圖為在山西天脊集團(tuán)的超重力選擇性脫硫設(shè)備，比美國同類技術(shù)選擇性高28.5%。
今年以來，我國發(fā)生大范圍持續(xù)霧霾天氣。11月1日，中國氣象局舉行新聞發(fā)布會(huì)宣布：2013年我國平均霧霾天數(shù)52年來最多。
12月2日，中國華北至江淮一帶空氣質(zhì)量較差，達(dá)到重度污染至嚴(yán)重污染級(jí)別，中央氣象臺(tái)繼續(xù)發(fā)布霾黃色預(yù)警和大霧黃色預(yù)警。不過隨著冷空氣的侵入，大風(fēng)勁吹，霧霾也會(huì)“遁形而逃”，藍(lán)天白云的好天氣將回歸。
難道除了靠風(fēng)驅(qū)散霧霾，我們就對這一無形殺手無能為力了嗎？作為一項(xiàng)化工技術(shù)的重大發(fā)明——超重力，在山西這個(gè)煤炭化工大省霧霾源頭治理領(lǐng)域正在逐漸發(fā)揮重要作用。
最近一個(gè)月間，一則超重力可以助力大氣PM2.5源頭治理的消息不脛而走。這與10月30日中北大學(xué)校長劉有智教授因其主持的超重力化工科學(xué)與技術(shù)研究成果突出獲得2013年度何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)密切相關(guān)。這在節(jié)能減排呼聲高漲的當(dāng)下，獲此殊榮后，劉有智和他致力研究的超重力技術(shù)立刻引起了業(yè)界的極大關(guān)注。那么，超重力能有效治理霧霾嗎？
“超重力工業(yè)廢氣凈化技術(shù)可對各種工業(yè)固體廢棄顆粒和粉塵形成極強(qiáng)的捕獲能力，成為源頭消除霧霾的‘利器’，獲得多個(gè)國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)，多項(xiàng)工業(yè)化應(yīng)用填補(bǔ)了世界空白。”劉有智說。他長期從事超重力化工科學(xué)與技術(shù)研究，建立完善了氣—液分離與反應(yīng)成套技術(shù)。他告訴記者：“采用超重力技術(shù)源頭治霾真的行！”
化學(xué)工業(yè)的“晶體管”
“超重力技術(shù)作為新型過程強(qiáng)化技術(shù)，與傳統(tǒng)化工技術(shù)相比，具有傳遞效率高、設(shè)備體積小、占地少、氣相壓小、液體利用率高、能耗低等優(yōu)勢，是節(jié)能減排降耗及資源有效利用的一流技術(shù)，是大型化工裝置小型化、微型化的核心技術(shù)，可用于一些傳統(tǒng)技術(shù)不能勝任的場合。因此，它被喻為‘化學(xué)工業(yè)的晶體管’，是跨世紀(jì)的新技術(shù) 。”山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任祁貴生表示，這種技術(shù)在霧霾的防治上正逢其時(shí)。
國外從20世紀(jì)80年代初開始了超重力的相關(guān)研究工作，側(cè)重于超重力分離技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，重點(diǎn)研究項(xiàng)目包括超重力精餾分離、超重力吸收分離、超重力解吸分離等技術(shù)，并在化工、能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。我國開始這項(xiàng)前沿技術(shù)的研究是在上世紀(jì)90年代初，目前在世界超重力技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域占有重要地位，在超重力反應(yīng)工程等方面具有國際領(lǐng)先水平。
北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心的油田注水脫氧，是超重力技術(shù)在國內(nèi)的第一個(gè)工業(yè)化應(yīng)用實(shí)例；浙江工業(yè)大學(xué)開發(fā)出的一種動(dòng)、靜折流圈鑲嵌的旋轉(zhuǎn)床設(shè)備，主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中的精餾、吸收、解吸、除塵以及氣液、液液化學(xué)反應(yīng)等化工單元操作；華南理工大學(xué)在逆流型超重力旋轉(zhuǎn)填料床基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了錯(cuò)流型多級(jí)霧化超重力旋轉(zhuǎn)床；中北大學(xué)超重力中心開發(fā)的超重力除塵技術(shù)已成功應(yīng)用于煤化工生產(chǎn)過程中的燃煤鍋爐除塵、富銨鈣粉塵回收等領(lǐng)域，從研究開發(fā)到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已取得了可喜的成果。
“什么是超重力化工技術(shù)呢？我們通俗地說，就是靠旋轉(zhuǎn)填料床的高速旋轉(zhuǎn)，把氣體和液體、液體和液體兩相流體，放在一種模擬的超重力環(huán)境下來完成混合、反應(yīng)、分離。我們靠一個(gè)旋轉(zhuǎn)填料床模擬了上百或上千倍重力加速度的超重力場，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，體積傳質(zhì)系數(shù)提高了1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，意味著效果可以增加上千倍。”山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心副主任焦緯洲介紹說。
他舉例說，40米高的塔用超重力裝置代替之后，只需要3.5米的高度，設(shè)備體積縮小至1/70，節(jié)能降耗是非常明顯的，大大節(jié)省設(shè)備原材料、催化劑，這已經(jīng)得到了很多工程的實(shí)踐證明。
“如今，霧霾天氣已成了人們心頭之患，而產(chǎn)生霧霾的一個(gè)重要根源，就是各種工業(yè)固體廢棄顆粒和粉末。有沒有這樣一種機(jī)器和技術(shù)，能將它們吸收、消除呢？我們說，有！”記者在參觀山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心時(shí)，該中心副主任焦緯洲說，“中國的超重力技術(shù)是全世界領(lǐng)先的，這是不容質(zhì)疑的。我們將超重力技術(shù)應(yīng)用到化工過程中，在助力節(jié)能減排方面已經(jīng)取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。面對霧霾這個(gè)‘難啃的骨頭’，超重力技術(shù)應(yīng)該發(fā)揮其應(yīng)有的作用。”
圖為應(yīng)用于山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司的硝煙治理工程超重力裝置。
中北大學(xué)超重力中心開發(fā)的超重力除塵技術(shù)已成功應(yīng)用于山西天脊煤化工集團(tuán)復(fù)肥裝置，除塵效率達(dá)到了99%以上。
霧霾治理新“利器”
實(shí)驗(yàn)室里，超重力技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)上千倍的傳質(zhì)效果，在工業(yè)化的應(yīng)用怎么樣呢？記者對采用該成果的山西部分化工企業(yè)專程進(jìn)行了采訪。
記者首先來到了能夠展示采用超重力成果的山西天脊煤化工集團(tuán)。據(jù)了解，該集團(tuán)由“六五”期間成套引進(jìn)8個(gè)國家11項(xiàng)專利技術(shù)形成合成氨生產(chǎn)能力，因缺乏高濃度CO2中脫除H2S的高選擇性技術(shù)，自1987年投產(chǎn)以來，大型合成氨生產(chǎn)過程中排放的含H2S和CO2的廢氣始終未能得到治理。企業(yè)也做過一些嘗試，但實(shí)際運(yùn)行結(jié)果大都達(dá)不到工藝指標(biāo)要求，新型脫硫(除塵)技術(shù)及設(shè)備的研究與開發(fā)成為當(dāng)時(shí)迫切需要加強(qiáng)的環(huán)保科研課題之一。
“這個(gè)技術(shù)的研發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用，大家應(yīng)該是不謀而合的。”天脊集團(tuán)合成氨廠回收車間主任王曉波指著正在運(yùn)行的4臺(tái)超重力機(jī)說。
據(jù)他介紹，該脫硫工程先期采用兩個(gè)超重力機(jī)，直徑1.4米、高3.5米，代替了脫硫塔，采用首創(chuàng)的大通量、低氣阻錯(cuò)流超重力高選擇性脫硫技術(shù)，處理量21000立方米/時(shí)，廢氣中CO2濃度99%，H2S濃度10600毫克/立方米。工程實(shí)施后，脫硫率大于90%，CO2脫除率為0.3%～0.5%，與美國Glitsch and Fluor公司天然氣選擇性脫硫技術(shù)中CO2脫除率0.7%相比，選擇性提高28.5%，年減排H2S近700噸，回收硫黃600多噸，噸硫堿耗僅0.5噸。這解決了多年來困擾該企業(yè)的難題，彌補(bǔ)了大型合成氨裝置成套引進(jìn)國外技術(shù)的不足。
“設(shè)計(jì)院曾對這個(gè)系統(tǒng)做了一個(gè)比對，比如是空氣或者是含硫化氫的體系來對比，3.5米直徑、40米高度的塔，用3米的超重機(jī)就能完成。原來塔設(shè)備要進(jìn)1200立方米的液體，從地面打到40米高度，超重機(jī)僅用300立方米的液體，體積是原來的1/4，高度是原來的1/10，做功能耗是原來的1/40，所以節(jié)能是非常可觀的。這個(gè)完成后，CO2吸收率在5％。以內(nèi)，所以真正做到了簡單條件下的超重力選擇性脫硫。在天脊集團(tuán)的選擇性脫硫設(shè)備比美國同類技術(shù)選擇性高28.5%，價(jià)格低50%以上，實(shí)現(xiàn)了低成本、高選擇性脫硫的重大突破。”山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心副主任袁志國說。
在天脊集團(tuán)采用超重力裝置的不止一處，記者看到，中北大學(xué)超重力中心開發(fā)的超重力除塵技術(shù)已成功應(yīng)用于煤化工生產(chǎn)過程中的燃煤鍋爐除塵、富銨鈣粉塵回收。
“在生產(chǎn)過程中采用轉(zhuǎn)鼓流化床造粒工藝，排出尾氣中含有3000毫克/立方米的硝酸銨鈣產(chǎn)品，氣量為43000毫克/立方米，尾氣的直接排放造成了部分產(chǎn)品的流失，同時(shí)也污染環(huán)境，急需治理。但由于該尾氣氣量大，粉塵顆粒細(xì)小，常規(guī)方法除塵效果很差，除塵設(shè)備極易堵塞，不能長期正常運(yùn)行；同時(shí)，廠房內(nèi)高度僅有5米，富銨鈣生產(chǎn)裝置在22米高的平臺(tái)上，空間位置十分有限，傳統(tǒng)除塵設(shè)備因除塵效率與空間布置問題而不可行。”天脊集團(tuán)復(fù)肥廠一車間主任郭衛(wèi)東說。
“后來我們采用了中北大學(xué)超重力除塵技術(shù)及其設(shè)備凈化富銨鈣尾氣，超重力除塵裝置直徑1.6米、高3.5米，安裝在了生產(chǎn)現(xiàn)場的室內(nèi)，滿足了廠房內(nèi)布置的需要。長期運(yùn)行結(jié)果表明超重力除塵裝置除塵效果良好，出口氣體中含塵量僅為5毫克/立方米，除塵效率達(dá)到了99%以上，滿足了環(huán)保要求。循環(huán)水量僅為12噸/時(shí)，吸塵后的液體可進(jìn)入生產(chǎn)工序，回收了產(chǎn)品。”郭衛(wèi)東告訴記者。
談到超重力技術(shù)，另一個(gè)成功案例是應(yīng)用于山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司的超重力法凈化硝煙技術(shù)。據(jù)企業(yè)車間李主任介紹，德國的公司都是8千克、6千克尾氣加壓的，因?yàn)楝F(xiàn)在我們國家有幾家企業(yè)還是在常壓應(yīng)用硝酸，包括火炸藥生產(chǎn)、催化劑生產(chǎn)，常壓排放的硝煙濃度很大。常壓下怎么脫？能不能把氮氧化物處理掉？超重力技術(shù)在其中發(fā)揮了作用。
“在火炸藥系統(tǒng)，我們以前叫黃煙，在大型炸藥廠做了實(shí)驗(yàn)，2萬多毫克/立方米用超重機(jī)能夠使它百分之四十幾的稀硝酸通過兩級(jí)或者三級(jí)處理，使得氮氧化物達(dá)到歐洲的排放標(biāo)準(zhǔn)。我們因此獨(dú)創(chuàng)了超重力常壓凈化高濃度NOx廢氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低成本、低投資，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。超重力凈化硝煙技術(shù)成功應(yīng)用后，凈化后NOx濃度＜240毫克/立方米，低于國家標(biāo)準(zhǔn)（GB16297-1996）1400毫克/立方米的排放限值，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于國外加壓凈化技術(shù)，其中投資為加壓吸收技術(shù)的1/4；運(yùn)行費(fèi)為加壓技術(shù)的21％，年節(jié)省570萬元。替代引進(jìn)國外加壓凈化技術(shù)，獲國家發(fā)明專利1項(xiàng)，還填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的科技空白。就這樣，昔日高聳煙囪上的‘黃龍’，由濃到淡永遠(yuǎn)地‘飛’走了。” 李主任告訴記者。
目前，中北大學(xué)構(gòu)建的脫氨除濕錯(cuò)流超重力技術(shù)，成功開發(fā)磁力驅(qū)動(dòng)超重力裝置和親水、親油高表面潤濕率填料，攻克了強(qiáng)腐蝕條件下的動(dòng)密封和填料潤濕性等工程化難題，建成國內(nèi)外最大的錯(cuò)流超重力裝置，生成硝銨溶液進(jìn)入生產(chǎn)工藝系統(tǒng)回用，實(shí)現(xiàn)高效脫氨除濕，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著，并成功應(yīng)用于金正大等企業(yè)的脫氨工程。這些超重力相關(guān)成果在化肥、煤化工、軍工等20多家企業(yè)得到廣泛應(yīng)用推廣，減排大氣污染物6.8萬噸，回收產(chǎn)品創(chuàng)收1.82億元，經(jīng)濟(jì)效益8.3億元，提質(zhì)、節(jié)能、降耗、減排效果顯著，促進(jìn)行業(yè)科技進(jìn)步和技術(shù)跨越發(fā)展。
超重力除塵技術(shù)還推廣應(yīng)用于貴州、新疆、山西等地，取得顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。目前，有多家企業(yè)與中北大學(xué)超重力中心達(dá)成了超重力除塵合作意向，該項(xiàng)目的推廣應(yīng)用對我國的大氣污染治理必將起到積極的推動(dòng)作用。
專利保護(hù)成助推器
“對于治理環(huán)境污染，一方面要加強(qiáng)人們的環(huán)保意識(shí)，另一方面則需依靠專利技術(shù)及高科技力量解決污染源。”劉有智說。日漸重視超重力研究的國家和地區(qū)已從最早開始的英國迅速擴(kuò)展至中國、美國、印度、澳大利亞等。美國、德國等發(fā)達(dá)國家已將這一技術(shù)列為21世紀(jì)化學(xué)工程優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。
在國內(nèi)，自1984年汪家鼎院士在第二屆高校化學(xué)工程會(huì)議上作了關(guān)于超重力技術(shù)及其應(yīng)用前景的報(bào)告后，北京化工大學(xué)、中北大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等高校競相對這方面進(jìn)行了基礎(chǔ)應(yīng)用研究工作。許多應(yīng)用技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。在國內(nèi)包括超重力技術(shù)在內(nèi)的化工過程強(qiáng)化目前已成為實(shí)現(xiàn)化工過程高效、安全、環(huán)境友好、密集生產(chǎn)，推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新興技術(shù)。
在超重力等自主技術(shù)的開發(fā)過程中，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)至關(guān)重要。近年來國家及地方出臺(tái)的有關(guān)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法律、法規(guī)及政策中，知識(shí)產(chǎn)權(quán)成為其中的重要組成部分。從2012年10月國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布我國首部《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，到今年9月國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，都提出要加大對自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，其中《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》提出了包括專利研發(fā)及技術(shù)改造經(jīng)費(fèi)在內(nèi)的多項(xiàng)工程，“十二五”總投入約達(dá)3500億元。
隨著國家多項(xiàng)政策的出臺(tái)和各地政府的政策引導(dǎo)，特別是在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的支持，國內(nèi)外科技工作者、企業(yè)和科研院所對超重力技術(shù)的廣泛關(guān)注和認(rèn)識(shí)程度的提高，超重力技術(shù)將不斷擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，可望在磺化、硝化、鹵化等快速反應(yīng)，液液接觸與反應(yīng)，節(jié)能降耗等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響，將不斷向緊湊、高效、節(jié)能的方向發(fā)展，極大降低化工產(chǎn)品成本，為化工行業(yè)提效注入新動(dòng)力。
“當(dāng)然，加大防治霧霾技術(shù)的專利研發(fā)力度，需要國家政策給予大力支持，還需要地方政府和社會(huì)各方面的重視。我建議，在修改環(huán)境保護(hù)法、大氣污染防治法，以及出臺(tái)一些更具體的法規(guī)政策中，還要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的作用，引導(dǎo)產(chǎn)學(xué)研各方面加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，以知識(shí)產(chǎn)權(quán)打造綠色產(chǎn)業(yè)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)，從源頭上防治霧霾。”記者發(fā)現(xiàn)，在劉有智近期的一份超重力研究與發(fā)展報(bào)告里，他在這段話下面畫上了紅色的波浪線。
11月23日，山西太原市籠罩在霧霾中。
