圖為在山西天脊集團的超重力選擇性脫硫設備，比美國同類技術選擇性高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)布會宣布：2013年我國平均霧霾天數52年來最多。
12月2日，中國華北至江淮一帶空氣質量較差，達到重度污染至嚴重污染級別，中央氣象臺繼續(xù)發(fā)布霾黃色預警和大霧黃色預警。不過隨著冷空氣的侵入，大風勁吹，霧霾也會“遁形而逃”，藍天白云的好天氣將回歸。
難道除了靠風驅散霧霾，我們就對這一無形殺手無能為力了嗎？作為一項化工技術的重大發(fā)明——超重力，在山西這個煤炭化工大省霧霾源頭治理領域正在逐漸發(fā)揮重要作用。
最近一個月間，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日中北大學校長劉有智教授因其主持的超重力化工科學與技術研究成果突出獲得2013年度何梁何利基金科學與技術創(chuàng)新獎密切相關。這在節(jié)能減排呼聲高漲的當下，獲此殊榮后，劉有智和他致力研究的超重力技術立刻引起了業(yè)界的極大關注。那么，超重力能有效治理霧霾嗎？
“超重力工業(yè)廢氣凈化技術可對各種工業(yè)固體廢棄顆粒和粉塵形成極強的捕獲能力，成為源頭消除霧霾的‘利器’，獲得多個國家科技進步獎項，多項工業(yè)化應用填補了世界空白。”劉有智說。他長期從事超重力化工科學與技術研究，建立完善了氣—液分離與反應成套技術。他告訴記者：“采用超重力技術源頭治霾真的行！”
化學工業(yè)的“晶體管”
“超重力技術作為新型過程強化技術，與傳統化工技術相比，具有傳遞效率高、設備體積小、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，是大型化工裝置小型化、微型化的核心技術，可用于一些傳統技術不能勝任的場合。因此，它被喻為‘化學工業(yè)的晶體管’，是跨世紀的新技術 。”山西省超重力化工工程技術研究中心常務副主任祁貴生表示，這種技術在霧霾的防治上正逢其時。
國外從20世紀80年代初開始了超重力的相關研究工作，側重于超重力分離技術的應用開發(fā)，重點研究項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，并在化工、能源領域實現了工業(yè)化應用。我國開始這項前沿技術的研究是在上世紀90年代初，目前在世界超重力技術的研究和應用開發(fā)領域占有重要地位，在超重力反應工程等方面具有國際領先水平。
北京化工大學教育部超重力工程研究中心的油田注水脫氧，是超重力技術在國內的第一個工業(yè)化應用實例；浙江工業(yè)大學開發(fā)出的一種動、靜折流圈鑲嵌的旋轉床設備，主要應用于化學工業(yè)中的精餾、吸收、解吸、除塵以及氣液、液液化學反應等化工單元操作；華南理工大學在逆流型超重力旋轉填料床基礎上，自主開發(fā)了錯流型多級霧化超重力旋轉床；中北大學超重力中心開發(fā)的超重力除塵技術已成功應用于煤化工生產過程中的燃煤鍋爐除塵、富銨鈣粉塵回收等領域，從研究開發(fā)到工業(yè)應用領域已取得了可喜的成果。
“什么是超重力化工技術呢？我們通俗地說，就是靠旋轉填料床的高速旋轉，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、分離。我們靠一個旋轉填料床模擬了上百或上千倍重力加速度的超重力場，通過大量的實驗研究，體積傳質系數提高了1～3個數量級，意味著效果可以增加上千倍。”山西省超重力化工工程技術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)省設備原材料、催化劑，這已經得到了很多工程的實踐證明。
“如今，霧霾天氣已成了人們心頭之患，而產生霧霾的一個重要根源，就是各種工業(yè)固體廢棄顆粒和粉末。有沒有這樣一種機器和技術，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研究中心時，該中心副主任焦緯洲說，“中國的超重力技術是全世界領先的，這是不容質疑的。我們將超重力技術應用到化工過程中，在助力節(jié)能減排方面已經取得顯著的經濟和社會效益。面對霧霾這個‘難啃的骨頭’，超重力技術應該發(fā)揮其應有的作用。”
圖為應用于山西北方興安化學工業(yè)有限公司的硝煙治理工程超重力裝置。
中北大學超重力中心開發(fā)的超重力除塵技術已成功應用于山西天脊煤化工集團復肥裝置，除塵效率達到了99%以上。
霧霾治理新“利器”
實驗室里，超重力技術可以實現上千倍的傳質效果，在工業(yè)化的應用怎么樣呢？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。據了解，該集團由“六五”期間成套引進8個國家11項專利技術形成合成氨生產能力，因缺乏高濃度CO2中脫除H2S的高選擇性技術，自1987年投產以來，大型合成氨生產過程中排放的含H2S和CO2的廢氣始終未能得到治理。企業(yè)也做過一些嘗試，但實際運行結果大都達不到工藝指標要求，新型脫硫(除塵)技術及設備的研究與開發(fā)成為當時迫切需要加強的環(huán)?？蒲姓n題之一。
“這個技術的研發(fā)與工業(yè)化應用，大家應該是不謀而合的。”天脊集團合成氨廠回收車間主任王曉波指著正在運行的4臺超重力機說。
據他介紹，該脫硫工程先期采用兩個超重力機，直徑1.4米、高3.5米，代替了脫硫塔，采用首創(chuàng)的大通量、低氣阻錯流超重力高選擇性脫硫技術，處理量21000立方米/時，廢氣中CO2濃度99%，H2S濃度10600毫克/立方米。工程實施后，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，彌補了大型合成氨裝置成套引進國外技術的不足。
“設計院曾對這個系統做了一個比對，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米的超重機就能完成。原來塔設備要進1200立方米的液體，從地面打到40米高度，超重機僅用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?？捎^的。這個完成后，CO2吸收率在5％。以內，所以真正做到了簡單條件下的超重力選擇性脫硫。在天脊集團的選擇性脫硫設備比美國同類技術選擇性高28.5%，價格低50%以上，實現了低成本、高選擇性脫硫的重大突破。”山西省超重力化工工程技術研究中心副主任袁志國說。
在天脊集團采用超重力裝置的不止一處，記者看到，中北大學超重力中心開發(fā)的超重力除塵技術已成功應用于煤化工生產過程中的燃煤鍋爐除塵、富銨鈣粉塵回收。
“在生產過程中采用轉鼓流化床造粒工藝，排出尾氣中含有3000毫克/立方米的硝酸銨鈣產品，氣量為43000毫克/立方米，尾氣的直接排放造成了部分產品的流失，同時也污染環(huán)境，急需治理。但由于該尾氣氣量大，粉塵顆粒細小，常規(guī)方法除塵效果很差，除塵設備極易堵塞，不能長期正常運行；同時，廠房內高度僅有5米，富銨鈣生產裝置在22米高的平臺上，空間位置十分有限，傳統除塵設備因除塵效率與空間布置問題而不可行。”天脊集團復肥廠一車間主任郭衛(wèi)東說。
“后來我們采用了中北大學超重力除塵技術及其設備凈化富銨鈣尾氣，超重力除塵裝置直徑1.6米、高3.5米，安裝在了生產現場的室內，滿足了廠房內布置的需要。長期運行結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，除塵效率達到了99%以上，滿足了環(huán)保要求。循環(huán)水量僅為12噸/時，吸塵后的液體可進入生產工序，回收了產品。”郭衛(wèi)東告訴記者。
談到超重力技術，另一個成功案例是應用于山西北方興安化學工業(yè)有限公司的超重力法凈化硝煙技術。據企業(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，因為現在我們國家有幾家企業(yè)還是在常壓應用硝酸，包括火炸藥生產、催化劑生產，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？超重力技術在其中發(fā)揮了作用。
“在火炸藥系統，我們以前叫黃煙，在大型炸藥廠做了實驗，2萬多毫克/立方米用超重機能夠使它百分之四十幾的稀硝酸通過兩級或者三級處理，使得氮氧化物達到歐洲的排放標準。我們因此獨創(chuàng)了超重力常壓凈化高濃度NOx廢氣技術，實現了低成本、低投資，現在已經實現工程化應用。超重力凈化硝煙技術成功應用后，凈化后NOx濃度＜240毫克/立方米，低于國家標準（GB16297-1996）1400毫克/立方米的排放限值，綜合技術經濟指標優(yōu)于國外加壓凈化技術，其中投資為加壓吸收技術的1/4；運行費為加壓技術的21％，年節(jié)省570萬元。替代引進國外加壓凈化技術，獲國家發(fā)明專利1項，還填補了這一領域的科技空白。就這樣，昔日高聳煙囪上的‘黃龍’，由濃到淡永遠地‘飛’走了。” 李主任告訴記者。
目前，中北大學構建的脫氨除濕錯流超重力技術，成功開發(fā)磁力驅動超重力裝置和親水、親油高表面潤濕率填料，攻克了強腐蝕條件下的動密封和填料潤濕性等工程化難題，建成國內外最大的錯流超重力裝置，生成硝銨溶液進入生產工藝系統回用，實現高效脫氨除濕，經濟效益和環(huán)境效益顯著，并成功應用于金正大等企業(yè)的脫氨工程。這些超重力相關成果在化肥、煤化工、軍工等20多家企業(yè)得到廣泛應用推廣，減排大氣污染物6.8萬噸，回收產品創(chuàng)收1.82億元，經濟效益8.3億元，提質、節(jié)能、降耗、減排效果顯著，促進行業(yè)科技進步和技術跨越發(fā)展。
超重力除塵技術還推廣應用于貴州、新疆、山西等地，取得顯著的經濟和環(huán)境效益。目前，有多家企業(yè)與中北大學超重力中心達成了超重力除塵合作意向，該項目的推廣應用對我國的大氣污染治理必將起到積極的推動作用。
專利保護成助推器
“對于治理環(huán)境污染，一方面要加強人們的環(huán)保意識，另一方面則需依靠專利技術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展至中國、美國、印度、澳大利亞等。美國、德國等發(fā)達國家已將這一技術列為21世紀化學工程優(yōu)先發(fā)展的領域。
在國內，自1984年汪家鼎院士在第二屆高?；瘜W工程會議上作了關于超重力技術及其應用前景的報告后，北京化工大學、中北大學、華南理工大學、浙江工業(yè)大學等高校競相對這方面進行了基礎應用研究工作。許多應用技術達到了國際領先或先進水平。在國內包括超重力技術在內的化工過程強化目前已成為實現化工過程高效、安全、環(huán)境友好、密集生產，推動社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的新興技術。
在超重力等自主技術的開發(fā)過程中，知識產權保護至關重要。近年來國家及地方出臺的有關環(huán)境保護的相關法律、法規(guī)及政策中，知識產權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、環(huán)境保護部、財政部聯合發(fā)布我國首部《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，到今年9月國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，都提出要加大對自主知識產權的相關技術的研發(fā)，其中《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》提出了包括專利研發(fā)及技術改造經費在內的多項工程，“十二五”總投入約達3500億元。
隨著國家多項政策的出臺和各地政府的政策引導，特別是在知識產權方面的支持，國內外科技工作者、企業(yè)和科研院所對超重力技術的廣泛關注和認識程度的提高，超重力技術將不斷擴展應用領域，可望在磺化、硝化、鹵化等快速反應，液液接觸與反應，節(jié)能降耗等領域產生深刻的影響，將不斷向緊湊、高效、節(jié)能的方向發(fā)展，極大降低化工產品成本，為化工行業(yè)提效注入新動力。
“當然，加大防治霧霾技術的專利研發(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各方面的重視。我建議，在修改環(huán)境保護法、大氣污染防治法，以及出臺一些更具體的法規(guī)政策中，還要進一步強調自主知識產權的作用，引導產學研各方面加強技術創(chuàng)新，以知識產權打造綠色產業(yè)、生態(tài)產業(yè)，從源頭上防治霧霾。”記者發(fā)現，在劉有智近期的一份超重力研究與發(fā)展報告里，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。
