波與機(jī)械攪拌耦合作用下鋅灰吸收低濃度二氧化硫的研究(doc 27頁).doc

基于超聲波與機(jī)械攪拌耦合作用下鋅灰吸收低 濃度二氧化硫的研究 Study on absorption of low concentration SO2 with zinc ash based on the method of coupling ultrasonic wave and mechanical agitation i 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 基于超聲波與機(jī)械攪拌耦合作用下的鋅灰吸收低濃度基于超聲波與機(jī)械攪拌耦合作用下的鋅灰吸收低濃度 SO2 的研究的研究 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 論文論文 的基本內(nèi)容 的基本內(nèi)容 一 考察溫度對(duì)二氧化硫氣體吸收的影響 二 考察攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)二氧化硫氣體吸收的影響 三 考察鋅灰液固比對(duì)二氧化硫氣體吸收的影響 四 考察二氧化硫濃度與二氧化硫吸收的關(guān)系 五 考察超聲波對(duì)鋅灰礦漿化及二氧化硫吸收的影響 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 專題部分 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 專題部分 題目 題目 設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容 設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容 學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目日期學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目日期 第第 周周 指導(dǎo)教師簽字 指導(dǎo)教師簽字 年年 月月 日日 ii 基于超聲波與機(jī)械攪拌耦合作用下鋅灰吸收低 濃度二氧化硫的研究 摘 要 關(guān)于二氧化硫煙氣的防治與處理方法 研究最多 進(jìn)展較快的是煙氣脫硫技術(shù) 在眾多煙氣脫硫技術(shù)中 脫硫劑的選擇是核心問題 本論文針對(duì)傳統(tǒng)煙氣脫硫技術(shù)存 在的廢棄物堆存占地大 二次污染嚴(yán)重等問題 提出了采用以冶煉廠中鋅灰廢棄物作 為煙氣脫硫劑 處理低濃度 SO2的新工藝 即首先將鋅灰進(jìn)行礦漿化處理 然后在機(jī) 械攪拌和超聲波耦合作用下對(duì)低濃度 SO2煙氣進(jìn)行吸收脫硫處理 本論文系統(tǒng)研究了 溫度 液固比 攪拌轉(zhuǎn)速 二氧化硫氣體濃度以及超聲波功率等因素對(duì)煙氣脫硫效果 的影響 得到了以下結(jié)論 1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 氧化鋅法吸收低濃度的 SO2在技術(shù)上是可行的 能夠?qū)崿F(xiàn) SO2的達(dá)標(biāo)排放 具有脫硫率高 操作控制方便等優(yōu)點(diǎn) 2 綜合考慮二氧化硫吸收時(shí)間或出口濃度 氧化鋅吸收低濃度 SO2適宜的條件 為 反應(yīng)溫度為 25 C 液固比為 50 1 攪拌轉(zhuǎn)速為 200rpm 濃度小有利于二氧化硫的 吸收 3 在超聲波作用下 有利于鋅灰礦漿化 在一定程度上促進(jìn)了二氧化硫的吸收 利用鋅灰礦漿可以有效吸收低濃度的 SO2 實(shí)現(xiàn)低濃度 SO2煙氣脫硫的有效處理 同時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了鋅灰中的 ZnO 的綜合利用 本論文研究結(jié)果為以鋅灰做煙氣脫硫劑 處理低濃度 SO2的新工藝工業(yè)化應(yīng)用 同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋅灰的綜合利用提供了理論依據(jù) 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 鋅灰 低濃度二氧化硫 超聲波 脫硫 iii Study on absorption of low concentration SO2 with zinc ash based on the basis of coupling ultrasonic wave and mechanical agitation ABSTRACT In prevention and treatment of SO2 nowadays FGD technology is the most studied and developed rapidly Among various FGD technologies the key is choice of desulfurizing agent The large stacking area and serious secondary pollution have constrained the development and application of the traditional FGD technologies to some extent Therefore this paper proposes to use zinc ash which as the waste of the smelter to absorb the low concentration SO2 The process firstly pulps the zinc ash and then absorb low concentration SO2 with zinc ash based on the method of coupling ultrasonic wave and mechanical agitation This paper studies the effects of zinc ash liquid solid ratio temperature speed of impeller gas concentration and ultrasonic power on the gas desulfurazition The following conclusions are developed 1 The results show that absorption of low concentration SO2 with zinc ash is technically feasible standard discharge can be achieved and it has advantages of high desulfurazition rate and easy control 2 Considering standard exceeding time or outlet concentration of SO2 the suitable conditions are selected as follows temperature is 25 C zinc ash liquid solid ratio is 50 1 and speed of impeller is 200rpm low gas concentration is conductive to the absorption of SO2 3 Ultrasonic wave is beneficial for pulping zinc ash and has prompted absorption of SO2 to some extent Using zinc ash slurry can absorb low concentration SO2 effectively achieve effective gas desulfurazition of low concentration SO2 and have the effective implementation of the comprehensive utilization of ZnO in zinc ash This paper provides a theoretical basis for the use of zinc ash as desulfurizing agent to deal with low concentration in industry and comprehensive utilization of zinc ash iv Key words zinc ash low concentration SO2 ultrasonic wave desulfurization 目 錄 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 i 摘 要 ii ABSTRACT iii 第 1 章 緒論 1 1 1 低濃度二氧化硫的危害與處理 1 1 1 1 低濃度二氧化硫的來源 1 1 1 2 低濃度二氧化硫的危害 1 1 1 3 低濃度二氧化硫的處理 4 1 2 鋅灰的研究現(xiàn)狀 6 1 2 1 鋅灰的來源 6 1 2 2 鋅灰的利用 7 1 3 課題的提出 9 1 4 本文的主要研究內(nèi)容 10 第 2 章 實(shí)驗(yàn)原理與方法 11 2 1 超聲波吸收裝置的設(shè)計(jì) 12 2 1 1 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì) 12 2 1 2 超聲波簡介 14 2 1 3 超聲波發(fā)生器與換能器 15 2 2 實(shí)驗(yàn)原理 18 2 3 實(shí)驗(yàn)方法 19 2 3 1 實(shí)驗(yàn)原料 19 2 3 2 實(shí)驗(yàn)流程 19 2 3 4 二氧化硫的吸收 20 第 3 章 礦漿化的實(shí)驗(yàn)研究 22 3 1 機(jī)械作用下的鋅灰礦漿化 22 3 2 機(jī)械與超聲波耦合下的鋅灰礦漿化 23 第 4 章 鋅灰吸收低濃度二氧化硫的研究 25 4 1 機(jī)械攪拌作用下鋅灰礦漿吸收低濃度二氧化硫的研究 25 4 1 1 溫度對(duì)二氧化硫吸收率的影響 25 4 1 2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)二氧化硫吸收率的影響 27 4 1 3 液固比對(duì)二氧化硫吸收率的影響 28 4 1 4 氣體濃度對(duì)二氧化硫吸收率的影響 29 4 2 超聲波與機(jī)械攪拌耦和作用下鋅灰礦漿吸收低濃度二氧化硫的研 究 30 4 3 小結(jié) 31 第 5 章 鋅灰吸收后處理過程的研究 硫酸鋅結(jié)晶 32 第 6 章 結(jié)論 33 參考文獻(xiàn) 34 致謝 36 附錄 37 1 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 低濃度二氧化硫的危害與處理 1 1 1 低濃度二氧化硫的來源 在對(duì)大氣質(zhì)量造成影響的各種氣態(tài)污染物中 二氧化硫煙氣的數(shù)量很大 影響面 也最廣 因此 二氧化硫成為影響大氣質(zhì)量的最主要的氣態(tài)污染物 很多國家和地區(qū) 往往也把二氧化硫作為衡量本國 本地區(qū)大氣質(zhì)量的主要指標(biāo)之一 二氧化硫的發(fā)生源很廣 煤 石油 礦石等在燃燒時(shí)都會(huì)釋出 而以煤 石油釋 出的量最大 據(jù)統(tǒng)計(jì) 排入大氣中的二氧化硫 有 97 來自石油和煤 2 5 來自礦石 燒結(jié) 0 5 則來自硫酸尾氣 在二氧化硫的來源中 以火力發(fā)電廠排放的煙氣量為最 大 其次為金屬冶煉 排放量大且集中 通過燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程所排放的二氧 化硫廢氣 有的濃度較高 如有色冶煉廠的排氣 一般將其稱為高濃度二氧化硫廢氣 有的廢氣濃度較低 主要來自燃料燃燒過程 如火電廠的鍋爐煙氣 二氧化硫濃度大 多為 0 1 0 5 最多不超過 2 屬低濃度二氧化硫廢氣 1 2002 年 我國 10 種常用有色金屬冶煉行業(yè)的副產(chǎn)二氧化硫總量約 6200kt 其中用 于制酸約 4770kt 經(jīng)過處理的量約 230kt 未治理直接排入大氣的量約 1200kt 占我國 二氧化硫排放總量的 6 對(duì)于高濃度二氧化硫廢氣 目前采用接觸氧化法制取硫酸 工藝成熟 對(duì)低濃度 二氧化硫廢氣來說 大多廢氣排放量很大 加之二氧化硫濃度很低 工業(yè)回收不經(jīng)濟(jì) 但它對(duì)大氣質(zhì)量影響卻很大 因此必須給予治理 所謂排煙脫硫 一般是指對(duì)這部分 廢氣的治理 1 1 2 低濃度二氧化硫的危害 在五種主要的大氣污染物 一氧化碳 二氧化硫 碳?xì)浠?飄塵 氮氧化物 中 二氧化硫的含量約占 15 它的毒害作用很大 SO2為無色氣體 具強(qiáng)烈辛辣刺 激性 溶于水 呈酸性 大氣中 SO2在水蒸氣作用 pH4 以下 生成酸雨 可危害農(nóng) 業(yè) 林業(yè)和養(yǎng)殖業(yè) 還可腐蝕建筑物 1930 年比利時(shí)馬斯河谷大氣污染事件 l948 年 美國多諾拉事件 1952 年英國倫敦?zé)熿F事件都是直接或間接的由二氧化硫引起的 二氧化硫的污染具有低濃度 大范圍 長期作用的特點(diǎn) 其危害是慢性和迭加累 進(jìn)性的 大氣中的二氧化硫?qū)θ祟惤】?自然生態(tài) 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 建構(gòu)筑物材料等方 2 面的危害更加廣泛和嚴(yán)重 1 二氧化硫?qū)θ梭w的危害 二氧化硫?qū)θ梭w健康的影響很大 2 空氣中不同濃度的二氧化硫?qū)θ说挠绊懸姳?1 1 表 1 1 空氣中二氧化硫的不同含量對(duì)人體的影響 Table1 1 Influences of sulfur dioxide of different levels on human body 濃度 ppm對(duì)人體的影響 0 01 0 1由于光化學(xué)反應(yīng)生成分散性顆粒 引起視野距離縮小 0 1 1植物及建筑材料遭受損害 1 10 其中 1 5 5 10 對(duì)人有刺激作用 感覺到 SO2氣味 人在此環(huán)境下進(jìn)行較長時(shí)間的操作尚能忍受 10 100 20 100 對(duì)動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)種種癥狀 人因受到刺激而引起咳嗽 流淚 人僅能忍受短時(shí)間的操作 喉嚨有異常感 噴嚏 疼痛 啞嗓 咯痰 胸痛 并且呼吸困難 400 500人立即引起嚴(yán)重中毒 呼吸道閉塞而窒息死亡 長期吸入低濃度二氧化硫 往往會(huì)引起鼻炎 咽喉炎 支氣管炎 嗅覺和味覺減 退等癥狀 個(gè)別人易誘發(fā)支氣管哮喘 也可能有頭痛 乏力等癥狀 根據(jù) X 射線檢查 曾發(fā)現(xiàn)十年以上的接觸者有少數(shù)可見肺有彌漫對(duì)稱性的纖維組織增生 肺紋理增多 紊亂 支氣管變形及不同程度的肺氣腫 長期接觸硫酸霧的工人 會(huì)有鼻粘膜萎縮伴 有嗅覺減退或消失 慢性支氣管炎和牙齒酸蝕癥等 二氧化硫和飄塵有聯(lián)合毒性作用 二氧化硫和飄塵一起進(jìn)入人體 飄塵氣溶膠微 粒能把二氧化硫帶到肺的深部 使毒性增加 3 4 倍 3 此外 飄塵中含有三氧化二鐵 等金屬成分 吸附在飄塵微粒的表面 被帶入呼吸道深部 硫酸霧的刺激作用比二氧 化硫約強(qiáng) 10 倍 二氧化硫還有促癌作用 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明 10mg m3的二氧化硫可以增 強(qiáng)致癌物苯并 a 芘的致癌作用 2 二氧化硫?qū)χ参锖蜕鷳B(tài)的危害 植物對(duì)空氣中存在的二氧化硫特別敏感 4 主要通過葉面氣孔進(jìn)入植物體 如果二 氧化硫濃度和持續(xù)時(shí)間超過了本身的自解機(jī)能 即閾值濃度 時(shí) 就會(huì)破壞植物正常 生理功能 使光和作用降低 影響體內(nèi)物質(zhì)代謝和酶的活性 從而使葉細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁 3 分離 崩潰 葉綠素分解等 從表現(xiàn)看 葉片發(fā)生傷斑 枯黃 卷 落 枯死等 在 植物中樹對(duì)二氧化硫最為敏感 很容易造成葉綠素的破壞和組織脫水壞死 二氧化硫?qū)χ参锏奈：V泛 樹木長期在含二氧化硫的大氣中 會(huì)生長緩慢或停 滯 同時(shí)會(huì)降低抗病蟲害能力 造成間接危害 空氣中二氧化硫?qū)χ参锏奈：σ姳?1 2 表 1 2 空氣中二氧化硫?qū)χ参锏奈：?Table1 2 Damages of sulfur dioxide on plant SO2質(zhì)量濃度 mg m 3影 響 程 度 2 3 2 9蔬菜在 3h 內(nèi)受害 樹木在數(shù) 10h 內(nèi)受害 5 7 8 6許多植物在 5 15h 內(nèi)出現(xiàn)癥狀 14 3某些樹木在 1 8h 內(nèi)出現(xiàn)受害癥狀 17 2 20 0某些抗性強(qiáng)的植物在 24h 內(nèi)受害 28 6許多植物可能發(fā)生急性危害 57 2許多農(nóng)作物 蔬菜發(fā)生急性危害 明顯減產(chǎn) 0 86大多數(shù)植物短時(shí)間接觸不受影響 1 14敏感植物如蕎麥 苜蓿在 7h 內(nèi)受害 地衣苔蘚幾十小時(shí)枯 死 1 43一般植物可以發(fā)生危害 西紅柿在 6h 受害 自然界二氧化硫濃度通常在 0 0001 0 001ppm 之間 當(dāng)一地區(qū)的二氧化硫年平均 濃度達(dá)到 0 01 0 08ppm 時(shí) 許多植物就開始受到不同濃度的傷害 也有些植物在更低 的濃度下便遭損傷 二氧化硫?qū)χ参镂：Φ拇笮∨c其濃度和作用時(shí)間成正比 同時(shí)還與環(huán)境條件 季 節(jié)及植物生長期有關(guān) 一般夏季 特別是白天陽光強(qiáng)度大 溫度高時(shí) 受害嚴(yán)重 因 為此時(shí)葉子的氣孔充分開放 進(jìn)入植物體內(nèi)的二氧化硫機(jī)會(huì)多 二氧化硫的危害使農(nóng)作物生產(chǎn)遭受到重大的經(jīng)濟(jì)損失 因此了解引起植物受害的 臨界濃度以防止大氣污染是很重要的 日本農(nóng)林省農(nóng)林水產(chǎn)技術(shù)會(huì)議提出 農(nóng)作物出 現(xiàn)可見性受害的限度是在二氧化硫 0 3ppm 中暴露十小時(shí) 3ppm 中十分鐘 利用某些植物本身的生理和環(huán)境條件以及植物種類等不同 對(duì)二氧化硫的敏感程 度可以有幾倍以上的差異 利用這些植物對(duì)二氧化硫十分敏感的特點(diǎn)作為表示大氣中 有二氧化硫存在的指示植物 以監(jiān)測(cè)大氣污染狀況 4 3 二氧化硫?qū)Σ牧系挠绊?二氧化硫能使油漆光澤降低 10 80 使油漆對(duì)水敏感 還能使某些油漆變色 二氧化硫在大氣中吸收水變成硫酸或是吸附在金屬表面變成硫酸 對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕 大氣中的硫酸鹽類也能加速很多金屬的腐蝕 此外 二氧化硫能腐蝕很多種建筑材料 如石灰石 大理石 方解石 石板瓦以及雕像 建筑藝術(shù)品 使之褪色或損壞 某些 紡織纖維 如棉 人造絲及尼龍 也能被空氣中的二氧化硫損壞 1 1 3 低濃度二氧化硫的處理 目前 大多數(shù)國家把大氣中二氧化硫控制在 0 05 或 0 04ppm 以內(nèi) 超過這個(gè)數(shù)值 就叫做大氣污染 二氧化硫的防治措施目前主要有下列幾種途徑 5 1 高煙囪擴(kuò)散稀釋 此法系將工廠排出的含有二氧化硫煙氣從相當(dāng)高度的煙囪排出 利用自然擴(kuò)散稀 釋 使降到地面上任何地點(diǎn)的二氧化硫濃度低于最高容許濃度 煙囪高度根據(jù)排出的 二氧化硫的絕對(duì)量及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件計(jì)算而定 高煙囪的最大缺點(diǎn)是造價(jià)太高 造價(jià)與高度的二次方成比例 一般情況下 超過 100 米 造價(jià)迅速增高 而且這種方法沒有從根本上解決二氧化硫?qū)Υ髿獾奈廴?譬如 英國采取超高煙囪 使煙氣越出國境 跑到 2000 公里以外的北歐上空 高空煙氣中的 二氧化硫經(jīng)過日光和濕氣作用 起了化學(xué)變化 使降水中含有硫酸 引起北歐諸國雨 水 pH 值連年下降 在氣象條件惡劣 擴(kuò)散不良時(shí) 超高煙囪仍然不能達(dá)到充分稀釋的 目的 2 燃料脫硫 由于低硫燃料來源困難 價(jià)格較高 歐 美 日本已進(jìn)行了燃料脫硫的研究 日 本重點(diǎn)在研究重油脫硫 由于重硫中所含的硫主要是有機(jī)硫 目前還沒有處理費(fèi)用低 廉的方法 設(shè)備投資大 成本大 而且技術(shù)也沒有完全過關(guān) 美國則重點(diǎn)研究煤的脫 硫 其基本途徑是采取液化氣辦法 仍處于中間試驗(yàn)狀態(tài) 3 煙氣脫硫 煙氣脫硫目前研究的最多 進(jìn)展的也較快 煙氣中的硫是以二氧化硫的形態(tài)存在 的 脫硫技術(shù)比較簡單 對(duì)于低濃度二氧化硫的處理 從技術(shù) 成本等法國滿綜合考 慮 今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi) 對(duì)大氣中二氧化硫的防治 仍會(huì)以煙氣脫硫的方法為主 世界各國研究的煙氣脫硫方法估計(jì)超過 200 種 其中有的進(jìn)行了中間試驗(yàn) 有的 5 還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段 真正能用于工業(yè)生產(chǎn) 技術(shù)上成熟且經(jīng)濟(jì)上可行的約有十幾 種 當(dāng)前應(yīng)用的煙氣脫硫方法 大致可分為兩類 即干法脫硫與濕法脫硫 干法脫硫 該法是使用粉狀 粒狀吸收劑 吸附劑或催化劑去除廢氣中的二氧化 硫 干法的最大優(yōu)點(diǎn)是治理中無廢水 廢酸排出 減少了二次污染 缺點(diǎn)是脫硫效率 低 設(shè)備龐大 操作要求高 濕法脫硫 該法是采用液體吸收劑如水或堿溶液洗滌含二氧化硫的煙氣 通過吸 收去除其中的二氧化硫 濕法脫硫所用設(shè)備較簡單 操作容易 脫硫效率較高 但脫 硫后煙氣溫度較低 于煙囪排煙擴(kuò)散不利 由于使用不同的吸收劑可獲得不同的副產(chǎn) 物而加以利用 因此濕法是各國研究最多的方法 根據(jù)對(duì)脫硫生成物是否應(yīng)用 脫硫方法還可分為拋棄法和回收法兩種 拋棄法是將脫硫生成物當(dāng)成固體廢物拋掉 該法處理方法簡單 處理成本低 因 此在美國 德國等國采用拋棄法的很多 但是拋棄法不僅浪費(fèi)了可利用的硫資源 而 且也不能徹底解決環(huán)境污染問題 只是將污染物從大氣中轉(zhuǎn)移到了固體廢物中 不可 避免的引起二次污染 為解決拋棄法中所產(chǎn)生的大量固體廢棄物 還需占用大量的處 置場地 因此 此法不適于我國國情 不宜大量使用 回收法則是采用一定的方法將廢氣中的硫加以回收 轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用價(jià)值的副產(chǎn) 物 該法可綜合利用硫資源 避免了固體廢物的二次污染 大大減少了處置場地 并 且回收的副產(chǎn)品還可創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益 使脫硫費(fèi)用有所降低 但到目前為止 在 已發(fā)展應(yīng)用的所有回收法中 其脫硫費(fèi)用大多高于拋棄法 而且所得副產(chǎn)物的應(yīng)用及 銷售也都存在著很大的限制 特別是對(duì)低濃度二氧化硫煙氣的治理 需龐大的脫硫裝 置 對(duì)治理系統(tǒng)的材料要求也較高 因此在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)效益上還存在著一定的困難 由于環(huán)境保護(hù)的需要 從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看 我國應(yīng)以發(fā)展回收法為主 根據(jù)凈化原理和流程來分類 煙氣脫硫方法又可以分為下列三類 6 a 用各種液體或固體物料優(yōu)先吸收或吸附廢氣中的二氧化硫 b 將廢氣中的二氧化硫在氣流中氧化為三氧化硫 再冷凝為硫酸 c 將廢氣中的二氧化硫還原為硫 再將硫冷凝 在上述三類方法中 目前以 a 類方法應(yīng)用最多 其次是 b 法 c 法現(xiàn)在還存在著一 定的技術(shù)問題 故應(yīng)用很少 6 近幾年 我國有色冶煉有了較大的進(jìn)展 有色金屬產(chǎn)量在不斷的增加 7 有色冶金 行業(yè)采用先進(jìn)的冶煉技術(shù) 提高了煙氣二氧化硫的濃度 高濃度二氧化硫煙氣可以直 接制酸 2001 年我國冶煉行業(yè)總共有 90 多套制酸裝置 冶煉煙氣制酸產(chǎn)量達(dá)到 7010kt 占全國硫酸總產(chǎn)量的 25 3 然而 有色冶金爐窯產(chǎn)出的煙氣二氧化硫濃度低 且波動(dòng)兩大 不能采用常規(guī)的方法制酸工藝處理 具體的低濃度二氧化硫氣體處理工 藝 8 見表 1 3 表 1 3 低濃度二氧化硫氣體處理工藝 Table1 3 Processes of the low concentration sulfur dioxide 工藝 吸收劑 反應(yīng)產(chǎn)物 排放物 消耗 產(chǎn)品及處理 硫酸生產(chǎn) 無 硫酸 副 濕法氣體凈化 電 水 硫酸是基礎(chǔ)化學(xué) 產(chǎn)蒸汽 系統(tǒng)的硫酸 品 有廣泛用途 氫氧化鈉 NaOH 硫酸鈉 中性溶解鹽 往 NaOH 可棄置于江河 洗滌法 亞硫酸鈉 往可棄置于江河 電 水 石灰 石灰 CaCO3 石膏 石膏洗滌裝置 石灰 石灰石 若符合要求石膏 石洗滌法 Ca OH 2 排污 電 水 可出售 再生式 SO2 無 高濃度液 濕法氣體凈化系 蒸汽 電 液體 SO2用于 脫除工藝 體 SO2 統(tǒng)的硫酸需處理 水 冷卻水 許多工藝 干法脫硫 Ca OH 2 CaSO4 無 電 未知 工藝 CaSO3 Ca OH 2 硫磺生產(chǎn) 無 液體或固體 濕法氣體凈化系統(tǒng) 電 水 是基礎(chǔ)化學(xué)品 硫磺 的硫酸需處理 氣 天然氣 質(zhì)量好可以出售 體處理前需濃縮 CH4 硫酸銨生產(chǎn) 氨水 硫酸銨 取決于進(jìn)一步 NH3 電 取決于使用的可 能 使用 水 性 磺酸生產(chǎn) 無 w H2SO4 濕法氣體凈化系 電 用于工藝系統(tǒng) 如 20 40 的 統(tǒng)的硫酸需處理 有可能濃縮 硫酸 Peracidox 法 H2O2 約 50 濕法氣體凈化系 H2O2 硫酸直接使用或 統(tǒng)的硫酸需處理 電 水 用于酸稀釋硫酸 雙堿法 石灰 石灰 中間產(chǎn)品硫 石膏 電 石灰 若質(zhì)量符合要求 石 NaOH 酸鈉 最終 NaOH 石膏可以出售 產(chǎn)品石膏 氧化鋅法 ZnO 硫酸鋅 稀酸 電 水 在鋅冶煉廠硫酸 鋅 鋅焙砂 亞硫酸鋅 氧化鋅 用于浸出 亞硫酸 鋅用于焙燒 1 2 鋅灰的研究現(xiàn)狀 7 1 2 1 鋅灰的來源 鋅灰主要是氧化鋅 金屬鋅 氯化物及不溶于酸的雜質(zhì)的混合體 鋅灰中的氧化 鋅一部分是單純的氧化鋅 一部分和其他氧化物粘合在一起 在我國 隨著鍍鋅鋼材及其它鋅鉛防腐鋼材消費(fèi)量的增加以及鋼鐵廠廢鋼消費(fèi)量 的不斷提高 鋼鐵廠含鋅粉塵的產(chǎn)量和其中的鋅含量也不斷增加 2007 年我國的鋼產(chǎn)量為 4 9 億噸 鋼鐵企業(yè)粉塵總量一般為鋼產(chǎn)量的 8 12 由此計(jì)算 全國鋼鐵行業(yè)每年產(chǎn)生的粉塵約為 4000 6000 萬噸 9 一般來講 鋼鐵企 業(yè)含鋅粉塵占粉塵總量的 20 30 在熱鍍鋅鋼材生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢料主要是鋅灰 噴吹粉塵和鋅渣 其產(chǎn)生的數(shù) 量是很可觀的 表 1 4 為對(duì)鍍鋅鋼板生產(chǎn)的一組統(tǒng)計(jì)數(shù)字 其中鋅灰的成分因工藝而不 同 但是都含有氧化鋅和鋅粒 表 1 4 鍍鋅時(shí)鋅渣和鋅灰產(chǎn)量 Table1 4 Zinc dross and zinc dust production 生產(chǎn)工藝 鋅鍋 底渣量 kg t 1 鋅灰量 kg t 1浮渣量 kg t 1 單張鍍鐵 7 9 7 17 連續(xù)熱鍍鐵 2 5 1 8 連續(xù)熱鍍陶 瓷 0 31 2 5 鋅灰的數(shù)量由生產(chǎn)條件 特別是鋅液自由表面的大小和鋅液表面的清理次數(shù)來決 定 例如在鋼管鍍鋅時(shí) 一般鋅灰數(shù)量占被鍍鋅鋼管重量的 0 5 3 5 在鋼管從鋅 液中抽出之前 要將抽出位置鋅液表面上的鋅灰用刮鏟 灰耙 收集到鍍鋅鍋的一端 然后用漏勺將鋅灰撈出 并使鋅液從漏勺中流回到鍍鋅鍋內(nèi) 但是 仍然要有 30 40 的鋅殘留在鋅灰總 其中 小粒金屬鋅占全部鋅灰重量的 15 35 鋅灰 所消耗的鋅的重量占全部用鋅量的 10 20 此外 在鍍鋅企業(yè) 也會(huì)產(chǎn)生含鋅 60 70 的鍍鋅廢料 1 2 2 鋅灰的利用 目前對(duì)鋅含量小于 1 的冶金塵泥 主要用于燒結(jié)配料 10 實(shí)現(xiàn)冶金內(nèi)部的循環(huán) 基本得到了二次利用 而高鋅的含鐵塵泥 Zn 1 一般以露天堆放為主 如表 1 5 所示 為寶鋼粉塵大致化學(xué)成分 8 表 1 5 寶鋼粉塵大致化學(xué)成分 Table 1 5 General chemical composition of Baosteel dust TFe SiO2 CaO MgO C Zn Pb 高爐瓦斯泥 56 4 5 5 1 10 26 0 05 2 0 13 二次除塵灰 51 4 6 10 7 8 3 5 3 4 0 79 粉塵 53 2 4 9 3 1 4 2 4 0 42 對(duì)于高鋅含鐵塵泥的二次資源化 目前的處理工藝大致可分為物理法處理工藝 濕法處理工藝和火法處理工藝 一般來說 物理法只作為濕法或火法工藝的預(yù)處理 對(duì)于上述冶金企業(yè)的冶金塵泥 由于其含鋅量仍然較低 并不適合用來處理二氧 化硫 本論文中提到的鋅灰為鉛鋅冶煉企業(yè)或熱鍍鋅行業(yè)的中間產(chǎn)物 其含鋅量較高 一般在 50 或以上 對(duì)于鍍鋅企業(yè)的含鋅量很高的廢料 還有許多其它的利用方法 如四平師范學(xué)院 化學(xué)系科研組經(jīng)多次試驗(yàn)用鋅灰制成鋅肥 此方法使廢料得到再次利用 并得到了很 好的經(jīng)濟(jì)效益 此外利用鋅灰回收氧化鋅是應(yīng)用較廣泛的一項(xiàng)技術(shù) 目前 在熱鍍鋅行業(yè)對(duì)鋅灰的處理主要是將各種成分進(jìn)行分離后而加以利用 在 鋅灰內(nèi)含有 50 左右的鋅粒 這是在耙鋅灰時(shí)帶入的 如果將鋅灰經(jīng)過碾壓粉碎 則 可以將鋅粒篩出后用于鍍鋅 對(duì)于氧化鋅和氯化鋅則可以用火法提煉 11 即將氧化鋅與焦炭混合 加熱到 900 以上時(shí) 碳將氧化鋅還原 鋅變?yōu)檎魵?經(jīng)冷凝后可得鋅 在熱浸鋅企業(yè)可以采用的處理鋅灰方法有三種 1 圓筒法 這是最簡單的鋅灰處理方法 將開口圓筒一部分浸入鋅鍋一端的鋅浴中 在圓筒 上成直角焊上兩個(gè)掛耳以固定在鋅鍋側(cè)壁上 這種方法可以作為鍍鋅操作的一部分 連續(xù)進(jìn)行 鋅灰從鋅浴表面撈取后直接置于圓筒內(nèi) 對(duì)圓筒內(nèi)的鋅灰不時(shí)加以攪拌 以便于游離的金屬鋅與氧化鋅分離 使分離出的金屬鋅流回鋅浴中 當(dāng)鋅灰處理成細(xì) 粉狀后 即可從圓筒中撈出去除 撈取時(shí)用多孔勺輕敲筒壁 以盡可能使金屬鋅回流 至鋅浴 要獲得較好的回收效果 應(yīng)使圓筒內(nèi)的鋅灰深度在任何時(shí)刻均不超出 100 125mm 采用該法設(shè)備費(fèi)可不計(jì) 亦不需要額外的人工及燃料 鋅灰也不會(huì)因久置而氧化 鋅的回收量也較高 但圓筒法減小了鋅浴面的操作面積 可能會(huì)影響鍍鋅操作 9 2 靜態(tài)坩堝法 采用坩鍋爐進(jìn)行處理 為了維持鋅中盡可能低的含鐵量 宜采用石墨坩堝而非鐵 坩堝 爐體可加蓋 若燃油或燃?xì)鈺r(shí)應(yīng)有煙囪將煙氣導(dǎo)出 在坩堝內(nèi)先熔一些鋅 加 入少量鋅灰攪拌 在每次添加鋅灰前將已處理的鋅灰細(xì)粉撈除 溫度應(yīng)維持在 450 500 再升高溫度會(huì)造成鋅灰只能夠的金屬鋅氧化而損失 坩堝盛滿時(shí) 即用 勺取出 但仍留少量鋅墊底 如此循環(huán)操作 對(duì)于直徑為 450mm 深為 500mm 坩堝的坩鍋爐 在 8min 內(nèi)可處理約 25kg 鋅灰 1h 可處理 150kg 鋅灰 一名操作人員一周內(nèi)可處理鋅灰 5 6t 若鋅鍋中無足夠空間容納圓筒 則可用此法 其處理量基本可滿足鍍鋅操作產(chǎn)生 的鋅灰量的處理 3 旋轉(zhuǎn)坩堝法 此法所需設(shè)備較昂貴 包括燃?xì)饣蛉加哇徨仩t及與水平位置成 30 40 的旋轉(zhuǎn)瓶 狀坩堝 操作溫度一般在 700 以上 以處理大塊的鋅灰 由于打開爐蓋將處理后的鋅 液倒出時(shí)有濃煙逸出 故應(yīng)采用有效的排氣裝置 可容鋅灰 100kg 旋轉(zhuǎn)坩堝的處理效 率約 200 159kg h 實(shí)際上 采用上述任一種方法 均可獲得 50 以上的回收率 但若鋅灰堆放的時(shí) 間太長 則回收率將大大降低 還有的將含助鍍劑的鋅灰經(jīng)水洗 所得溶液可在配制助鍍劑時(shí)使用 12 也有的工 廠把鋅灰作為化工行業(yè)使用的原料出售 用于生產(chǎn)氯化鋅 硫酸鋅或氧化鋅等的原料 本研究中利用鋅灰中的氧化鋅成分來吸收煙氣中低濃度二氧化硫 1 3 課題的提出 鉛鋅冶煉企業(yè)排放的低濃度二氧化硫廢氣和硫酸尾氣是造成我國大氣中二氧化硫 和酸雨污染的重要原因之一 然而含氧化鋅的粉狀物料是鉛鋅冶煉企業(yè)常有的中間產(chǎn) 物 它對(duì)二氧化硫氣體是一種活性高 吸收容量大的優(yōu)良吸收劑 對(duì)于鉛鋅冶煉行業(yè) 來說 氧化鋅法脫硫 它與別的脫硫工藝相比較 13 優(yōu)勢(shì)在于 1 脫硫劑易得 并且可節(jié)省去購買脫硫劑的費(fèi)用 脫硫劑利用煙花提鋅車間布袋 除塵器收集的氧化鋅粉 10 2 可以將廢氣中的 SO2充分吸收再利用 別的工藝僅能脫除 SO2 不能對(duì) SO2加 以重新利用 3 脫硫后的濾渣對(duì)別的工藝來說 是一種負(fù)擔(dān) 但對(duì)鉛鋅行業(yè)來說 濾渣可重新 利用 作為鋅冶煉原料進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng) 回收 Zn 粉 或硫酸鋅 氧化鋅 和副產(chǎn)高濃度 SO2 制成硫酸 達(dá)到資源利用的最大化 4 該脫硫工藝不產(chǎn)生新的污染物 不造成二次污染 在利用鋅灰脫硫時(shí) 鋅灰的礦漿化是很關(guān)鍵的 超聲波是頻率高于 20000 赫茲的 聲波 它方向性好 穿透能力強(qiáng) 易于獲得較集中的聲能 在水中傳播距離遠(yuǎn) 有一 系列力學(xué)的 熱學(xué)的 電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng) 本研究在鋅灰礦漿化過程中探 討利用超聲波來加強(qiáng)鋅灰的礦漿化 鋅灰處理低濃度二氧化硫后的產(chǎn)物硫酸鋅是一種針狀或粉狀的白色或微黃色的 結(jié)晶體 易溶于水和酸 易吸潮 結(jié)塊 用途廣泛 其主要用途有 14 1 醫(yī)用硫酸鋅 醫(yī)藥的催吐劑 骨膠澄清 保存劑 收斂劑 可使有機(jī)體 組織收縮 減少腺體的分泌 2 工業(yè)用硫酸鋅 主要用于人造纖維 電解工業(yè) 電鍍 無機(jī)顏料 選料 化肥等 還可作為木材的防腐劑 用硫酸鋅溶液浸泡過的枕木可延長使用時(shí)間 3 飼料級(jí)硫酸鋅 畜禽飼料與添加劑 4 農(nóng)業(yè)級(jí)硫酸鋅 在飼料加工中作鋅的補(bǔ)充劑 5 食品級(jí)硫酸鋅 目前 硫酸鋅已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域 其需求量正逐年遞增 氧化鋅 包括鋅焙砂和煙塵 是鉛鋅冶煉企業(yè)皆有的副產(chǎn)物或中間產(chǎn)品 所以采用 鋅灰來處理低濃度二氧化硫是很有意義的 為了實(shí)現(xiàn)鋅灰的二次利用 減少資源浪費(fèi) 減輕環(huán)境污染 得到較好的經(jīng)濟(jì)效益 與社會(huì)效益 結(jié)合超聲波的機(jī)械效應(yīng)及空化作用 提出了本文的研究課題 基于超聲 波與機(jī)械攪拌耦合作用下氧化鋅吸收低濃度二氧化硫的研究 1 4 本文的主要研究內(nèi)容 11 本文主要研究利用鋅灰處理煙氣中低濃度二氧化硫 圍繞兩種鋅灰礦漿化方式 機(jī)械 機(jī)械超聲波耦合 進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn) 并研究過程參數(shù)及回收工藝條件對(duì)煙氣脫 硫性能及 Zn 回收性能的影響 具體的研究內(nèi)容如下 1 超聲波和機(jī)械攪拌耦合吸收裝置的設(shè)計(jì) 2 機(jī)械作用及機(jī)械作用與超聲波耦合作用下的礦漿化性能研究 3 溫度 轉(zhuǎn)速 液固比 超聲波功率 濃度等脫硫工藝參數(shù)對(duì) ZnO H2O 礦漿 體系吸收煙氣脫硫性能的影響 確定適宜的煙氣脫硫工藝條件 4 兩種鋅灰礦漿化方式 機(jī)械 機(jī)械超聲波耦合 的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究 結(jié)合兩種 方式的作用機(jī)理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 確定適合 ZnO H2O 系煙氣脫硫的礦漿化方式 11 第 2 章 實(shí)驗(yàn)原理與方法 2 1 超聲波吸收裝置的設(shè)計(jì) 2 1 1 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì) 反應(yīng)釜是工業(yè)上使用的典型設(shè)備之一 其作用 15 是 通過對(duì)參加反應(yīng)的介質(zhì)的充 分?jǐn)嚢?使物料混合均勻 強(qiáng)化傳熱效果和相間傳質(zhì) 使氣體在液相中作均勻分散 使固體顆粒在液相中均勻懸浮 使不相容的另一液相均勻懸浮或充分乳化 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)可以分為工藝設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì) 工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有 反應(yīng)釜所 需容積 傳熱面積及構(gòu)成形式 攪拌器形式和功率 轉(zhuǎn)速 管口方位布置等 工藝設(shè) 計(jì)所確定的工藝要求和基本參數(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)的基本依據(jù) 攪拌反應(yīng)釜主要由筒體 傳熱裝置 傳動(dòng)裝置 軸封裝置和各種接管組成 釜體 內(nèi)筒通常為一圓柱形殼體 它提供反應(yīng)所需空間 傳熱裝置的作用是滿足反應(yīng)所需的 溫度條件 攪拌裝置包括攪拌器 攪拌軸等 是實(shí)現(xiàn)攪拌的工作部件 傳動(dòng)裝置包括 電機(jī) 減速器 聯(lián)軸器及機(jī)架等附件 它提供攪拌的動(dòng)力 軸封裝置是保證工作時(shí)形 成密封條件 阻止介質(zhì)向外泄露的部件 本實(shí)驗(yàn)為三相反應(yīng) 包括了固體懸浮和氣體分散 反應(yīng)釜的釜型對(duì)固體懸浮有很 大的影響 本實(shí)驗(yàn)采用圓筒型碟底立式反應(yīng)釜 16 常用的傳熱裝置有夾套結(jié)構(gòu)的壁外傳熱和釜內(nèi)裝設(shè)換熱管傳熱兩種形式 應(yīng)用最 多的是夾套傳熱 當(dāng)反應(yīng)釜采用襯里結(jié)構(gòu)或夾套傳熱不能滿足溫度要求時(shí) 常用蛇管 傳熱方式 本實(shí)驗(yàn)中 采用的傳熱裝置為夾套傳熱 1 內(nèi)筒的直徑和高度及壁厚確定 容積一定時(shí) 應(yīng)考慮筒體直徑與高度的適合比例 當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速一定時(shí) 攪拌器 的功率消耗與攪拌槳直徑的 5 次方成正比 若筒體直徑增大 為保證攪拌效果 所需 攪拌槳直徑也要大 此時(shí)功率消耗很大 因此 直徑不宜過大 若高度增加 能使夾 套式容器傳熱面積增大 有利于傳熱 故對(duì)于發(fā)酵罐之類反應(yīng)釜 為保證充分的接觸 時(shí)間 希望高徑比 H D 大些為好 但是 若釜體高度過大 則攪拌軸長度亦相應(yīng)要 增加 此時(shí) 對(duì)攪拌軸的強(qiáng)度和剛度的要求將會(huì)提高 同時(shí)為保證攪拌效果 可能要 設(shè)多層槳 但是會(huì)使費(fèi)用增加 因此 選擇筒體高徑比時(shí) 要綜合考慮多種因素的影 響 在確定高徑比時(shí) 可根據(jù)物料情況 從表 2 1 中選取 12 表 2 1 幾種攪拌釜的 H D 值 Table2 1 Staple liquid height diameter ratio of Stirred Tank Reactor 種類反應(yīng)釜內(nèi)物料類型H D 反應(yīng)釜 混合罐 溶解槽液 液相或液 固相1 1 3 反應(yīng)釜 分散槽氣 液相1 2 發(fā)酵釜發(fā)酵液1 7 2 5 筒體與夾套的厚度要根據(jù)強(qiáng)度條件或穩(wěn)定性要求來確定 夾套承受內(nèi)壓時(shí) 按內(nèi) 壓容器設(shè)計(jì) 筒體即受內(nèi)壓又受外壓 應(yīng)根據(jù)操作時(shí)可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)狀態(tài)來設(shè)計(jì) 當(dāng)釜內(nèi)為真空外帶夾套時(shí) 筒體按外壓設(shè)計(jì) 當(dāng)釜內(nèi)為常壓操作時(shí) 筒體按外壓設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)壓力為夾套內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力 當(dāng)釜內(nèi)為正壓操作時(shí) 則筒體應(yīng)同時(shí)按內(nèi)壓和外壓設(shè) 計(jì) 其厚度取兩者中之較大者 最后選定 D 為 200mm H 為 260mm 壁厚為 8mm 2 攪拌器的設(shè)計(jì) 攪拌作用能使進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)的物料之間的混合均勻 強(qiáng)化傳質(zhì) 強(qiáng)化傳熱 達(dá)到 改善操作 促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的作用 攪拌反應(yīng)釜攪拌器的設(shè)計(jì) 首先要考慮反應(yīng)體系對(duì) 攪拌效果的要求 對(duì)聚合反應(yīng)來說 本體聚合及溶液聚合要求達(dá)到混合和攪動(dòng) 而懸 浮聚合則除了要求混合 攪動(dòng)之外 主要要求達(dá)到分散及懸浮 造成穩(wěn)定的懸浮體系 此外 由于本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程中有氣相的參與 攪拌器應(yīng)能使氣泡分散得足夠細(xì)小 并 在整個(gè)容器中盡量均勻分布 反應(yīng)釜中流體的整體循環(huán)流動(dòng)是達(dá)到物料均勻混合所必不可少的流體狀態(tài) 槳葉 的形狀 尺寸與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是決定攪拌槽內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的最基本因素 對(duì)于平直葉型攪拌 器 由于槳葉的運(yùn)動(dòng)方向與槳面垂直 所以當(dāng)槳葉低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 流體的主體流動(dòng)為水 平環(huán)向流動(dòng) 當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí) 流體的徑向流動(dòng)將逐漸增大 槳葉的轉(zhuǎn)速越高 由 平直葉排出的徑向流越強(qiáng) 而由槳葉本身所造成的軸向流很弱 對(duì)折葉攪拌器 由于 槳面與運(yùn)動(dòng)方向成一定斜角 所以在槳葉運(yùn)動(dòng)時(shí) 除有水平環(huán)向流之外 還將產(chǎn)生軸 向分流 在槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí) 出現(xiàn)逐漸增大的徑向流 攪拌器葉輪 槳葉 的直徑和轉(zhuǎn)速是決定攪拌器行為的主要參數(shù) 本實(shí)驗(yàn)采用六 斜葉 45 開啟渦輪式槳 這種槳既有徑向流也有軸向流 符合我們的要求 經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和參考書 17 得到了六斜葉 45 開啟渦輪式攪拌槳直徑 d 與反應(yīng) 13 釜內(nèi)徑 D 的關(guān)系式 2 1 計(jì)算出 d 后可根據(jù)式 2 2 2 3 計(jì)算出攪拌槳的具體的 參數(shù) 2 1 33 0 5 0 2 0居多以 D d 2 2 2 0 3 0 15 0 d 居多以 b 2 3 4 3 6 DDD C一般取 式中 D 反應(yīng)釜的內(nèi)徑 d 攪拌槳的直徑 b 攪拌槳的寬度 C 攪拌槳離釜底的距離 選定攪拌槳直徑 d 為 150mm 葉片寬度 b 為 30mm 攪拌槳離釜底的距離為 50mm 本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程中 添加了超聲波設(shè)備 探討了超聲波是否有利于礦漿化 是 否會(huì)對(duì)三相反應(yīng)有促進(jìn)作用 2 1 2 超聲波簡介 1986 年 4 月 8 11 日 第一屆國際聲化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)在英國 Warwick 大學(xué)召開 隨即一門鋅的交叉學(xué)科 聲化學(xué) 18 Sonochemistry 誕生了 自此 隨著大功率超聲 技術(shù)的發(fā)展 有關(guān)聲化學(xué)的研究工作廣泛展開 近幾年來 超聲波的應(yīng)用范圍越來越 廣泛 超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名 聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)或 能量的傳播形式 超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz 以上的 其每秒的振動(dòng)次數(shù) 頻率 甚高 超出了人耳聽覺的上限 人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波 它方向性好 穿透能力強(qiáng) 易于獲得較集中的聲能 在水中傳播距離遠(yuǎn) 可用于測(cè)距 測(cè)速 清洗 焊接 碎石 殺菌消毒等 在醫(yī)學(xué) 軍事 工業(yè) 農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用 19 超聲波有一系列力學(xué)的 熱學(xué)的 電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng) 包括以下4 種效應(yīng) 14 1 機(jī)械效應(yīng) 超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化 凝膠的液化和固體的分 散 當(dāng)超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時(shí) 懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用 而凝聚在波節(jié)處 在空間形成周期性的堆積 超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中 傳播時(shí) 由于超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極化和感生磁化 2 空化作用 超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡 一個(gè)原因是液體內(nèi) 局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓 壓強(qiáng)的降低使原來溶于液體的氣體過飽和 而從液體 逸出 成為小氣泡 另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體 撕開 成一空洞 稱為空 化 空洞內(nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體 甚至可能是真空 因空化作用形 成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng) 長大或突然破滅 破滅時(shí)周圍液體突 然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫 高壓 同時(shí)產(chǎn)生激波 與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成 電荷 并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象 在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空 化作用有關(guān) 3 熱效應(yīng) 由于超聲波頻率高 能量大 被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng) 4 化學(xué)效應(yīng) 超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng) 例如純的蒸 餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫 溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸 染料的 水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色 這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨 超聲波 還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解 分解和聚合過程 超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過程也 有明顯影響 各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后 特征吸收光譜帶 消失而呈均勻的一般吸收 這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變 超聲波由于頻率高 波長短 因而具有聲強(qiáng)大 方向性強(qiáng)和液體中引起空化作用 等特點(diǎn) 這些特點(diǎn)使超聲波具有許多用途 目前超聲波技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域 如利用超聲波縱波和橫波在介質(zhì)中傳播的許多特性 20 制成超聲波檢測(cè)儀在工程檢測(cè) 中得到廣泛的應(yīng)用 利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng) 讓馬達(dá)定子處于超聲頻率振動(dòng)制成 了超聲電機(jī) 為 21 世紀(jì)衛(wèi)星 飛機(jī) 機(jī)器人 微型機(jī)械 汽車 磁懸浮列車以及其他 精密儀器奠定了重要的基礎(chǔ) 超聲波應(yīng)用在食品中 產(chǎn)生劇烈的空化效應(yīng) 使食物分 子不斷受到壓縮和拉伸 而發(fā)生斷裂 使食品產(chǎn)生的聚合或降解 局部加熱 控制酶 活 改變細(xì)胞的新陳代謝等作用 超聲波技術(shù)還有很多方面的應(yīng)用 如超聲清洗金屬器件 醫(yī)學(xué)中的超聲體外碎石 和超聲空化理論對(duì)癌細(xì)胞及其他細(xì)胞的作用 超聲波塑料焊接技術(shù)以及超聲波應(yīng)用在 15 廢水處理中等等 隨著科技的發(fā)展 超聲波技術(shù)與新材料技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合必將 會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景 2 1 3 超聲波發(fā)生器與換能器 能產(chǎn)生超聲波的裝置稱超聲波發(fā)生器 它的作用是把市電 220V 50 或 60Hz 轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高額交流電信號(hào) 超聲波換能器是將超聲能與其他形 式的能量相互轉(zhuǎn)換的裝置 它的作用是發(fā)出超聲波和接收超聲回波 常用的超聲波發(fā) 生器有以下三種類型 21 1 機(jī)械型 由一多孔圓盤和一塊由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)的多孔圓盤組成 當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 通高 壓電流 氣流通過小孔時(shí)就會(huì)產(chǎn)生超聲波 其頻率可達(dá) 104 105Hz 功率可達(dá) 1000W 以上 這種超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波只能用于氣體中 由于氣體對(duì)超聲波的吸收較 強(qiáng) 因此效率只有百分之幾 2 磁致伸縮式 磁致伸縮式超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲的機(jī)理是利用鐵磁體和磁性合金在高磁場中發(fā) 生磁性伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生超聲波的 其產(chǎn)生超聲波的最高頻率可達(dá) 6000Hz 改發(fā)生器的 優(yōu)點(diǎn)是可以制成很細(xì)小的結(jié)構(gòu) 便于應(yīng)用于所研究的物體中去 且簡單耐用 適于研 究化學(xué)效應(yīng)和生物學(xué)效應(yīng) 由于磁致伸縮效應(yīng)隨溫度升高而降低 因此使用這類發(fā)生 器時(shí)要注意保持溫度恒定 否則 不僅影響發(fā)生器頻率的穩(wěn)定 而且很難得到需要的 功率 3 壓電式 這是一種根據(jù)晶體的電致伸縮原理 壓電效應(yīng)原理 制成的超聲波發(fā)生器 它由 兩部分組成 一是高頻 超聲頻 發(fā)生器 產(chǎn)生超聲頻振蕩 這部分通常由電子電路 組成 二是電聲換能器 它的主要功能是使超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡C(jī)械振動(dòng) 即 達(dá)到產(chǎn)生超聲波的目的 壓電式換能器的原理是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的 所謂壓電效應(yīng) 22 是片狀壓電材料為 其兩側(cè)受機(jī)械力時(shí) 其表面荷電的現(xiàn)象 壓電效應(yīng)是一種可逆的效應(yīng) 當(dāng)在片狀壓電 材料的兩側(cè)裝上電極 并加以交流電壓時(shí) 沿壓電片的厚度方向就產(chǎn)生拉伸和壓縮 引起機(jī)械振動(dòng) 壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng) 因?yàn)檫@個(gè)效應(yīng)與壓電效應(yīng)是 相反的 因而又叫做逆壓電效應(yīng) 作為發(fā)射超聲波的換能器是利用壓電材料的逆電效 16 應(yīng) 電致伸縮效應(yīng) 而接收用的換能器則是利用其壓電效應(yīng) 在實(shí)際使用中 由于壓 電效應(yīng)的可逆性 有時(shí)也兼用換能器的發(fā)射 接收功能 亦即將脈沖交流電壓加在壓 電元件上 使其向介質(zhì)發(fā)射超聲波 同時(shí)又利用它接收從介質(zhì)中發(fā)射回來的超聲波 并將反射波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到后面的放大器 因此壓電超聲波換能器 實(shí)質(zhì)上是壓電 式傳感器 超聲波換能器又稱為超聲波探頭 目前所用的絕大多數(shù)探頭都是利用壓電材料制 作的 23 常用的壓電材料有鋯鈦酸鉛陶瓷 鈦酸鋇陶瓷 鈦酸鉛陶瓷 鈮酸鋰單晶 碘酸鋰和石英單晶等 壓電超聲探頭的種類按產(chǎn)生的波形分可分為縱波直探頭 橫波 斜探頭 表面波探頭 板波探頭以及爬波探頭 按接觸方式分可分為直接接觸探頭和 水浸探頭 按探傷用途分可分為分割式聯(lián)合雙探頭 雙直探頭和雙斜探頭 聚焦探頭 點(diǎn)聚焦 線聚焦和斜聚焦探頭 可變角探頭及專用探頭 用于發(fā)射和接收超聲波的其他方法有 機(jī)械法 熱效應(yīng)法 靜電法 磁致伸縮法 和電動(dòng)力學(xué)方法等 基于電動(dòng)力學(xué)原理制作的電磁超聲探頭可直接發(fā)射和接收橫波 它是非接觸式的 可用于高溫探傷 但轉(zhuǎn)換效率低 探傷靈敏度差 各種壓電超聲探頭均有晶片 阻尼塊 外殼和電氣接插件等組成 根據(jù)探頭的種 類和功用不同 再配有保護(hù)膜 透聲楔 隔聲層 聲透鏡或延時(shí)塊等 本實(shí)驗(yàn)用到的超聲波發(fā)生系統(tǒng)為壓電式 整個(gè)的超聲波發(fā)生系統(tǒng)由兩部分組成 即超聲波發(fā)生器和超聲波探頭 大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 超聲波的頻率增加 液體介質(zhì)中的空化氣泡減少 空化作用 強(qiáng)度下降 超聲化學(xué)效應(yīng)也相應(yīng)的下降 當(dāng)超聲波頻率很高時(shí) 膨脹和壓縮循環(huán)的時(shí) 間則非常短 由于膨脹循環(huán)的時(shí)間太短 以致不能等到微泡長到足夠大引起液體介質(zhì) 的破裂 形成空化氣泡 即使在膨脹過程中產(chǎn)生了空化氣泡 這些空化氣泡饋陷所需 要的時(shí)間比壓縮半循環(huán)所要的時(shí)間將要長得多 因此 當(dāng)超聲波的強(qiáng)度一定時(shí) 其頻 率越高 空化作用越小 在高頻率超聲波作用下 當(dāng)超聲波的強(qiáng)度較低 即小于空化 閾聲