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活性炭用于烟气脱硫工艺的可行性分析

发布日期:2019-02-23 12:28点击:

SO2是造成大气污染的主要污染物之一,近几十年我国工业经济迅猛发展,以煤炭为主的能源消耗大幅攀升,大气中的SO2含量越来越高,我国是当今世界大的煤炭生产和消费国,同时也是世界上以煤炭为主要能源的国家之一。由此可见及时有效地控制烟气中的SO2排放总量对提高我国环境空气质量有着积极作用,我国政府部门对SO2排放总量的控制主要采取加大产业调整力度,加快淘汰满后产能,积极推进先进的SO2治理工艺,其中活性炭法脱硫技术被认为是极具开发前景的烟气脱硫技术,该 项技术的采用材料活性炭来源广泛,工艺过程无二次污染产生且可进一步回收硫资源,用过的活性炭也可再生并循环利用,所以该项技术的研究应用符合我国国情的发展,具有一定的现实意义,当前已成为该领域的研究热点。

1、活性炭脱硫原理

活性炭法烟气脱硫技术极具发展前景,该技术是一种环境防治与资源回收利用相结合的技术。其吸附剂活性炭的吸附容量大,化学稳定性好,解吸容易,在较高温度下解吸再生其晶体结构没有大的变化,热稳定性好,经过多次吸附和解吸仍保持原有的吸附性能。

目前,关于活性炭脱硫原理的研究,国内外已有很多人进行过研究工作,大部分结论一致认为活性炭对SO2的吸附有两种形式,即物理吸附和化学吸附。当烟气中无水蒸汽和氧化存在时,仅为物理吸附,吸附量较小;当烟气中含有足量水蒸汽和氧化时,活性炭法烟气脱硫同时存在化学吸附和物理吸附两个过程,物理吸附先发生,然后再吸附的SO2被催化氧化最终生成H2SO4,其主要反应过程如下:

SO2+O2+H2O—H2SO4

2、活性炭烟气脱硫技术的研究

2.1 活性炭原材料性质的影响

不同的活性炭原材料其表面的孔结构各有差异,而孔结构的大小与活性炭的脱硫性能有直接关系。程振民等研究活性表面SO2催化氧化反应机理,发现活性炭质材料对SO2的吸附、氧化过程是在微孔中进行的,氧化产物水合H2SO4贮存在微孔内,由于活性炭质材料微孔中相邻孔壁吸附势相互叠加,所以在微孔内存在较大的吸附势能。张双全等研究发现难石墨化的微晶分子排列无序,微晶间以交联键互联,在空间形成发散的孔隙结构,易石墨化炭则相反,微晶分子排列有序,孔隙率较低,因此建议选择用于脱硫的活性炭原料。同时尽量避免选用分子排列取向度高的煤炭。通常煤质种类有煤炭、无烟煤、烟煤和褐煤四种,其中煤炭、无烟煤的石墨化程度都最高,烟煤次之,褐煤最低。

2.2 温度对活性炭吸附脱硫的影响

温度对活性炭脱硫率的影响比较显著。随着床层温度的升高,活性炭的脱硫效率先增大后减小,活性炭对SO2的吸附包括化学吸附和物理吸附,其中化学吸附是物理吸附的几十倍,由于低温不利于化学吸附,导致SO2的转化率很低从而使总的脱硫率很低,随着温度的升高,化学吸附增大但当温度升高到一定时物理吸附将受到抑制从而影响化学吸附的进行,导致转化率下降,进而脱硫效率降低。袁婉丽等用锯未制取高机械强度的生物质颗粒活性炭,研究了工作温度对活性炭脱硫性能的影响。结果发现,70度条件下,2h以内锯未活性炭的脱硫效率保持90%以下;温度升高时脱除效率下降很快,饱和失效较快。

党玉华等通过试验研究发现,随着烟气温度的升高,反应速率加快,活性炭的脱硫效率提高。当烟气温度达到200度,活性炭质量为1000g时,活性炭的脱硫效率可以达到95%;但温度如果继续上升,则会影响吸附反应的发生,导致活性炭的脱硫效率下降。王建伟等对活性炭吸附法烟气脱硫的关键参数进行了试验研究,结果发现随着温度的升高,水蒸汽的吸附量下降非常明显,将使生成的H2SO4不能及时倍离活性炭表面,从而导致活性炭的脱硫效率下降。

2.3 水蒸汽和氧量对活性炭吸附脱硫的影响

对于水蒸汽存在情况下关于活性炭脱硫的催化反应机理尚存争议,普通认为,在水蒸汽和氧化同时存在时SO2与O2反应生成SO3,SO3再与水结合成硫酸,用过量的水冲洗后离开活性中心,则活性中心继续吸附SO2。但另一种观点认为水蒸汽并非越大越好,当水蒸汽的含量过大时,将降低活性炭的脱硫效率,有资料表明,水分在10%时活性炭脱硫效率达到较大值。

O2浓度对SO2转化的影响也不能忽略,随着O2浓度的增加,SO2的转化率逐渐增大,但是并不是一直增大,而是最终趋于稳定。张月等研究发现,氧量在4%-6%范围内,脱硫效率维持较高水平,再增加氧量,脱硫效率变化不大。

3、改性活性炭烟气脱硫新技术研究

活性炭材料表面结构对脱硫影响很大,通过一些试剂或方法处理改变其孔隙结构或孔径分布或者在活性炭表面引入或去除某些官能团以改变表面酸碱性,提高活性炭的脱硫性能。

3.1 活性炭微波辐射脱硫技术

马双忱等人利用微波装置和活性炭研究了模拟烟气同时脱硫脱硝技术,利用此技术可以将96%的SO2进一步分解为回收的有价值单质硫。试验表面,微波不仅以其热效应促进了反应的进行,更发挥了它的催化作用。江霞习等人采用微波辐照技术对煤质活性炭进行加热,研究了不同的微波功率、辐照时间和样品粒径等因素对活性炭脱硫性能的影响,以期找出了合适的反应条件。同时,将改性活性炭和原炭对SO2的吸附和催化性能做了比较,说明了微波辐照活性炭具有比原炭更好 的吸附和催化性能。

3.2 活性炭表面负载金属及金属化合物脱硫技术

J。Klinik研究了负载Ca、Ni、Mn和V等化合物后在活性炭表面生成的Co(OH)2、Ni(OH)2、MnO2和V2O3微晶增强了活性炭材料的脱硫活性。I.Mochida研究了V、Fe、Ni、Cr金属化合物负载到活性炭上后对SO2摩尔吸附热的影响,将结果再与SO2吸附量进行关联,发现负载金属的类型及负载量对SO2的脱除性能有很大的影响。方惠斌等人进行了活性炭担载金属氧化物(M/AC)在中温范围150-250度内,催化氧化硫化氢生成单质硫的研究,表明,M/AC脱硫的活性顺序为 Mn/AC>Cu/AC>Fe/AC>Co/AC>V/AC。徐砚采用椰壳活性炭(AC)担载Cu制备脱硫剂CuO/AC,发现CuO/AC脱硫剂煅烧温度为 250度时较适宜;Cu担载量为5%-7.5%、脱硫反应温度为200-250度、烟气中有适量的O2时,CuO/AC脱硫剂具有较好的脱硫 能力。

3.3 活性炭酸碱处理脱硫技术

马光友等研究考察了硝酸对活性炭进行改性后随着温度升高和处理时间延长,改性活性炭的吸附性能总体呈先升后降的趋势,随着硝酸浓度增加,改性活性炭的吸附性能提高。陈庆军等将沥青基球状活性炭浸渍一定浓度的Na2CO3,制备脱硫剂,结果表明,其脱硫效果比普通煤质柱状活性炭和商用活性炭脱硫剂效果更好。

4、活性炭用于烟气脱硫的应用及存在问题

迄今为止,活性炭材料用于烟气脱硫已有许多成功的工业化应用实例,如近期活性炭应用于太钢450m3烧结机为当地环保能减排工作做出突出贡献,活性炭用于火电厂烟气脱硫脱硝也得到了很好的应用,并且对火电厂重金属的去除也起到了很好的作用。目前,活性炭材料用于烟气脱硫普及程度仍然有限,大部分都还处于实验室研发阶段,主要原因在进行大规模工业化应用时其带来的副产物硫酸的影响,以及工业化应用时温度的控制对降低活性炭脱硫成本有着较大影响。

5、结语

活性炭材料用于烟气脱硫具有很好的应用前景,目前有必要加强活性炭材料孔结构、温度、水蒸汽和氧量吸附脱硫机理的研究;加强微波辐射脱硫技术的改性条件对活性炭脱硫性能的影响和吸附催化性能提高的研究,以及改性活性炭负载金属和金属化合物的种类和含量对SO2的脱除性能影响研究。通过这些研究工作从而在原理上降低净化装置的基本建设投 资及运行操作费用,为我国环境保护及节能减排工作贡献一份技术力量,实现社会效益和经济效益的同步发展。