2019年度湖南省科技進步獎提名項目公示
來源:江冶機電
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作者:江冶機電
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發布時間: 2021-09-03
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一、項目名稱
廢鉛酸蓄電池鉛膏鈉法預脫硫及副產物高效利用
二、提名意見
我國每年報廢3億多只鉛蓄電池，廢鉛蓄電池資源清潔再生與高效利用是生態文明建設的必然要求。《再生鉛行業準入條件》明確要求“鉛膏必須進行脫硫預處理或送硫化鉛精礦冶煉廠合并處理，脫硫母液必須進行處理并回收副產品”。截止目前，全國100余家再生鉛企業中僅極少數具備廢鉛膏與硫化鉛精礦合并處理的條件，其余都須對廢鉛膏進行預脫硫處理并回收副產物。我國的廢鉛膏晶型復雜、粒度差異大，之前行業普遍采用的脫硫技術無法有效打破脫硫過程產物殼層對反應物傳遞的阻礙，脫硫耗時長、脫硫鉛膏含硫率波動很大，無法滿足生產要求，產業政策推行受阻。項目經過7年攻關，在湖南省科技重大專項的支持下，提出了脫硫物料儲存與反應分離的新工藝、開發了脫硫產物殼層破壞與副產物高效結晶新技術、創制了新設備，構成了完整、系統的廢鉛蓄電池鉛膏預脫硫與產物高效回收工藝技術裝備體系，適應各種工況要求。項目3個關鍵環節的5項關鍵創新都獲專利授權。積極開展了創新技術、裝備的產業化應用和推廣工作，項目成果至今在國內推廣16套、出口2套，國內已經運行了3套、國外運行1套，處理廢鉛蓄電池37萬噸/年，源頭減排二氧化硫2.664萬噸/年。2016-2018年項目累計新增銷售額21.54億元，新增利潤1.84億元。項目成果攻克了鉛膏預脫硫過程反應物傳質的瓶頸性障礙，為國家再生鉛產業政策的推行奠定了必要基礎，對再生鉛行業鉛膏預脫硫產業技術進步形成了有力的支撐。
湘潭大學提名該項目為湖南省科學技術進步一等獎。
三、項目簡介
項目研發的鉛膏預脫硫技術就是用Na2CO3溶液將鉛膏中的PbSO4轉化為PbCO3，PbCO3再去熔煉則不排放或者排放很少的二氧化硫，同時PbCO3的熔煉溫度較PbSO4低400℃，能耗大大降低。鉛膏預脫硫過程生成的PbCO3殼層包裹在PbSO4顆粒表面，會阻擋PbSO4和Na2CO3的進一步接觸，因而脫硫技術須具備分散物料和強化顆粒表面傳質兩個關鍵能力。之前，國內外同行業幾乎都采用間歇攪拌反應技術，憑借攪拌產生的水力剪切破壞PbCO3殼層，但水力剪切作用強度十分有限，且很難有效提升，需要較長的時間來完成脫硫反應。國外廢鉛膏均一性好，設計的攪拌強度下反應2小時，鉛膏含硫<0.6%；我國的廢鉛膏晶型復雜、粒度差異大，既定攪拌強度下脫硫2小時，含硫0.3%-3%，波動很大，無法滿足生產要求。國家制定的鉛膏預脫硫產業政策實施受阻，行業迫切需求創新技術來實現鉛膏預脫硫和脫硫母液高效回收利用。
項目在湖南省科技重大專項“固體廢棄物處置與資源化利用技術裝備研發（2015SK1002）”和國家自然科學基金面上項目“廢蓄電池清潔再生鉛膏預脫硫反應機制研究與過程強化（51574204）”支持下，取得了如下科技創新和突破：
1、提出鉛膏漿液儲罐體外實施強制循環脫硫新工藝，與傳統技術的脫硫物料儲存與反應一體不同，實施儲存與反應分離，儲罐不再是脫硫反應的主體，脫硫反應環節則可實現按需求提供足夠的脫硫產物殼層破壞能力。
2、提出“輔助粒子研磨”、“強化自碰撞”、“磁力自適應研磨”等脫硫過程鉛膏顆粒表面“強制更新”新機制、開發了新技術并創制了新設備，形成了適應漿液全濃度范圍的系列鉛膏強制預脫硫技術和裝備，即時打破脫硫產物殼層，使反應物表面充分暴露在脫硫劑中，推動脫硫反應迅速、徹底進行；脫硫30min含硫穩定低于0.5%，硫總利用率>99%，高于《清潔生產標準-廢鉛酸蓄電池鉛回收行業》（HJ510-2009）一級標準98%的限值要求。
3、提出脫硫副產物硫酸鈉“局冷快速析晶”技術并創制了新設備，改變對全部母液緩慢冷卻的傳統做法，針對儲罐體外循環的部分待結晶母液實施迅速深度冷卻、快速結晶。硫酸鈉母液凈化、結晶得到的產品滿足GB/T 6009-2014表1優等品要求，處理一噸鉛膏的綜合電耗<12kWh，較傳統方法的降低40%- 50%。
項目構成了完整、系統的廢鉛蓄電池鉛膏預脫硫與產物高效回收工藝技術裝備體系，適應各種工況要求。項目“脫硫工藝-脫硫技術-產物利用”3個關鍵環節的5項關鍵創新都獲專利授權。項目成果至今在國內推廣16套、出口2套，國內已經運行了3套、國外運行1套，處理廢鉛蓄電池37萬噸/年，源頭減排二氧化硫2.664萬噸/年。2016-2018年項目累計新增銷售額21.54億元，新增利潤1.84億元。項目攻克了鉛膏預脫硫過程反應物傳質的瓶頸性障礙、提高了副產物回收的能效，為國家再生鉛產業政策的推行奠定了必要基礎，對再生鉛行業鉛膏預脫硫產業技術進步形成了有力的支撐。
四、客觀評價
1、專利授權
項目的脫硫工藝、脫硫技術和裝備、產物高效回收三個關鍵環節的5項關鍵創新都授權了專利，具體如下：儲槽體外循環強制脫硫的工藝授權發明專利1項（一種鉛膏濕法強制脫硫工藝，ZL201310540070.1），輔助粒子研磨強制脫硫技術授權發明專利1項（一種基于氣液混流的鉛膏脫硫方法，ZL201610174292. X）、強化自碰撞脫硫技術授權發明專利1項（一種基于節流自碰撞的鉛膏脫硫方法，ZL201510841686.1），磁力自適應研磨脫硫裝置授權實用新型專利1項（一種磁力攪拌研磨鉛膏強制脫硫反應器，ZL201621371576.X），脫硫副產物硫酸鈉溶液局冷快速析晶技術授權發明專利1項（一種基于局部冷卻快速析晶的鉛膏脫硫副產物硫酸鈉結晶方法和裝置，ZL201510153821.3）、授權實用新型專利1項（一種溶液降溫結晶和固液分離集成設備，ZL201521120624.3）。
2、論文發表
基于表面更新的鉛膏脫硫技術發表論文2篇，表面強制更新鉛膏脫硫機制與技術的新穎性和實用價值得到學術界的認可。
（1）Junfeng Zhang, Liang Yi, Liuchun Yang, Yan Huang, Wenfang Zhou, Wenjing Bian.A new pre-desulphurization process of damped lead battery paste with sodium carbonate based on a “surface update” concept.Hydrometallurgy, Volume 160, March 2016, Pages 123-128
（2）邊文璟， 易亮，周文芳，張俊豐；基于表面更新的廢鉛膏脫硫實驗，化工進展，2016，35（5）：1539-1543
3、項目查新
項目委托教育部科技查新工作站（Z11）進行國內、國際查新，查新要點如下：（1）提出了“表面強制更新”的鉛膏脫硫方法并研制其配套設備，利用研磨、氣泡與節流元件造成反應物顆粒相互的劇烈碰撞，打破傳質阻礙，提升反應效率。（2）提出了“局冷快速結晶”的硫酸鈉結晶方法并研制其配套設備，部分溶液先進行快速、深度冷卻，循環進行，提高能量利用率和產品析出率。經國內外文獻數據庫檢索并對相關文獻分析對比，除本項目有關研究人員發表的文獻、申請的專利或委托的報道外，國內外未見與該查新項目綜合技術特點相符的文獻報道。
4、技術標準
項目編制了企業標準《廢鉛膏鈉法預脫硫及副產物利用技術與裝備》（Q/YJ02- 2018），并于2018年12月10日在企業標準信息公共服務平臺公布，對項目技術的性能指標進行了全面的標準化界定。
5、技術檢驗
（1）項目委托湖南省產商品質量監督檢驗研究院對設備外觀、電器控制、噪音、能耗等12項指標進行了檢驗，結論為“所檢項目合格”（湘檢C2019- W04233）。（2）用戶單位駱駝集團華南再生資源有限公司對預脫硫率及硫酸鈉產品進行了檢測，脫硫鉛膏含硫率0.46%，低于0.5%的標準要求，凈化后硫酸鈉溶液雜質總量小于5ppm，硫酸鈉純度高于99.59%，滿足《GB/T6009-2014工業無水硫酸鈉》一等品要求。項目委托湖南省產商品質量監督檢驗研究院對副產物硫酸鈉質量進行檢測，結論為產品質量符合《GB/T6009-2014工業無水硫酸鈉》一類品要求（湘檢B2015-W11975）。
6、項目評價
（1）項目是湖南省科技重大專項2015SK1002的子項“復雜鉛酸蓄電池破碎分選、鉛膏預脫硫及副產物綜合利用新技術裝備研發”內容，專項于2018年11月通過了科技廳組織的綜合驗收，驗收結論“完成了項目任務書規定的各項指標，專家組一致同意通過驗收”，子項目的有關指標為：鉛膏脫硫后含硫率穩定低于0.5%，母液凈化后重金屬雜質含量低于5ppm、結晶出的硫酸鈉產品純度高于99.1%。該子項提交了科技專題報告（張俊豐、章琳，2018年5月，編號685020863-2015SK1002/01）。
（2）“復雜廢鉛酸蓄電池破碎分選及資源清潔再生工藝技術”于2015年4月20日由中國有色金屬工業協會進行了技術評價，中色協科（評）字[2015]第009號，有色金屬協會再生金屬分會王吉衛任專家組長，中南大學黃明輝任副組長。評價結論為：自主開發出適應我國國情的鉛膏預脫硫及副產物綜合利用關鍵技術裝備，實現了工藝技術和裝備的系統創新；鉛膏預脫硫、高效凈化和結晶技術復雜、難度大、集成度高；成果已經實現產業化，技術重現性好，成熟度高，產品質量得到用戶的認可，經濟、環境和社會效益顯著。項目整體技術屬國內首創，達到國內領先水平。
五、推廣應用情況
湖南江冶機電科技股份有限公司生產、銷售、安裝、調試該項目成果，形成了5萬噸/年、10萬噸/年、15萬噸/年三個系列的鉛膏預脫硫及副產物利用技術裝備產品，2014年10月至今國內銷售16套，出口2套。國內的3套在運行、國外1套在運行，處理能力分別12萬噸/年、5萬噸/年、15萬噸/年、5萬噸/年，配套處理廢鉛蓄電池37萬噸/年，處理鉛膏22.2萬噸/年。源頭減排二氧化硫2.664萬噸/年。
2016-2018年項目技術與裝備累計新增銷售額2.58億元，新增利潤0.36億元；2016-2018年項目技術與裝備應用累計新增銷售額18.96億元，新增利潤1.48億元；以上總計2016-2018年項目累計新增銷售額21.54億元，新增利潤1.84億元。
六、主要知識產權和標準規范目錄
知識產權 (標準) 類別 | 知識產權(標準)具體名稱 | 國家 (地區) | 授權號(標準編號) | 授權(標準發布)日期 | 證書編號(標準批準發布部門) | 權利人(標準起草單位) | 發明人(標準起草人) | 發明專利(標準)有效狀態 |
發明專利 | 一種基于節流自碰撞的鉛膏脫硫方法 | 中國 | ZL201510841686.1 | 2018年 05月08日 | 2918643 | 湘潭大學 | 張俊豐，易亮，曹靖 | 有效 專利 |
發明專利 | 一種基于氣液混流的鉛膏脫硫方法 | 中國 | ZL201610174292.X | 2018年 01月30日 | 2797562 | 湖南江冶機電科技股份有限公司，湘潭大學 | 范傳，張俊豐，齊磊，王振云 | 有效 專利 |
發明專利 | 一種基于局部冷卻快速析晶的鉛膏脫硫副產物硫酸鈉結晶方法和裝置 | 中國 | ZL201510153821.3 | 2017年 03月07日 | 2402321 | 湘潭大學，湖南江冶機電科技股份有限公司，揚州市化翔有色金屬有限公司 | 張俊豐，劉磊，曹靖，吳光輝，王振云，范傳，宋巍 | 有效 專利 |
發明專利 | 一種鉛膏濕法強制脫硫工藝 | 中國 | ZL201310540070.1 | 2015年 11月04日 | 1834599 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 王振云，李信生，范偉，張俊豐 | 有效 專利 |
實用新型專利 | 一種磁力攪拌研磨鉛膏強制脫硫反應器 | 中國 | ZL201621371576.X | 2017年 06月09日 | 6208803 | 湘潭大學 | 張俊豐，蔡英，劉磊，王靖，曹靖，黃妍 | 有效 專利 |
實用新型專利 | 一種溶淮降溫結晶和固液分離集成設備 | 中國 | ZL201521120624.3 | 2016年 06月01日 | 5253394 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 吳光輝，單歡樂，陳春平，李信生，范偉 | 有效 專利 |
標準 | 廢鍋膏鈉法預脫硫及副產物利用技術與裝備 | 中國 | Q/JY02-2018 | 2018年 07月15日 | 企業標準信息公務服務平臺20181210 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 張俊豐，黃妍，吳光輝，曹靖，范傳，王振云，陳彪，章琳 | 其他有效的知識產權 |
七、主要完成人情況
姓名 | 排名 | 行政 職務 | 技術 職稱 | 工作 單位 | 主要完 成單位 | 項目貢獻 |
張俊豐 | 1 | 副院長 | 教授 | 湘潭大學 | 湘潭大學 | 項目的組織者和負責人，主持了項目脫硫工藝、強制脫硫技術和裝備、副產物高效結晶技術和裝備的全部環節。 |
曹靖 | 2 | 教授 | 湘潭大學 | 湘潭大學 | 參與了強制脫硫、硫酸鈉高效結晶技術開發和實驗研究。 | |
劉磊 | 3 | 無 | 湘潭大學 | 湘潭大學 | 參與了強制脫硫、硫酸鈉高效結晶實驗和工程應用研究。 | |
范偉 | 4 | 總經理 | 高級工程師 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了脫硫工藝、強制脫硫、高效結晶技術和裝備研發。 |
王振云 | 5 | 工程師 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了脫硫工藝、強制脫硫、高效結晶技術和裝備研發。 | |
吳光輝 | 6 | 董事長 | 工程師 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了高效結晶技術與裝備研發。 |
黃妍 | 7 | 副院長 | 教授 | 湘潭大學 | 湘潭大學 | 鉛膏脫硫新工藝研發與裝備設計。 |
單歡樂 | 8 | 工程師 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了高效結晶裝備開發和運行調試。 | |
宋巍 | 9 | 董事長 | 教授 | 揚州市華翔有色金屬有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了高效結晶技術和裝備的研發與優化工作。 |
陳彪 | 10 | 無 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了項目工業試驗、項目標準化研究和企業標準研制。
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章琳 | 11 | 副總監 | 無 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 湖南江冶機電科技股份有限公司 | 參與了項目的標準化研究及企業標準制定 |
八、主要完成單位及創新推廣貢獻
（1）湘潭大學
項目是產學研用聯合攻關的成果，湘潭大學是項目技術和裝備的主要開發單位，項目技術與裝備的提出、小試、中試以及工業應用過程的方案設計、實驗研究、分析測試、調控優化等等工作均是我單位完成的。湘潭大學是發明專利“一種基于節流自碰撞的鉛膏脫硫方法”與實用新型專利“一種磁力攪拌研磨鉛膏強制脫硫反應器”的唯一產權人，也是發明專利“一種基于局部冷卻快速析晶的鉛膏脫硫副產物硫酸鈉結晶方法和裝置”的第一產權人，也是發明專利“一種基于氣液混流的鉛膏脫硫方法”的第二產權人。
（2）湖南江冶機電科技股份有限公司
項目是產學研用聯合攻關的成果，湖南江冶機電科技股份有限公司是項目技術和裝備的合作開發單位，也是項目推廣應用的主體。項目技術與裝備開發過程中的裝置設計、制造、安裝、調試等以及工業應用的系統設計、制造、安裝及調試等都由公司為主完成。公司是發明專利“一種鉛膏濕法強制脫硫工藝”和實用新型專利“一種溶液降溫結晶和固液分離集成設備”的唯一產權人，發明專利“一種基于氣液混流的鉛膏脫硫方法”的第一產權人和發明專利“一種基于局部冷卻快速析晶的鉛膏脫硫副產物硫酸鈉結晶方法和裝置”的第二產權人。
九、主要完成人合作關系說明
項目由湘潭大學、湖南江冶機電科技股份有限公司合作完成。項目的創新思路、技術路線由湘潭大學提出并研究確定，項目核心技術和裝備的研發、試驗以及系統集成也由湘潭大學完成；項目工業裝置的制造、安裝、調試及推廣應用由湖南江冶機電股份有限公司完成。揚州市華翔有色金屬有限公司參與了脫硫副產物高效結晶裝備的部分試驗工作，知情并同意該項目申報2019年湖南省科學技術獎的相關事宜。
項目的主要完成人有張俊豐、曹靖、劉磊、范偉、吳光輝、王振云、黃妍、單歡樂、宋巍、陳彪、章琳。
張俊豐是項目的組織者和負責人，湖南省重大專項（2015SK1002）的首席專家，主持了項目脫硫工藝、強制脫硫技術和裝備、副產物高效結晶技術和裝備的全部環節。曹靖、劉磊、黃妍是湘潭大學研發團隊的核心成員，曹靖是湖南省重大專項（2015SK1002）子項目三的核心成員，參與了強制脫硫、硫酸鈉高效結晶技術開發和實驗研究；劉磊參與了強制脫硫、硫酸鈉高效結晶實驗和工程應用研究；黃妍是湖南省重大專項（2015SK1002）子項目三的核心成員，參與了鉛膏脫硫新工藝研發與裝備設計。范偉、王振云、吳光輝、單歡樂、陳彪、章琳是湖南江冶機電科技股份有限公司研發團隊的核心成員，范偉、王振云都是湖南省重大專項（2015SK1002）子項目三的核心成員，參與了脫硫工藝、強制脫硫、高效結晶技術和裝備研發；吳光輝是湖南省重大專項（2015SK1002）子項目三的核心成員，參與了高效結晶技術與裝備研發；單歡樂參與了高效結晶裝備開發和運行調試；陳彪參與了項目工業試驗、項目標準化研究和企業標準研制；章琳是湖南省重大專項（2015SK1002）子項目三的項目聯系人，參與了項目的標準化研究及企業標準制定。宋巍是揚州市華翔有色金屬有限公司研發團隊的核心成員，參與了高效結晶技術和裝備的研發與優化工作。