赵祥迪,孙万付，徐银谋,郭建章

(1.中国石化安全工程研究院,山东青岛 2660712.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 2660103.化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266071)

超重力技术在危化品气体处理中的应用

赵祥迪1,3,孙万付1，3，徐银谋2,郭建章2

(1.中国石化安全工程研究院,山东青岛2660712.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛2660103.化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛266071)

介绍了超重力技术的作用原理和基本形式，阐述了超重力技术在脱除硫化氢、氨气、二氧化硫、氮氧化物以及有机气体等方面的研究进展与应用。所述研究大多是在实验条件下进行，处理效果较传统设备有明显改善，但在工业化应用方面仍需深入研究。

超重力技术 气体处理 有机气体

随着我国经济的快速发展，危险化学品用量逐年上升，危化品事故也呈现多发之势，此类危化品物质多具有毒性、腐蚀性，一旦发生事故，不仅会造成人体健康、环境污染以及经济危害，还易引发社会恐慌等危害。因此，发展及研制用于危险化学品处置技术及装备势在必行。

超重力技术是一种强化相间传质的高效技术，具有效率高、能耗低、安全可靠以及适用性广等优点，在危化品处置领域显示出重大的经济价值和广阔的应用前景[1-2]。

1 超重力技术简介

超重力技术有多种形式，根据气液接触方式的不同，可分为逆流旋转床、并流旋转床和错流旋转床。与传统设备相比，超重力旋转床具有强化传递效果显著、气相压降小、物料停留时间短、便于开停车、设备体积小等优点，相比重力场其传递系数可提高1～3个数量级。逆流超重力旋转填料床结构如图1所示。在转子内气液两相逆流接触，使气液两相间微观混合和强化。与逆流旋转填料床不同，并流超重力旋转填料床中气液两相进行并流接触；错流超重力旋转填料床转子中气液两相进行错流接触。

2 超重力技术在危化品处理中的应用

经过近些年的发展，国内外对超重力技术的研究取得了显著的成果，主要应用在硫化氢、氨气、二氧化硫、氮氧化物以及有机气体的脱除等方面。下面介绍超重力技术在上述几种气体处理领域的应用。

图1 逆流超重力旋转床结构示意

2.1 脱除硫化氢

硫化氢具有强刺激性、腐蚀性和毒性，多存在于天然气开采时油田伴生气、炼油工业废气等。传统塔器多采用湿法氧化吸收，由于重力场较弱，液膜流动缓慢，传质效率较低。北京化工大学研究认为超重力技术在络合铁体系中强化作用最强，耗碱量最少、最经济[3-5]，采用络合铁、脱硫催化剂、蒽醌二磺酸钠三种湿式氧化脱硫体系，硫化氢脱除率99.9%。在醇胺法脱硫的研究方面[6-8]，由于二乙醇胺碱性强于N-甲基二乙醇胺(MDEA)，其脱硫效果优于MDEA，但无脱硫选择性，MDEA可选择性脱除硫化氢，经过旋转填料床强化传质，脱硫率98.0%以上。中北大学潘红霞[9]采用Na2CO3溶液对焦炉煤气进行选择性脱硫实验研究，在旋转填料床强化传质的作用下，选择性脱硫明显提高，在适宜条件下脱硫率95%以上，H2S和CO2脱除率之比为30左右。中北大学主要进行了PDS法脱硫研究[10-13]，超重力设备在强化传质方面效果突出，具有良好的脱硫效果，并且液膜流动速度快，具有自清洗的特点，避免了传统设备硫堵的问题，在某焦化厂建立的对焦炉煤气进行脱硫净化处理的超重力脱硫装置，处理气量为10 000 m3/h，平均脱硫效率90%。可见，超重力技术对天然气等气体中的硫化氢脱除具有较大的工业化应用潜力。

2.2 脱除氨气

氨气是一种具有刺激性、腐蚀作用强的危险化学品，一定条件下遇明火会引起燃烧和爆炸。氨气吸入过多会对人体造成严重损害，能引起肺肿胀，以至死亡[14]。中北大学针对磷肥生产工艺废气中的氨气处理进行中试研究[15]，在超重力旋转填料床中用生产工艺产生的酸性废水进行吸收处理，在进气量500 m3/h、气液比1 000 m3/m3、超重力因子90的条件下，吸收效率达到90%以上，并且吸收后产物可作为生产原料。北京化工大学在超重力机中分别以水和饱和氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液为吸收液进行了耦合吸收NH3和CO2的研究[16-17]，能够利用超重力技术将氯化钙废液、氯化镁废液制备成纳米材料，为氯化钙废液、氯化镁废液以及NH3和CO2气体的资源化利用提供了一条新途径。可以看出，超重力技术在危害气体吸收、废水处理、纳米材料制备等化工过程具有较大的经济价值和社会价值。

2.3 脱除二氧化硫

北京化工大学[18-21]与中北大学[22-27]在SO2脱除方面做了大量的研究，超重力双碱法脱硫效果较好，在逆流工艺中脱硫率稳定在99%以上，并流工艺中脱硫率为91.5%，逆流式旋转填料床中氨法脱硫率为95%以上，与传统氨法脱硫相比脱硫率显著提高。在NaOH、Na2CO3、Na2SO3三种水溶液中烟气深度脱硫的对比研究显示，在超重力场中Na2CO3溶液可以深度脱硫，脱硫率99%，脱硫后烟气可用于蔬菜大棚补充碳源。在可再生吸收液脱硫研究方面，柠檬酸盐法与磷酸钠法均可实现脱硫液的再生，脱硫率可达98%左右，解决了传统脱硫剂再生困难的问题，并且可使SO2资源化利用。超重力旋转填料床传质系数高、脱硫效果好、压降小，并且解决了传统脱硫设备易结垢的问题，在烟气脱硫方面表现出良好的应用价值。

2.4 脱除氮氧化物

国内对超重力技术脱除NOX做了大量的研究工作[28-35]，一方面强化NO2的吸收效果；另一方面采用氧化剂将NO氧化为NO2，强化吸收。由于清水无法有效吸收氮氧化物中的NO，超重力设备脱硝率只有64.69%，吸收效果一般。酸碱类吸收剂吸收效果较水有所提高，可达80%，但无法有效吸收NO，存在吸收尾液难以处理的问题。在超重力场中Fe2+EDTA络合溶液脱硝率达95%，但吸收液在空气中易被氧化。采用尿素/添加剂溶液、臭氧氧化技术对硝化车间尾气脱硝，通过超重力场强化传质，吸收率达到85%，吸收效果较好，平均吸收率较清水提高20%左右，两级吸收工艺平均吸收率达96%以上，符合国家排放标准。超重力技术应用于脱硝领域不仅处理效率高，而且能够与硝化过程同时开停车，具有非常好的研究和工业应用前景。

2.5 脱除有机气体

在超重力技术处理有机气体方面，国内外做了大量的研究[36-40]。对亲水性有机化合物主要采用水吸收，对丙酮、醇类等具有较好的处理效果，并且部分处理后的混合溶液可回收再利用。疏水性有机化合物传统处理采用疏水性吸收剂，但其粘度高，传质效果较差。在超重力场中采用硅油吸收废气中的甲苯和二甲苯，吸收率高达95%，旋转填料床可强化高粘度吸收剂吸收疏水性有机物的传质过程。另外，在旋转填料床中采用具有增溶效果的表面活性剂水溶液脱除甲苯，在强化传质的作用下，吸收率可达74.2%左右，采用SOVAL溶液脱除油气，同样取得了明显的效果，为疏水性有机化合物的净化提供了新方法。可见，旋转填料床可有效强化有机气体的脱除过程，将会带来明显的经济效益和社会效益。

3 结语

超重力旋转填料床设备体积小、传质效率高，处理效率较传统设备明显改善。上述研究主要是在实验条件下针对不同的废气物系，结合合理的吸收工艺进行处理，虽然超重力技术的理论研究取得了显著的成果，但是工业化应用的成功案例较少。后续工作应当深入研究超重力装置的工业化应用，通过优化装置结构来强化相间传质。虽然超重力装置还没有大规模应用到工业中，但作为一种高效的传质设备，具有广阔的发展和应用前景。

[1] 陈建峰. 超重力技术及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.

[2] 刘有智. 超重力化工过程与技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[3] 冷继斌. 超重力氧化还原法用于天然气脱硫的探索性研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2007.

[4] 曹会博, 李振虎, 郝国均，等. 超重力络合铁法脱除石油伴生气中H2S的中试研究[J]. 石油化工, 2009, 28(9): 971-974.

[5] 曹会博. 超重力旋转床脱除伴生气中的硫化氢的实验研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2011.

[6] 李华, 钱智, 姚远，等. N-甲基二乙醇胺/二乙醇胺在超重机中脱除H2S的实验研究[J]. 北京化工大学学报(自然科学版), 2010, 37(5): 21-24.

[7] 李华. 超重力吸收法脱除H2S的实验研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2010.

[8] 钱智, 徐联宾, 李振虎，等. 超重力环境下甲基二乙醇胺选择性脱除H2S的模拟[J]. 石油化工, 2010, 39(9): 1016-1022.

[9] 潘红霞, 刘有智, 祁贵生，等. 超重力选择性脱除焦炉煤气中硫化氢的研究[J]. 天然气化工, 2011, 36(1): 7-10.

[10] 祁贵生, 刘有智, 焦纬洲. 超重力法脱除气体中硫化氢[J]. 化工进展, 2008, 27(8): 1404-1407.

[11] 韩江则, 刘有智, 祁贵生，等. 超重力环境下脱除工业气体中H2S的研究[J]. 工业安全与环保, 2011, 37(1): 15-16.

[12] 祁贵生, 刘有智, 潘红霞，等. 错流旋转填料床中湿式氧化法脱除气体中硫化氢[J]. 石油学报(石油加工), 2012, 28(2): 195-199.

[13] 祁贵生, 刘有智, 王焕，等. 超重力湿式氧化法脱除焦炉煤气中硫化氢[J]. 化工进展, 2014, 33(4): 1045-1049.

[14] 王箴. 化工辞典[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010．

[15] 孟晓丽, 刘有智, 焦纬洲，等. 旋转填料床净化磷肥尾气中的氨气[J]. 化工进展, 2008, 27(2): 308-310．

[16] 孙宝昌. 超重力环境下水耦合吸收NH3和CO2的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2011.

[17] 孙宝昌. 旋转填充床中耦合吸收CO2和NH3的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2012.

[18] 王永刚, 李振虎, 张文胜，等. 用旋转填充床以双碱法脱除烟气中的SO2[J]. 石油化工, 2009, 38(8): 893-896.

[19] 王永刚. 双碱法用于旋转填充床脱除气体中二氧化硫的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2011.

[20] 王俊, 邹海魁, 初广文，等. 超重力烟气脱硫的实验研究[J]. 高校化学工程学报. 2011, 25(1): 168-171.

[21] 王俊. 超重力烟气脱硫工艺研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2011.

[22] 姜秀平, 刘有智, 杜彩丽，等. 超重力旋转填料床中柠檬酸钠法烟气脱硫[J]. 化工环保, 2011, 31(5): 409-413.

[23] 姜秀平, 刘有智, 杜彩丽，等. 超重力旋转填料床中柠檬酸钠法脱除低浓度SO2[J]. 天然气化工, 2011, 36(3): 49-53.

[24] 孙志斌, 祁贵生, 刘有智，等. 超重力氨法烟气脱硫工艺实验研究[J]. 天然气化工(C1化学与化工), 2012, 37(9): 33-36.

[25] 孙志斌. 超重力氨法烟气脱硫技术基础研究[D]. 太原: 中北大学, 2013.

[26] 于娜娜. 超重力湿法深度脱除烟气中SO2技术研究[D]. 太原: 中北大学, 2013.

[27] 宋卫. 超重力磷酸钠法烟气脱硫技术研究[D]. 太原: 中北大学, 2015.

[28] 刘有智, 李鹏, 李裕，等. 超重力法处理高浓度氮氧化物废气中试研究[J]. 化工进展, 2007, 26(7): 1058-1061.

[29] 李鹏, 刘有智, 李裕，等. 用旋转填料床治理火炸药厂的氮氧化物尾气[J]. 火炸药学报, 2007, 30(1): 67-70.

[30] 李鹏, 刘有智, 李裕，等. 超重力技术治理火炸药行业氮氧化物的初步研究[J]. 环境污染与防治, 2007, 29(7): 544-547.

[31] 李鹏. 超重力法治理高浓度氮氧化物的研究[D]. 太原: 中北大学, 2007.

[32] 李俊华, 刘有智. 超重力场中臭氧氧化-强化吸收氮氧化物研究[J]. 现代化工, 2013, 33(5): 40-42.

[33] 张亮亮. 超重力旋转填充床强化湿法脱碳和脱硝过程研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2013.

[34] 高文雷, 旋转填充床中湿法氧化脱硝的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2013.

[35] 高文雷, 曾泽泉, 陈建铭，等. 旋转填充床中湿法脱硝的研究[J]. 高校化学工程学报, 2014, 28(5): 1160-1165.

[36] Lin C C, Wei T Y, Hsu S K, et al. Performance of a pilot-scale cross-flow rotating packed bed in removing VOCs from waste gas streams[J]. Separation and purification technology,2006, 52(2): 274-279.

[37] 崔磊军, 刘有智, 焦纬洲，等. 超重力法回收火炸药厂的混合溶剂[J]. 火炸药学报, 2007, 30(6), 51-53.

[38] 王伟, 朱宝璋, 冯志豪. 超重力技术在油气回收中的应用[J]. 化工进展, 2011, 30(增刊), 517-520.

[39] Chiang C Y, Liu Y Y, Chen Y S, et al. Absorption of Hydrophobic Volatile Organic Compounds by a Rotating Packed Bed[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2012, 51(27): 9441-9445.

[40] 张自督. 超重力吸收法治理甲苯废气基础研究[D]. 太原: 中北大学, 2014.

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

赵祥迪，注册安全工程师，高级工程师，硕士，2008年毕业于中国科技大学安全技术与工程专业，现主要从事化学事故模拟与爆炸风险研究。