液、液－固两相间在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质和孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米甚至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统塔设备提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。同时，在超重力条件下，不仅是整个反应过程的加快，气体的线速度也得到大幅度提高，这使单位设备体积的生产效率得到1～2个数量级的提高[1][2]。
在地球上，旋转是实现超重力环境的最简便方法。这种特殊设计的旋转设备统称为超重力设备，简称超重机（HIGEE），在化工设备中又被称之为旋转填充床（RPB）。利用超重力环境下的高强度传质过程和微观混合特性，我们可以将高达几十米的巨大反应塔等化工设备用高不及两米的超重机进行代替[3]。因此，超重力工程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，被誉为跨世纪的技术，超重机也被誉为“化学工业的晶体管”。
总体而言，超重机具有如下特点：极大的缩小了设备尺寸减轻了重量；极大的强化了物质相间的传递过程；物料在设备内的停留时间极短（100ms～1s）；易于操作，易于开停车，维护和检修方便；可垂直、水平或任意方向安装，不怕颠簸，可安装于运动物体；快速而均匀的微观混合等等。而超重力技术在上述超重机的特点上可广泛应用于以下特殊过程：由于停留时间短可用于热敏性物料的处理；由于机内残留量少可应用于昂贵物料或有毒物料的处理；其快速而均匀的微观混合特性又可以用来生产高质量的纳米材料；另外还可以进行选择性吸收分离及聚合物脱除单体等等生产中。超重机是具有广阔的工业应用前景的设备[4]。
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1.2超重力技术发展概况
超重力技术开发研究始于20世纪70年代末1976年，美国太空署（NASA）征求微重力场实验项目，英国ICI公司（帝国化学公司）Ramshow教授等做了化工分离单元操作—蒸馏、吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究。在他们的研究中，发现微重力场使控制多相流体动力学行为的浮力因子Δρg接近于零，使相间的相对运动降低，非但对传质没有任何好处，反而极大地削弱了传质过程。在微重力或重力接近于零时，液体的表面张力将起主导作用，液体聚集在一起，组分基本上得不到分离。同时也发现超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，因此极大地提高了传递速率系数，而且还使气液逆流操作的泛点速率提高，大大增加了设备生产能力，这些都对分离过程有利。这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生。随后引起了美、英、中、俄等国大规模的工业化应用技术研究和开发热潮[6]。
沿着这一思路，ICI 着手进行这方面的研究，设计出可产生200～1000g超重力场的旋转填充床。大约两年后，第一套示范装置开始运转。1979年6月27日，公开了超重机方面的第一个专利。后来几年里，又陆续公开了一些专利，从而形成了现代超重机的基本结构和操作方式。1985年第一套超重机售出，该机用于脱除被污染的地下水中的有机挥发物。
国外从事超重力技术研究的公司和科研机构包括DuPont公司、DOW化学公司、Glitsch公司、Norton公司、Flour公司、ICI公司、Newcat stle大学、Case Western Reserve 大学、Washington大学、Taxas Austin 州立大学等；重点研究的技术有超重力精馏分离技术(甲醇/乙醇的分离等)、超重力吸收分离技术( 天然气脱硫、分离CO2等)、超重力解吸分离技术(水脱氧、聚合物脱单体、地下污水脱苯/甲苯等)等。近几年在几个化工、能源过程中实现了工业化运行，如1999年美国DOW 化学公司成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产，展现出广阔的应用前景和重大的经济效益[7]。
国内，1988 年，北京化工大学与美国 Case Western Reserve 大学合作，由Glitsch公司提供超重机主机，在北京化工大学建立了一套实验装置，开始进行超重力技术的基础研究以及用于油田注水脱氧、酵母发酵等应用技术研究。自
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1989年起，国内超重力技术的研究，连续得到国家有关部委的重点支持，被列为国家“八五”、“九五”、“十五”计划的重点科技研究项目。1990年在北京化工大学建立我国第一个超重力工程技术研究中心，2001年升级为教育部超重力工程研究中心，开展了一系列的创新性研究工作。1998年，国际上首先将超重力水脱氧技术实现商业化应用，将海水处理能力为250t/h的超重机安装于山东胜利埕岛二号平台上，投入了工业化生产[6]；1999年，和美国 DOW 公司合作，成功的将超重力技术应用于氯碱工业中的气液分离过程；2000年和2001年，先后在广东和山西建立了世界上首条年产3000t和万吨级超重力纳米碳酸钙工业生产线。至此，我国对于超重力技术的开发与工业化应用进入了一个新的阶段，在某些领域走到了世界的前列。
1.3 超重力脱硫除尘技术与传统脱硫除尘技术的比较 1.3.1国内烟气脱硫现况
烟气脱硫是当今燃煤火电厂控制SO2排放的主要措施。国务院在《国务院关于酸雨控制区和SO2污染控制区有关问题的批复》（国函【1998】5号文）中规定：新建、改建燃煤含硫量大于1％的火电厂，必须配套建设脱硫设施；现有燃煤含量大于1％的火电厂，必须在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其它降低SO2排放量的措施。该批复附件中还明确：长江以南、四川与云南以东的14个省、市和自治区总面积为109万平方公里（占国土面积的11.4％）的区域规划为酸雨和SO2两控区，在此两控区内，将对工业污染源SO2排放实行分阶段控制。
在火电厂烟气脱硫建设初期，国内产业化发展相对滞后。由于技术方面的原因，当时国内烟气脱硫工程所用的设备绝大多数从国外进口，国内负责土建和安装，平均造价高达1000～2000元人民币/千瓦，严重影响了烟气脱硫工程建设的发展，而且已建成的采用国外进口设备工程在运行中备品备件都需要从国外进口，这样不但增加运行成本，而且备件不能及时更换而影响设备的正常运行。为降低烟气脱硫成本，技术和设备国产化十分必要。2000年2月国家经贸委在《关于印发<火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化要点>的通知》（国经贸资源
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【2000】156号文）中指出：“烟气脱硫关键技术与设备国产化是降低工程造价、加快火电厂SO2治理速度，提高机电制造企业竞争能力，培育新的经济增长点的需要。”
随着产业的发展，目前大部分相关设备已可以国内制造，但关键设备仍需要进口。为促进产业更快发展，2005年5月，国家发展改革委提出了加快火电厂烟气脱硫产业发展的主要任务，即通过三年努力，建立健全火电厂烟气脱硫产业化市场监管体系，完善火电厂烟气脱硫技术标准体系和主流工艺设计、制造、安装、调试、运行、检修、后评估等技术标准、规范；主流烟气脱硫设备的本地化率达到95％以上，烟气脱硫设备的可用率达到95％以上；建立有效地中介服务体系和行业自律体系。
2006年2月正式发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》对环境保护领域的科学研究和技术开发给予高度重视。国家“十一五规划”也强调加大环境保护力度，防治大气污染。关于环境治理重点工程，将燃煤电厂烟气脱硫放在重要位置，强调加快现有燃煤电厂脱硫设施建设，增加现有燃煤电厂脱硫能力，新建燃煤电厂必须根据排放标准安装脱硫装置，使90％的现有电厂达标排放。
1.3.2国内烟气脱硫研发及主要应用技术
我国烟气脱硫控制技术的研究开发始于60年代初，对燃煤电厂、燃煤工业锅炉和冶金废气开展了烟气脱硫工艺研究、设备研制，取得了实验室小试和现场中试结果。80年代以来，开展了一系列研究、开发和产业化工作。原国家科委组织了“七五”和“八五”公关项目，对国际上现有脱硫技术主要方法进行了研究和实用性工程装置实验；国家自然科学基金委员会设立课题支持脱硫技术的基础研究，取得了很多成绩。国家科技部在“九五”期间，组织“中小锅炉实用脱硫防尘技术与装备研究及产业化”攻关课题，其中包括针对燃煤电厂烟气脱硫技术，采用脉冲电晕等离子体烟气脱硫新技术研究；与此同时，引进了脱硫技术项目，进行示范规模实验和工厂化运行应用。“十五”期间，国家对烟气脱硫提出严格要求，企业大规模引进脱硫技术，烟气脱硫产业快速发展。
二氧化硫烟气脱硫技术按工艺特点可分为湿法、半干法和干法两种。
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1.3.2.1 湿法脱硫工艺
湿法脱硫目前采用的方法比较多，如石灰石-石膏法、柠檬酸法、硫化碱法等。 （1）石灰石—石膏法[8]
石灰石—石膏法是利用石灰石—石膏作为吸收剂与烟气中二氧化硫发生反应，工艺如图1.1，反应机理[4]如下：
排空吸收塔氧化塔空气循环槽pH调整槽石膏离心机清液增稠器烟气石灰石或石灰硫酸
图1.1 石灰石－石膏法流程图
SO2(g)＋ H2O SO2(l) ＋ H2O
SO2(l)＋ H2O H+ ＋ HSO3－ 2H+＋SO32－ CaCO3 Ca2+ ＋ CO32－
CaO + H2O Ca(OH)2 Ca2+ + 2OH－ Ca2＋ + SO32－ CaSO3
CaSO3 + 2H2O + 1/2O2 CaSO4·2H2O
从化学反应过程来看，增加烟气中SO2与浆液的接触时间、提高浆液的循环量、合理控制浆液的pH值，有利于烟气的吸收；从吸收过程来看，浆液的pH值对吸收率的影响比较大，所以控制浆液合适的pH值非常重要。从各方面经验数据看，浆液的pH值一般控制在6.9～8.9，如果低于6时，吸收速度减慢，低于4时，浆液几乎不吸收二氧化硫；根据吸收过程的汽液平衡可知，低温有利于SO2 的吸收。此法在研究和环保上取得了一些成果，但是存在以下几方面问题：工艺流程复杂，投资大，运行费用偏高；当烟气中SO2波动比较大时，石灰石量难以控制，浆液的pH值很难处于最佳状态，生成的CaSO3和CaSO4 容易堵塞管道和设
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