氧化鋅論文-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

1、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 agitationi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、考察溫度對二氧化硫氣體吸收的影響；二、考察攪拌器轉(zhuǎn)速

2、對二氧化硫氣體吸收的影響； 三、考察鋅灰液固比對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。本論文針對傳統(tǒng)煙氣脫硫技

3、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 25C，液固比為 50:1，攪拌轉(zhuǎn)速為 200rp

4、m，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 iiiStudy on absorption of low-concentration SO2 with zinc ash based on the basis of coupling ultrasonic

5、 wave and mechanical agitationABSTRACTIn 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 developm

6、ent 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 meth

7、od 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

8、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

9、 25C, 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 eff

10、ectively, 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 c

11、omprehensive utilization of zinc ash. ivKey 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iiABSTRACTiii第 1 章 緒論11.1 低濃度二氧化硫的危害與處理11.1.1 低濃度二氧化硫的來源.11.1.2 低濃度二氧化硫的危害.11.1.3 低濃度二氧化硫的處理.41.2 鋅灰的研究現(xiàn)狀61.2.1 鋅灰的來源.61.2.2 鋅灰的利用.71.3 課題的提出91.4 本文的主要研究內(nèi)容10第 2 章 實(shí)驗(yàn)

12、原理與方法112.1 超聲波吸收裝置的設(shè)計(jì)122.1.1 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì).122.1.2 超聲波簡介.142.1.3 超聲波發(fā)生器與換能器 .152.2 實(shí)驗(yàn)原理182.3 實(shí)驗(yàn)方法192.3.1 實(shí)驗(yàn)原料.192.3.2 實(shí)驗(yàn)流程.192.3.4 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223.2 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254.1 機(jī)械攪拌作用下鋅灰礦漿吸收低濃度二氧化硫的研究254.1.1 溫度對二氧化硫吸收率的影響.254.1.2 攪拌轉(zhuǎn)速對二氧化硫吸收率的影響.274.1.3 液固比對二氧化硫

13、吸收率的影響.284.1.4 氣體濃度對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304.3 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、

14、礦石等在燃燒時(shí)都會釋出，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

15、，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铩h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)

16、、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。表 1.1 空氣中二氧化硫的不同含量對人體的影響Table1.1 Influences of sulfur dioxide of different le

17、vels on human body濃度 ppm對人體的影響0.010.1由于光化學(xué)反應(yīng)生成分散性顆粒，引起視野距離縮小0.11植物及建筑材料遭受損害110其中 15510對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1010020100對動物進(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400500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，

18、曾發(fā)現(xiàn)十年以上的接觸者有少數(shù)可見肺有彌漫對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 34 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)的危害植物對空氣中存在的二氧化硫特別敏感

19、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，會生長緩慢或停滯，同時(shí)會降低抗病蟲害能力，造成間接危害。空氣中二氧化硫?qū)χ参锏奈：σ姳?.2。表 1.2 空氣中二氧化硫?qū)χ参锏奈：able1.2 Damages of sulfur dioxide on

20、 plantSO2質(zhì)量濃度/mgm-3影 響 程 度2.32.9蔬菜在 3h 內(nèi)受害，樹木在數(shù) 10h 內(nèi)受害5.78.6許多植物在 515h 內(nèi)出現(xiàn)癥狀14.3某些樹木在 18h 內(nèi)出現(xiàn)受害癥狀17.220.0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 0.00010.001ppm 之間。當(dāng)一地區(qū)的二氧化硫年平均濃度達(dá)到 0.010.08ppm 時(shí)，

21、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?yàn)榇藭r(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

22、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)測大氣污染狀況。 - 4 -（3）二氧化硫?qū)Σ牧系挠绊懚趸蚰苁褂推峁鉂山档?1080%，使油漆對水敏感，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

23、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髿獾奈廴尽Ｆ┤缬扇〕邿焽?，使煙氣越出國境，跑?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

24、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)，對大氣中二氧化硫的防治，仍會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)

25、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，

26、因此濕法是各國研究最多的方法。根據(jù)對脫硫生成物是否應(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?；厥辗▌t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

27、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。特別是對低濃度二氧化硫煙氣的治理，需龐大的脫硫裝置，對治理系統(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

28、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-concentratio

29、n 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 Ca

30、SO3 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

31、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 40006000 萬噸9。一般來講，鋼

32、鐵企業(yè)含鋅粉塵占粉塵總量的 2030%。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/kgt-1 鋅灰量/kgt-1浮渣量/kgt-1單張鍍鐵 79 717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

33、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)，也會產(chǎn)生含鋅 6070%的鍍鋅廢料。1.2.2 鋅灰的利用目前對鋅含量小于 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(Zn1%)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

34、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 45 5 1 1026 0.052 0.13二次除塵灰 51 46 10 78 35 34 0.79粉塵 53 24 9 3 14 24 0.42對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)

35、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)檎魵猓?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

36、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100125mm。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

37、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450500，再升高溫度會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 56t。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

38、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 3040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?？扇蒌\灰 100kg 旋轉(zhuǎn)坩堝的處理效率約 200159kg/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

39、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 SO2加以重新利用；3.脫硫后的濾渣對別的工藝來說，是一種負(fù)擔(dān)。但對鉛鋅行業(yè)來說，濾渣可重新利用，作為鋅冶煉原料進(jìn)

40、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

41、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）飼料級硫酸鋅：畜禽飼料與添加劑 ；（4）農(nóng)業(yè)級硫酸鋅：在飼料加工中作鋅的補(bǔ)充劑；（5）食品級硫酸鋅。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

42、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)行對比實(shí)驗(yàn)，并研究過程參數(shù)及回收工藝條件對煙氣脫硫性能及 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 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）的對比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合兩種

43、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：通過對參加反應(yīng)的介質(zhì)的充分?jǐn)嚢?，使物料混合均勻；?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??；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

44、裝置、傳動裝置、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

45、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)，對攪拌軸的強(qiáng)度和剛度的要求將會提高，同時(shí)為保證攪拌效果，可能要設(shè)多層槳，但是會使費(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

46、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11.3反應(yīng)釜、分散槽氣-液相12發(fā)酵釜發(fā)酵液1.72.5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)，

47、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)體系對攪拌效果的要求。對聚合反應(yīng)來說，本體聚合及溶液聚合要求達(dá)到混合和攪動，而懸浮聚合則除了要求混合、攪動之外，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)流動是達(dá)到物料均勻混合所必不可少的流體狀態(tài)，槳

48、葉的形狀、尺寸與運(yùn)動狀態(tài)是決定攪拌槽內(nèi)流動狀態(tài)的最基本因素。對于平直葉型攪拌器，由于槳葉的運(yùn)動方向與槳面垂直，所以當(dāng)槳葉低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流體的主體流動為水平環(huán)向流動。當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速增大時(shí)，流體的徑向流動將逐漸增大。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。對折葉攪拌器，由于槳面與運(yùn)動方向成一定斜角，所以在槳葉運(yùn)動時(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（

49、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 . 02 . 0居多以Dd （2- 2）)2 . 0(3 . 015. 0d居多以b （2- 3）)4(36DDDC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，是否會對三相反應(yīng)有促進(jìn)作用。2.1.2

50、超聲波簡介1986 年 4 月 811 日，第一屆國際聲化學(xué)學(xué)術(shù)討論會在英國 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)械振動狀態(tài)或能量的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz 以上的,其每秒的振動次數(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)，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒

51、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 “

52、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隨周圍介質(zhì)的振動而不斷運(yùn)動、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)超聲處理后會變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。

53、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，制成超聲波檢測儀在工程檢測中得到廣泛的應(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

54、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。超聲波換能器是將超聲能

55、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機(jī)帶動而旋轉(zhuǎn)的多孔圓盤組成。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時(shí)，通高壓電流，氣流通過小孔時(shí)就會產(chǎn)生超聲波，其頻率可達(dá) 104105Hz，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，

56、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，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

57、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。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

58、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、磁致伸縮法和電動力學(xué)方法等?；陔妱恿W(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

59、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)

60、度較低（即小于空化閾聲壓）較難產(chǎn)生空化作用，超聲波的強(qiáng)度增加到一定的強(qiáng)度，即到或超過空化閾聲壓時(shí)，就很容易產(chǎn)生空化氣泡了，而且空化泡的饋陷也更為猛烈。本實(shí)驗(yàn)采用的超聲波頻率為 20KHz24。利用超聲波攪拌時(shí)，液流的空穴現(xiàn)象和湍流現(xiàn)象對于攪拌起著決定性的作用。當(dāng)超聲波振動時(shí)，在液體中破壞其液流的連續(xù)性，形成空穴空心氣泡，氣泡在液流中移動而爆破，從而引起大的瞬時(shí)壓力（達(dá)到幾百個(gè)大氣壓） ，致使液體在設(shè)備中劇烈攪 - 17 -拌。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2.1。圖 2.1 試驗(yàn)裝置連接圖Fig2.1 Test Equipment Connection2.2 實(shí)驗(yàn)原理采用氧化鋅漿液吸收煙氣中的 SO2，首先生