试论活性炭材料在烟气脱硫脱硝技术中的应用

摘要：随着烟气脱硫和脱硝技术的发展，各国都开展了烟气同时脱硫脱硝技术的研究。文章阐述了目前国内外活性炭材料在烟气脱硫和脱硝技术中的应用。

目前，我国SO₂和NOx年排放总量大大超出了环境自净能力，造成近1/3的国土遭受酸雨污染。随着烟气脱硫和脱硝技术的发展，各国都开展了烟气同时脱硫脱硝技术的研究。活性炭烟气脱硫技术在消除SO₂污染的同时可回收硫资源，在较低温度下将SO₂氧化成SO₃，并在同一设备中将SO₃转化成硫酸，并可作为脱除NOx或回收CO₂工艺过程的有机组成部分，是一种防治污染与资源回收利用相结合的技术。

1 活性炭吸附脱硫原理

活性炭对SO₂的吸附包括物理吸附和化学吸附。当烟气中无水蒸汽和氧气存在时，仅为物理吸附，吸附量较小。当烟气中含有足量水蒸汽和氧气时，活性炭法烟气脱硫是一个化学吸附和物理吸附同时存在的过程。这是由于活性炭表面具有催化作用，使吸附的SO₂被烟气中的O₂氧化为SO₂，SO₂再和水蒸气反应生成H₂SO₄。

活性炭吸附SO₂的吸附过程用以下化学方程式描述：

SO₂+1/2O₂+H₂O→H₂SO₄

活性炭吸附SO₂后，在其表面上形成的硫酸存在于活性炭的微孔中，为使活性炭再生，需把存在于微孔中的硫酸取出。再生方法包括洗涤再生和加热再生两种，其中洗涤再生较为简单经济。

常见的活性炭脱硫工艺流程有固定床流程和移动床流程。固定床吸附塔可以并联或串联运行，并联时的脱硫效率为80%，串联时的脱硫效率为90%；移动床的脱硫效率为86.7%。

2 活性炭脱氨原理

在活性炭吸附脱硫系统中加入氨，活性炭又充当了SCR工艺中的催化剂，可同时脱除NOx：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O

图1为活性炭加氨脱硫脱氮工艺流程，此法的脱硫率可达90%，脱硝率为50%-80%。

3 活性炭脱硫影响因素

3.1 脱硫催化剂的类型对脱硫效率的影响

普通活性炭吸附容量低，吸附速度慢，处理能力小。研究表明，用聚丙烯腈纤维沥青纤维、粘胶纤维等纤维原料经碳化活化制备的活性炭纤维（ACF），特别是经特殊处理制得的脱硫活性炭纤维DSACC，含面料量高，比表面积大，微孔丰富，孔径分布窄，有较多适于吸附SO₂的表面官能团，因而，有可能克服普通活性炭处理能力低的特点。

3.2 空速对脱硫效率的影响

在相同条件下，活性炭脱硫效率随空速的提高而降低，一般认为空速对活性炭吸附能力的影响有：一方面，空速高时，SO₂与活性炭表面接触不够充分，没有被充分吸附，并且化学反应时间相对较短，直按影响其反应速度；另一方面，活性炭对SO₂的物理吸附靠的是分子间的范德华力形成的势能场，空速增加时，使该势能场对SO₂的捕捉能力下降，从而降低了SO₂被吸附后进一步进行化学反应的可能性，影响了脱硫效率。

3.3 床层温度对脱硫效率的影响

活性炭的脱硫效率与床层温度之间有很明显的对比关系，随着床层温度的升高，脱硫效率先加大后减小，较佳反应温度是50℃~80℃。活性炭对SO₂的吸附，不同的床层温度对物理吸附和化学吸附的影响不同。床层温度低时，虽然活性炭对SO₂的物理吸附迅速增加，但是由于活性炭在对SO₂的吸附中，化学吸附是物理吸附的几十倍，物理吸附的增加对活性炭的总吸附量来说贡献不大。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，物理吸附将受到抵制，从而影响化学吸附的进行，导致转化率下降，进而脱硫率降低。

3.4 烟气中氧含量对脱硫效率的影响

烟气中氧含量对反应有直接影响，当含量低于3%时，反应效率下降，氧含量高于5%时，反应效率明显提高。一般烟气中含氧量为5%~10%，能够满足脱硫反应要求。

4 活性炭纤维

活性炭纤维是一种新型纤维吸附材料（非织造布或毡），是继粒状、粉状活性炭后的第三代活性炭产品，比传统的活性炭具有更好的吸附性和使用价值。与传统活性炭相比，活性炭纤维在物理和化学性质上都具有显著优越性。作为一种纳米微孔吸附材料，活性炭纤维有着直径20μm左右的细长纤维结构和较高的强度，而且可以加工成各种不同的形状；比表面积可达2000m²/g，其外表面积是活性炭的百倍乃至千倍，从而很大地增加了吸附和催化能力；由于其孔隙都是纳米尺度的表面微孔（<2nm），数量丰富，排列均匀，不仅在吸附过程中能减少气体的扩散阻力，而且在脱附过程中容易使活性炭纤维获得再生。

活性炭纤维与粒状活性炭有明显的不同，其粒径小，孔隙直接开口于纤维表面，具有丰富且发达的微孔，微孔孔径可调，比表面积大，吸附容量大，吸附速度快，再生容易快速，经多次吸附脱附后仍保持原有的吸附性能。

与其他脱硫脱硝方法相比，活性炭纤维的脱硫脱硝具有工艺简单、无二次污染、资源可再生利用等优点，应用前景十分广阔。但在反应机理、活性炭纤维制备和改性，以及同时脱硫脱硝方面有许多基础性研究工作有待深入。另外，在实用方面，工艺流程设计也是进一步研究的内容。

5 结束语

在众多的烟气脱硫脱硝技术中，活性炭吸附法是一种能脱除烟气中多种污染物的方法，包括SO₂、NOx、烟尘粒子、汞、二唔英呋喃、重金属、挥发性有机物及其他微量元素。发展此类烟气脱硫脱硝技术，控制我国燃煤SO₂和NO排放，对于国民经济的可持续性发展意义重大。目前，活性炭法脱除燃煤烟气中NOx还没有达到工业应用水平，活性炭吸附NOx的性能、吸附反应机理，脱氮条件等还有待进一步研究。活性炭法烟气脱硫已有了成功应用的实例，然而仍有许多问题有待研究，例如,温度、水等对活性炭吸附性能的影响规律以及脱硫的条件等。开发新型活性炭（增加强度和吸附容量）、降低活性炭再生的能耗改善脱附方式有效提高脱附效率是活性炭吸附法进一步研究的方向。