活性炭脫硫技術(shù)的研究

王力增

(山西潞安焦化有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

引 言

煤炭是我國(guó)的主要能源，我國(guó)煤炭消耗已占到世界的一半。2015年，我國(guó)消耗煤炭39.65億t，其中，46.38%用于燃煤電廠發(fā)電[1]。煤炭燃煤過(guò)程中產(chǎn)生了大量污染物，如，酸性氣體(NOx、SOx等)，重金屬(Hg、Fe等)、粉塵等。目前，我國(guó)燃煤SO2排放量占SO2排放總量的90%以上[2]?；痣姀S在生產(chǎn)過(guò)程中排放出的有害物質(zhì)影響大氣環(huán)境，加劇了霧霾和酸雨的產(chǎn)生，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重影響。因此，對(duì)火電廠煙氣進(jìn)行脫硫處理是環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容[3]。

目前，煙氣脫硫技術(shù)可分為干法技術(shù)、半干法技術(shù)和濕法技術(shù)。干法技術(shù)使用活性炭、活性炭纖維等固體吸收劑通過(guò)物理吸附或催化法將SO2吸附在孔隙中或轉(zhuǎn)化為其他硫化物。半干法脫硫是指在反應(yīng)過(guò)程中有液相水參與，但產(chǎn)物是固態(tài)的[4]。干法和半干法脫硫成本低，無(wú)廢水、廢酸產(chǎn)生，但脫硫效率低，一般為75%～90%。相比較而言，濕法脫硫是應(yīng)用最廣泛的方法，效率高達(dá)95%以上，同時(shí)，操作穩(wěn)定性強(qiáng)。但是，由于堿性吸附劑或有機(jī)溶劑的使用，在生產(chǎn)過(guò)程不可避免地有二次污染或污染物產(chǎn)生。因此，加快脫硫技術(shù)的開發(fā)、推廣成為當(dāng)前大氣污染控制工作的一個(gè)重點(diǎn)。本文主要介紹了目前常見(jiàn)的活性炭吸附法煙氣脫硫技術(shù)。

1 活性炭的制備

活性炭是由微細(xì)石墨狀微晶和碳氧化合物構(gòu)成的。活性炭的比表面積和孔容積很大，因此吸附性能也強(qiáng)?；钚蕴靠仔螤疃鄻?，孔徑分布(如圖1)尺寸大。根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)規(guī)定，直徑小于2 nm為微孔，在2 nm～50 nm范圍內(nèi)為中孔，大于50 nm為大孔?？讖讲煌饔貌煌何⒖妆缺砻娣e大，在吸附中起關(guān)鍵作用；中孔支配著吸附速度，既是吸附質(zhì)分子的通道，又在一定壓力下將氣體吸附在孔中；大孔常作為吸附質(zhì)分子的通道，在吸附中不起顯著作用。

圖1 活性炭的孔徑分布

活性炭不僅吸附煙氣中的SO2，同時(shí)，在O2和H2O的共同作用下，起著將SO2催化氧化為SO3，并轉(zhuǎn)化為H2SO4的作用。

活化是活性炭制備的重要環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的活化方法有物理活化和化學(xué)活化。物理活化是先將原料炭化，然后在600 ℃～1 200 ℃下對(duì)炭化物進(jìn)一歩處理。通常利用CO2、H2O(gas)等氧化性氣體與碳原子反應(yīng)，達(dá)到擴(kuò)孔、增孔目的?；瘜W(xué)活化是用化學(xué)藥品浸漬活性炭，然后炭化活化，最后制成多孔活性炭[5]。

李媛[6]以糠醛渣為原料，添加一定量的廢炭粉，以羧甲基纖維素為黏合劑制備出直徑在3 mm～4 mm的球形炭原料，利用電爐和微波2種加熱方式對(duì)該原料進(jìn)行炭活化處理及改性，制備出2種具有低溫催化性能的脫硫催化劑?？疾炝颂炕瘻囟取⑻炕瘯r(shí)間、活化溫度、活化時(shí)間對(duì)收縮率、碘吸附和脫硫效果的影響。

2 活性炭脫硫反應(yīng)過(guò)程

活性炭脫硫包括物理吸附和化學(xué)吸附，在沒(méi)有H2O(gas)和O2存在時(shí)，主要發(fā)生物理吸附，吸附量較小；當(dāng)煙氣中的水蒸氣和O2足夠多時(shí)，除了物理吸附，還涉及化學(xué)吸附。一般地，活性炭材料脫除煙氣中SO2的機(jī)理如式(1)～式(6)。

SO2(gas)+AC→SO2(ad)

(1)

O2(gas)+AC→O(ad)

(2)

H2O(gas)+AC→H2O(ad)

(3)

SO2(ad)+O(ad)→SO3(ad)

(4)

SO3(ad)+H2O(ad)→H2SO4(ad)

(5)

H2SO4(ad)+nH2O(ad)→H2SO4·nH2O(ad)

(6)

式中，AC為活性炭表面的活性位，gas代表氣態(tài)，ad代表吸附態(tài)。反應(yīng)過(guò)程表明，SO2、O2、H2O首先吸附在活性位上，轉(zhuǎn)變成吸附態(tài)分子，并且吸附態(tài)分子之間必須保持足夠近的距離和適當(dāng)?shù)目臻g構(gòu)型才能反應(yīng)生成H2SO4。

張?jiān)耓7]研究了活性炭停留時(shí)間、水蒸氣量、氧量、床層溫度對(duì)活性炭脫除煙氣中SO2的影響。脫硫效率隨氧量的提高而增大，隨床層溫度的升高而減小，隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。水蒸氣量為12%時(shí)，脫硫效率達(dá)到最大。

余波[8]系統(tǒng)研究了活性炭種類、水蒸氣含量、二氧化硫濃度、吸附溫度、空塔速度以及活性炭用量對(duì)活性炭脫硫的影響。脫硫率和比表面積正相關(guān)；脫硫率隨水蒸氣含量和溫度的提高先增加后減小，二氧化硫進(jìn)口濃度越大脫硫率越小，空塔速度對(duì)脫硫率的影響顯著，活性炭用量越大，脫硫率越高。

王臘姣[9]系統(tǒng)研究了SO2濃度、煙氣空速、吸附溫度、O2和H2O等因素對(duì)吸附效果的影響。分析了工業(yè)廢渣及改性處理的活性炭對(duì)SO2的脫除效率，及SO2在活性炭上的氧化反應(yīng)機(jī)理及吸附動(dòng)力學(xué)，提出了固定床吸附模型。

王海鴻[10]針對(duì)幾種粒徑活性炭進(jìn)行了吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析，得到了吸附速率模型，經(jīng)驗(yàn)證，在不同粒徑活性炭、煙氣溫度、煙氣線速度、濃度條件下模型值與實(shí)驗(yàn)值吻合度較好。

黃利華[11]以黏膠基活性炭和纖維糠醛渣碳粉為原料，黏土為增強(qiáng)劑，CMC和酚醛樹脂為黏合劑，制備了蜂窩狀活性炭。考察了蜂窩狀活性炭的制備及其煙氣脫硫性能，并利用BET、XPS、XRD等手段進(jìn)行了表征，為實(shí)現(xiàn)蜂窩狀活性炭工業(yè)化提供了理論基礎(chǔ)。

3 活性炭再生反應(yīng)過(guò)程

活性炭的再生方式有加熱再生、水洗再生和還原再生。當(dāng)活性炭采用高溫惰性氣體再生時(shí)，其反應(yīng)過(guò)程如式(7)～式(8)。

(7)

(8)

一般情況下，活性炭的再生過(guò)程在190 ℃左右開始，當(dāng)溫度達(dá)到320 ℃時(shí)大部分硫酸絕將被解吸完全，炭的消耗量取決于硫酸再生的量。

與高溫惰性氣體相比，高溫水蒸氣熱解再生具有活性炭消耗少、反應(yīng)溫度低、操作可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)活性炭水洗再生時(shí)，其內(nèi)孔中的H2SO4不斷被活性炭外的稀H2SO4溶液稀釋，最終使得孔中硫酸濃度不斷降低。

4 活性炭吸附法脫硫工藝流程

活性炭脫硫工藝按照吸附設(shè)備可分為移動(dòng)床和固定床工藝，流化床和固定床反應(yīng)器的比較見(jiàn)表1。

表1 流化床和固定床反應(yīng)器的比較[12]

5 結(jié)束語(yǔ)

煙氣脫硫是治理大氣污染的其中一個(gè)重要途徑?，F(xiàn)開發(fā)的脫硫技術(shù)很多，要選擇適合的處理技術(shù)，并不斷開發(fā)新技術(shù)，以期能夠在凈化煙氣的同時(shí)，回收資源，減少再次污染。