烟气脱硫脱硝活性炭的研究进展

导读：当前我国工业行业中大部分工作者采用石灰石法对烟气进行脱硫，但是随着很多该工艺脱硫装置运行，发现有诸多问题，给烟气脱硫装置的运行带来很多困扰。为使烟气中二氧化硫资源化并同时脱除氮氧化物、解决石灰石法脱硫工艺中的难题，人们开发了活性炭法对烟气进行脱硫脱硝净化。活性炭具有很好的比表面积、孔容和表面化学性质，对二氧化硫、氮氧化物等污染物有良好的脱除效果。

随着经济的高速发展，人们发现迅猛发展的工业产生的环境问题日趋严重。从我国环境保护部所发表的《2015年中国环境保护状况公报》中：我国目前共有338个地级以上市，其中仅有21.6%环境质量达标，从全国来看，大约有20%以上城市深受雾霾和酸雨等影响。环境污染的主要来源在重工业，其中大气污染问题尤为突出。各企业都采取很多有效措施降低大气污染物排放，特别是对烟气脱硫脱硝处理。

目前我国烟气净化大多还是采用石灰石法，但是石灰石法烟气净化装置具有设备易破损、管道易堵塞、水资源消耗量大、副产物石膏应用范围窄、只能脱硫不能脱硝等缺点。随着近年来环境污染问题的持续加剧，我国正在加大对污染物排放量或浓度的管制，污染物排放超标就要受到一定的惩治。与石灰石法相比，使用活性炭的干法烟气净化技术更具有优越：该工艺过程中极少产生污染物；净化回收的二氧化硫可用于制取浓硫酸、亚硫酸钠等副产品；使用活性炭净化烟气时不需消耗水。活性炭可脱除烟气中的二氧化硫、氮氧化物、重金属、粉尘等污染物从而达到净化烟气作用。脱除了污染物的活性炭在隔绝氧气、高温下再生后还可以重复使用，既可减少对环境的污染，又可降低治理环境污染的成本。对使用活性炭对烟气进行脱硫脱硝的技术应用最早可以追朔到上世纪五十年代的日本和德国，当时两国的几个主要工业企业大量应用该技术，并且利用活性炭的工作效率达到了90%以上。我国最早使用活性炭法脱硫技术的厂家为湖北省的松木坪电厂，该产业所使用的是含有碘的活性炭，此技术因为含碘活性炭中碘大量流失而宣告失败。2010年山西太钢公司成功引进了日本的活性炭移动床脱硫脱硝一体化工艺，这种工艺在实现了对硫资源的回收利用。同时广东湛江钢铁有限公司活性炭法脱硫脱硝技术，于2015年11月份开始调试运作，其后该技术得到了大力推广。本文将从以下几个方面对活性炭制备进行分析。

1 脱硫脱硝活性炭的制备

（1）制备方法煤和木头是制作活性炭比较常用的材料。在工业上活性炭用量大，为节约成本，一般情况下会用比较廉价的材料，用烟煤较多，还有其他煤种。其实制备活性炭的材料有很多，如废茶、核桃壳等。制作活性炭有如下四个步骤：预处理、成型、碳化和活化。第一步是脱灰和预氧化处理，脱灰对活性炭的吸附能力提高有着重要影响。预氧化在提高活性炭的吸附能力的同时还能降低活化温度。成型有两种方式:将材料直接炭化和人工成型。有研究者直接将材料在350℃～600℃的高温中进行炭化，再把没有炭化好的材料用750℃～900℃水蒸气活化。该制备方法比较简单直接，活性炭的吸附能力也很高，但是炭化时需在很高的温度下进行，之后没有炭化好的材料将需要更高的温度对其进行活化，这极不利于脱硫脱硝活性炭的制备，容易损害已成型颗粒的结构，降低活性炭的机械强度。这几年里还有研究者多次对化学自成型法进行了研究。化学自成型法的步骤是先将脱水剂以合适的方式放到材料上，待材料发生反应之后，就可得到有相对应的比表面积活性炭。虽然该方法也可制备出活性炭，但是其制备成本比较高，且脱水剂的用量越大成本越高，不适宜于大批量制备活性炭。

（2）机械强度优化活性炭在工业中广泛的应用，其必须具有较高的强度性能。有研究者对优化活性炭的强度进行研究，发现不同材料所制备的活性炭其强度性能也不同，如乔文明教授曾发现椰壳所制成的活性炭强度较低，而焦油型的活性炭的强度就很容易提高。同时还研究发现，孔隙结构如果过于发达，活性炭强度性能会降低。

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现在工业上使用的活性炭制备方法主要是通过向粉末状原材料中加入粘结剂，混合均匀后再挤压成所需的形状，然后高温灼烧炭化处理。本制备方法是通过控制向原材料中加入粘结剂的方式使活性炭达到工业所需的各项要求。粘结剂的选择是影响最后活性炭的成型和强度的重要因素。比如使用有机粘结剂对最后的活性炭强度不会有很大的提升；而无机粘结剂尽管可以有效的提高最后制成的活性炭强度，但是用量过多会导致活性炭的脱硫脱硝效率下降。丁佳丽使用太西煤及天然的粘结剂制成的活性炭，在800℃下活化反应，经过活化反应后的活性炭强度有所降低。

2 孔结构对脱硫脱硝性能的影响

研究者对比表面积有过多次研究，很多研究者研究出的结果也都不一样。其中研究者李阳用850℃～950℃水蒸气活化制备了煤质活性焦，研究结果表明：硫容与总比表面积和孔容基本上没有关系，但是与微孔的比表面积具有很强的相关性。研究者通过研究表明微孔可以让脱硫发生较好的反应。

3 表面改性研究

在活性炭的表层的官能团可以使活性炭对硫化物和硝化物的吸附作用产生很大的影响。碱性的官能团对酸性的气体有着很强的吸附性。氧元素被吸附在活性炭表面之后会形成含氧官能团，这种官能团可以明显增大活性炭的表面极性，从而影响活性炭的吸附性、表面结构的酸碱性等。常见的碱性的含氧官能团有吡喃酮基、苯并吡喃基等。

化学改性能够通过对活性炭表面的官能团的改变来增加对气体吸附的活性位，也可以根据负载催化剂来提升对脱硫脱硝的催化活性。所谓化学改性即是通过化学方法改变活性炭表面的官能团，从而来达到控制活性炭选择性吸附性的目的。在活性炭的表面加入杂原子可改变官能团的属性，使对吸收硫化物的功能更加强力。当前研究的大多数是氮、氧官能团，这两类官能团通常是呈碱性的。学者李巧燕以活性炭和三聚氰胺为材料制备了新型活性炭，这种活性炭相比于以前的活性炭，脱硝效率更大，并且含氮量越多，脱硝性能越强。

4 总结

在诸多脱硫脱硝技术中，活性炭法脱硫脱硝技术能在很多领域得到大力推广并应用，特别是钢铁行业中，主要因为是活性炭具有独特的优点：良好的化学稳定性、热稳定性及疏水性；很好的催化作用、负载性能以及独特的空隙结构和表面化学特性，能同时对烟气中二氧化硫、氮氧化物、粉尘、二噁英等污染物进行脱除；烟气净化过程中不需消耗水；回收的二氧化硫可制取浓硫酸或亚硫酸钠副产品，对二氧化硫资源化。活性炭法烟气脱硫脱硝具有很好的发展前景，但仍需进一步研究开发出具有更好耐磨性能、更高脱硝效率等性能的新型活性炭，以便达到降低活性炭制备成本和活性炭法烟气脱硫脱硝的运行成本。