高爐煤氣精脫硫工藝中活性炭的應用

劉家麟

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北 唐山 063000）

引言

高爐煤氣是高爐冶煉過程當中所產生的一種可燃氣體，該氣體含有大量的污染物。高爐煤氣在排入大氣的過程中會對大氣造成嚴重的污染，隨著我國環保要求的不斷提升，對于鋼鐵行業中所產生的高爐煤氣也有著嚴格的要求。因為高爐煤氣中含有的成分主要包括CO、CO2、N2、H2及烴類，但最為主要的是它里面所含有的硫成分，不但包含有機硫，也包括了無機硫這些成分對于大氣會造成嚴重的污染，這對于人們的身體健康是十分有害的，因此國家對此進行了嚴格的整治，而高爐煤氣脫硫技術也因此而興起。該脫硫技術主要是將所排出的氣體中有效減少二氧化硫的成分，從而使生產達到環保的要求。通常情況下在高爐煤氣中所含有的有機硫成分主要是COS，而無機硫則是硫化氫。按照國家統一的鋼鐵排放氣體標準要求，所排放的氣體中要求二氧化硫質量濃度小于35mg/m3，可采用精脫硫的方式來進行操作。

1 活性炭脫硫化氫機理

目前所采用的高爐煤氣說有機硫的方法是水解轉換法。即，利用水解催化劑引發COS、CS2與煤氣中微量的H2O反應，待轉化成硫化氫后再脫除。這里又可分為兩種工藝類型：濕法和干法兩大類。所謂濕法處理工藝，就是將所排放的氣體中含有的硫化氫進行分離處理。這樣，氣體中的硫成份就便可作為單獨成分脫離出來，從而降低其排放到大氣中的危害性。該方法適用于排放氣量大，并且硫化成分高的作業要求，該方法屬于粗略脫硫法，并不適用于精化程度較高的作業方式。而干法是利用吸附劑、催化劑的作用效果，通過化學反應將所排放的氣體硫化物進行脫除。在所使用的脫硫劑中，主要的成分包括氧化鐵，氧化鋅等。這種脫硫技術能夠達到較為精準的脫硫程度，適用于排放氣體較少且精度要求較高的作業方式。該方式簡便易行并且極易控制，作業成本也較低，因此在所進行生產過程中經常被使用。本文主要闡述活性炭在高爐煤氣脫硫化氫中的應用[1]。

由于活性炭的化學性能比較穩定，并且其結構極其容易吸附，因此，在脫除硫化氫的過程中，它的性能更是得到了極大的發揮。活性炭作用機理如圖1所示。

在具體操作中，所使用的活性炭脫硫劑，具有嚴格的規制，通常情況下所使用的規格如圖2所示。

活性炭脫硫劑的作用反應形式為：當硫化氫在活性炭表面上時會發生催化氧化反應，這也是工業生產中用于硫化氫脫除選擇的主要方式。

主要原因在于，活性炭在進行吸附硫化氫容量時較小，為了能夠達到更好的效果，因此，往往會選擇在活性炭表面發生催化氧化反應這種作業方式。而最終在氧化反應后所產生的單質硫會存留在活性炭的空隙中。具體反應公式為：

目前學術界關于對活性炭脫硫所進行的反應原理有各種各樣的說法，其中最具有權威性的當屬Klein的溶解吸附反應機理，在所剖析的反應過程中具體過程原理為：首先，活性炭會將所排出的氣體中的水成分進行吸附，進而形成一種水膜狀態。這時硫化氫和氧氣便可通過活性炭中的孔隙進入到水膜，這時便發生了化學反應，從而將硫化氫進行電解分離，形成HS-和H+，氧氣分子被活化，生成活性氧原子。當活性氧原子與HS-發生反應時，這時所生成的單質硫便可留在活性炭的空隙中，隨即完成了活性炭脫硫反應[2]。

2 活性炭脫硫化氫的影響因素

2.1 脫硫反應空速

由于活性炭的生產廠家不同，因此活性炭在作用反應時所形成的化學反應效果也會有所差異，當活性炭在反應中，它的空速如果會在1 200 h-1左右，那么活性炭它的脫硫性能便會達到最佳狀態，而隨著氣速的不斷降低，活性炭在脫硫反映出也會發生相應的變化。活性炭的變化軌跡為先增大，后減小。問題就在于最大程度的將活性炭硫進行脫除。增大的目的是為了提升脫硫的作用效率，而降低則是由于硫化氫與脫硫劑的接觸時間進行延長，從而使活性炭與脫硫劑更大面積的接觸，增大了傳質阻力，從而導致了脫硫效率下降。因此，在進行脫硫反應時，所選擇的活性炭規格也是十分關鍵的。此外，在進行在脫硫反應時，所操作使用的氣速同樣不容忽視[3]。

2.2 脫硫反應溫度

在使用活性炭進行脫硫反應時，所反映設定的溫度最佳為30~50℃，如果溫度降低便需要進行中跟隨著溫度的升高，脫硫反應的能力也會隨之增強。當溫度設定在30~50℃時，它是保持活性炭進行脫硫反應的最佳溫度，該溫度能夠激發活性炭中脫硫劑的活性炭反應，進而增強脫硫的效果，當溫度高于50℃時。由于硫化氫在活性炭中會受到脫硫劑的影響而被活性炭吸附，因此較高的溫度，并不能保證活性炭對于脫硫反應的高效形成，反而會降低過脫硫劑的活性反應。

不得不強調的是，在高爐煤氣系統中，應重視余壓透平發電裝置（TRT）的設置，它是有效保證活性炭進行脫硫反應的最佳溫度裝置。因此在使用活性炭進行高爐煤氣脫硫反應時，應將其設置在TRT之后，以此來保證活性炭的活性反應能力。

2.3 煤氣中的水含量

如果脫硫反應中的作用原理脫離不開水蒸氣，就要保證水蒸氣即濕度的設定，它能夠有效提升活性炭的硫容量。如果沒有水蒸氣，活性炭的吸附作用就會不斷降低，在進行脫硫反應時也不能激發活性炭的活性作用力。相反，有了水蒸氣的存在，活性炭表面就會形成水膜的存在，在釋放的氣體中，活性炭中水膜的存在，將會與硫化氫進行有效的反應，進而將硫化氫脫離成單獨的硫離子。這種作用的方式是形成催化、氧化反應的作用效果，也是脫硫劑在活性炭表面所形成的反應結果。換言之，水蒸氣在進行脫硫反應時是十分重要的，如果不能保證足夠的濕度，那么就不能形成水膜，而活性炭的吸附能力也會大大降低。只有保持足夠的濕度，脫硫率才能不斷地提升。但需要注意的是，濕度同樣不能過于飽和，過于飽和的濕度，水膜會過厚，從而影響脫硫的能力，如圖3所示。

由此可見，控制高爐煤氣時，需要保持一定的濕度，但濕度要控制在恰當的范圍內，否則水膜過后也會形成冷凝水，因此要有效避免冷凝水的出現，只有這樣才能取得最佳的脫硫效果。

2.4 煤氣中的氧含量

在進行脫硫反應時，需要氧氣，氧氣中的分子會在活性炭進行脫硫反應時被活化成活性氧原子，氧原子會在活性炭進行脫硫反應后將所形成的硫單質滯留在活性炭孔隙中，氧氣有助于脫硫反應的形成。它如果當它的化學計量不斷增大，當達到最大容量值340%，這時硫容量就會固定在一定區域值內，而不再增加。通常情形下，進行高爐煤氣脫硫反應時所需要的氧含量應保持在0~0.8%，如果當所需要的氧含量不夠進行反應時，可通過添加適量的空氣來滿足對于氧含量的需要[4]。

2.5 煤氣中硫化氫的含量

在進行脫硫反映時，硫化氫的含量的參照作用性并沒有直接性的影響。但如果含硫量較高，那么這種作業方式便不再適用，因為所涉及到的成本也會較高。換言之，該方式只適合含硫化氫濃度較低的氣體凈化中。如果當煤氣中的含硫量比較高時，便可結合應用活性炭法與濕法。通過這樣二級脫硫的方法，來保證精準脫硫，脫硫的徹底。但究竟采用何種方式要根據具體情況來定。如果高爐煤氣中總硫含量（質量濃度）在200 mg/m3以下，便可使用活性炭法進行直接脫硫。

因此活性炭高爐煤氣進行精準脫硫，它的適用條件具有一定的規格。需要滿足：空速1 200 h-1，可根據不同廠家不同規格的活性炭來進行微調；溫度30~50℃；含飽和水、最小氧硫比為1∶1。

3 工藝流程

通過以上分析，關于活性炭的作用原理，最終筆者設計高爐煤氣系統裝置，以及它與TRT出口裝置的位置關系，以及溫度、水蒸氣含量等（具體如圖4所示）可根據相應的需要，設置多臺脫硫反應器并聯[5]。

脫硫反應器的固定，可采用固定床反應器，也可采用移動床反應器固定床反應器，兩者可進行交替性使用。當使用固定床反應器時，煤氣切換至備用設備，而采用移動床時，既可運用煤氣，也可運用活性炭。但需要注意的是，要防止煤氣泄漏的危險，因此在進行作用裝置安裝時，要考慮涉及安裝氣體密封操作處理裝置。

4 結語

活性炭脫硫技術已經成為當下進行脫硫反應時的一種改進優化方式而進行普遍使用。在實際的生產需要中，由于原材料性質的不同，以及對脫硫反應要求的不同，所使用的脫硫工藝也會有所不同。高爐煤氣進行脫硫技術是迎合了國家對鋼鐵行業進行環保整改的要求而使用的，它是活性炭脫硫法在高爐煤氣領域的具體應用，操作簡單而方便。