超重力技术在冶炼及冶炼烟气制酸中的应用与展望

刘昱浏

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330031）

对于一般的矿物-金属-材料的高温冶金过程，尤其是大宗产品的冶炼生产过程，高温化学反应通常并不是冶炼生产过程的“短板”，期间的传质、传热及反应产物的移除效率往往决定了生产效率和经济性。此外，在冶炼生产过程中，常常会产生一定量的含SO2和SO3的烟气，因而需要对冶炼烟气进行必要的处理。采取的处理方式一般为接触法制取副产物硫酸，制取过程中通常会产生含砷、铜等杂质的污酸和含有SO2、氮氧化物的废气，废气需要脱硫脱硝后才能够达标排放。上述制酸、污酸处理和尾气脱硫的过程中时常需要通过气液反应来实现。

超重力技术是一种先进的、适用于需要强化相间传质、传热和混合的多相反应过程的工业技术[1]，在上述高温冶金、制酸、污酸处理和尾气脱硫的过程中具有一定的应用前景。

1 超重力技术

1.1 基本原理

超重力技术最初是由Ramshaw所发明的，超重力环境通过旋转填充（RPB）产生的超过地球重力加速度的离心力场模拟实现，用于精馏等分离过程的强化[2]。

超重力技术的基本原理是充分利用超重力条件下多相物流的特定流动行为，增强各相之间的相对速度以及相互接触，继而实现高效的传质、传热过程以及化学反应过程。获取超重力的方式主要是通过RPB整体或部件形成离心力场，通过变频器可以方便地调节电机转速。

1.2 超重力反应器

超重力可在旋转反应器条件下模拟产生，在实际应用中，可根据物料的性质、反应目的、超重力的效果等因素设计相应的反应器。目前广泛应用的超重力反应器主要有RPB、撞击流旋转填料床（ISRPB）、多同心圆柱电极旋转床（RB-MCCE）、旋转圆盘反应器（SDR）四种[3]，其中RPB是一种最典型的超重力反应器，液体通常自液体分布器进入到转子的内侧，均匀流过填料，然后离开转子的外边缘进入机壳内。研究表明，随着转速由300 r/min增加至1 100 r/min，RPB外围液滴的直径由1 200 μm减小至400 μm[2]，而气体则在压力的作用下在转子内的填料上从各个方向与液体接触。填料上的接触界面是剧烈湍动、快速更新的，起到了强化气液两相传质过程的作用。

1.3 技术优势

超重力技术有许多优点[2]，主要包括：

1）微搅拌效率和传质效率高，传质系数比传统填料床高1～3个数量级。

2）设备体积小、操作简单。

3）设备转子具有较好的自洁性，不易结垢和堵塞。

4）适用于处理贵重、有毒、易燃的物料。

2 超重力技术在冶炼及冶炼烟气制酸中的应用

2.1 高温冶金和材料制备

超重力技术因其特有的反应过程强化及定向分离技术优势，不仅在化工行业已有广泛应用，也同样吸引了冶金行业相关研究人员的目光。

高温冶金反应剧烈，在熔渣中会夹带大量细小的金属液滴。而传统的回收方法，例如铜冶炼中的浮选法，回收率低，能耗高，且伴有二次污染。Lan等[4]提出了一种基于超重力技术的铜渣低温快速分离金属铜相和富铁相的新方法。在超重力场中，金属铜和铜锍沿超重力方向浓缩为铜相，而富铁渣则向相反方向迁移并迅速与铜相分离。

以线路板为代表的电子废弃物是一种最典型的富含多种金属的混和物，通常经机械破碎、风选等多种技术得到金属富集料，然后采用火法或湿法回收各种金属。目前回收的主要成分为铜和金、铂等贵金属，而对锡、铅等其他有价金属的回收率相当低。Meng等[5]开发了一种新工艺，使用超重力分离从粒状计算机印刷电路板上回收有价金属锡、铅、锌和铜，采用三步分离工艺选择性回收金属或合金并浓缩贵金属。将湿法冶金工艺与金属或合金的超重力分离工艺相结合，可以实现电子废物的闭环、清洁回收，效率显著。

在火法冶金过程中，由于熔体黏度大、相间界面张力大，以及熔体湍流返混的存在，使得熔体中的弥散相分离很困难，郭占成等[6]通过搭建的超重力冶金研究实验反应器实验发现，超重力能显著增大两相间的重力差和降低相间界面张力，并使物质传递具有定向性，合理利用超重力的特点，将超重力技术应用于冶金及材料生产过程中，并结合设备开发，有望解决高温冶金和材料制备的一些难题，如复杂矿冶金渣有价组分的分离提取、冶炼渣中金属液的分离回收、混合金属液的熔析结晶分离、复杂矿直接还原铁的渣-金分离；在高端金属材料方面，应用超重力技术，可望解决近零夹杂物的金属材料的精炼除杂难题，提高梯度功能材料、金属-陶瓷复合材料、多孔金属材料、器件材料表面电沉积修饰的制造水平。

然而，在高温冶金和材料制备方面仍缺乏专业的超重力反应器，现有的研究数据仍处于实验室阶段，因此，超重力技术在此方面的应用尚有一些难题需要攻克。

2.2 烟气净化除尘

在冶炼过程中时常会产生含硫的烟气，这类冶炼烟气在经过高温电收尘后需对其中的硫进行回收，目前通常是通过接触法制取副产物硫酸。在制备硫酸前，需对烟气净化除尘，避免对后续工序的设备、催化剂和成品酸产生不利影响。

当前烟气净化工序通常选用泡沫柱洗涤器，烟气自上而下进入洗涤器的逆喷管，与逆喷管内喷嘴喷出的液体逆向碰撞，在气液两相的界面处构建起有着一定高度的泡沫区。在泡沫区内气液两相充分混合，进行传热和传质，进而达到对气体进行绝热蒸发降温，同时净化除去烟气中杂质的目的。根据工厂实际生产情况，这类泡沫柱洗涤器的逆喷管压降通常在1 000～1 500 Pa。

在实际生产中，可以将超重力旋转床作为一种新型的除尘设备，利用超重力将液相进行扩散，加速整个气液传质的过程，能将设备单位体积的生产效率提升1～3个数量级[2]。在除尘时，通常担心的是设备的堵塞问题，而在超重力旋转床中，液体在超重力下会对丝网不断地进行冲刷，使其不被堵塞，除尘效率得到保证。黄德斌等[7]研发出了一种超低压降的除尘设备——超重力平面丝网旋转床，实验表明：①当气量为600 m3/h、液量为0.6 m3/h以上、转速为1 400 r/min时，旋转床的除尘总效率均在96%以上，若轴向设置3层平面丝网，除尘总效率则均在97%以上；②若进口气体中尘(ρ)为4 000 mg/m3，则出口气体中尘(ρ)可控制在120 mg/m3；③超重力装置的压降随气量、转速的增加而增大，其中受气量影响最大，转速次之，而压降受液量的影响则很小，当气量为800 m3/h、转速1 400 r/min、液量1 m3/h、轴向设置3层丝网时，设备的总压降不超过490 Pa，比传统的泡沫柱洗涤器的压降降低了50%以上。

通过实验研究，邓先和团队发现在除尘净化方面，超重力平面丝网旋转床有着显著的优势，基本可以去除所有粒径超过3.5 μm的粉尘[8]。在这一优势下，如果采用超重力平面丝网旋转床代替现有制酸系统烟气净化工序中的逆喷管，不仅可以极大地提高设备净化除尘效率，还能够极大地减小设备的压损（预期设备总压力降在500 Pa左右），进而减少制酸系统转化工序SO2主风机的能耗，达到节能的效果。

2.3 烟气脱硫

若冶炼烟气制酸后的尾气仍不能达到排放标准，则需要对尾气进行脱硫处理。

烟气脱硫根据硫吸收剂的状态，可分为干法、半干法和湿法三种。其中湿法脱硫因其设备简单，脱硫效率高，在有色冶炼中应用十分广泛。而超重力技术的优势之一便是可以极大地强化气液两相之间的相对速度和相互接触，实现高效的传质传热以及化学反应过程，因此国内外研究人员已对超重力法烟气脱硫进行了深入研究并已实现了工业化应用。

2010年，北京化工大学陈建峰团队研究开发了2套超重力装置，分别用于150 kt/a和200 kt/a产能的硫酸尾气脱硫工艺，工业运行结果表明，处理后的尾气中ρ(SO2)≤200 mg/m3，并具有较高的操作弹性[1-2]。超重力技术在硫酸尾气脱硫领域中的工业化应用首次在国内得以实现，为该技术在其他行业尾气脱硫领域的应用树立了良好的标杆。

安徽铜陵华兴化工有限公司原有3套硫酸尾气脱硫装置，且都采用泡沫塔一级氨法脱硫工艺，脱硫效率一直不高，尾气超标的情况屡见不鲜。2010年，该厂拆除了Ⅱ系统的尾气吸收塔，更换为超重力反应器，采用“超重力+一级氨法脱硫”工艺，改造后运行效果良好，脱硫效率可达到94.09%，尾气基本达标排放[9-10]。

Chu等[11]在实验室和中试装置中采用亚硫酸钠作为脱硫剂，对比研究了RPB和传统喷淋塔的脱硫效果。结果表明，RPB脱硫率可达到98%，比传统喷淋塔高6%，且所占空间更小。

2.4 污酸处理

目前，有色金属铜、锌、铅等冶炼过程产生的冶炼烟气用于制取硫酸的过程中，其净化工序会产生一定量的污酸，是冶炼厂酸性重金属废液的主要来源。污酸中含砷、氟、氯等杂质，还含有铅、锌、镉等其他金属和不溶性粉尘，同时还含有高价值的金属，如铜、铼、硒等，成分复杂，毒性大，不能直接送往废水处理车间，需要进行一定程度的预处理[12]。

目前，国内外普遍采用硫化-中和法处理上述污酸。硫化-中和法是在污酸中加入硫化钠、硫氢化钠等硫化物，使之与污酸中的铜、砷等金属离子反应并生成沉淀，从而除去。但这种方法会引入大量的钠离子，处理后的废水很难在厂区内回用，中和后产生的含砷石膏也难以处理。

针对硫化-中和法的弊端，熊义期等[13]在云锡文山锌铟冶炼有限公司采用硫化氢法除砷，以硫化氢作为硫化物，使其在硫化槽内与污酸中的砷充分反应，通过三级硫化后污酸中ρ(As)＜30 mg/L，不产生含砷石膏、不引入大量钠离子，不存在二次污染。硫化氢法除砷的过程是气液两相反应，其气液反应程度决定了对污酸的处理效率，超重力反应器因其特有的反应过程强化能力在污酸处理方面具有一定的应用前景。

然而，超重力反应器应用在污酸处理中存在两个问题，即反应物的停留时间很短、高速旋转的反应器会使填料发生振动而偏移。上述问题可能会使污酸中的重金属无法完全地去除，可以考虑通过改变反应器的结构型式延长反应时间，例如在单个超重力反应器中采用多级转子、开发新型的固定性强的规整填料、改善流体的运动和分布特性等，需要在实验室阶段或是工业放大阶段采取各种手段开展进一步的研究和试验。

3 展望

对超重力技术长达30余年的研讨、开发及应用证明，超重力技术是一项极具前景的过程强化技术，具有微型化、效率高、易于放大等显著特点。超重力技术在高温冶金和材料制备、烟气净化除尘、烟气脱硫等方面的研究已取得重大进展，且在烟气脱硫领域已成功实现工业化应用。随着污酸处理技术的不断进步，超重力技术有望在以气液两相反应为基础的污酸处理领域得以应用。超重力技术具有某些传统技术不具备的优势。此外，也更能满足厂区空间要求，对于环境更加友好。

同时需要指出的是，超重力技术及超重力反应器在某些方面也存在问题应予以关注，如在高温冶金和材料制备方面仍缺乏专业的超重力反应器，在污酸处理方面现有超重力反应器内流体的停留时间不足、反应器内填料的稳定性不足等，需要进一步试验或开发；在超重力技术微观尺度的机理模型、宏观尺度的流体动力学等方面亦需要进一步的研究；超重力装置在规模化、产业化等方面亦需要进一步拓展。在将各难题一一攻克后，超重力技术有望成为21世纪冶炼及化工领域的重要技术之一。