李盼宋，李建軍，2，張 序，賀堯祖，余 洋

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 四川 成都，610065；2.國(guó)家煙氣脫硫工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610065）

活性焦在煙氣凈化中的應(yīng)用

李盼宋1，李建軍1，2，張 序1，賀堯祖1，余 洋1

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 四川 成都，610065；2.國(guó)家煙氣脫硫工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610065）

活性焦煙氣凈化技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、投資少、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，很好地順應(yīng)了目前國(guó)家發(fā)展循環(huán)性經(jīng)濟(jì)、推廣產(chǎn)物可資源化、干法節(jié)水和高性能的環(huán)保技術(shù)的現(xiàn)狀。文章分析了活性焦煙氣凈化的機(jī)理、流程及影響其凈化效率的因素，提出活性焦煙氣凈化技術(shù)作為目前比較前衛(wèi)的煙氣凈化技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

活性焦煙氣凈化技術(shù)；機(jī)理；流程；影響因素

煤炭的燃燒尤其是劣質(zhì)煤的燃燒會(huì)產(chǎn)生SO2和NOx。目前SO2和氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染物?；鹆Πl(fā)電廠、煉鐵廠、化工廠等有燃料燃燒的固定源和汽車移動(dòng)發(fā)生源以及工業(yè)流程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，都會(huì)排放SO2或者NOx［1］。這些污染物不僅是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的主要中間產(chǎn)物，還會(huì)對(duì)人體健康造成威脅［2］。目前降低污染物排放主要有兩種方式：一是控制源頭排放，比如，低NOx燃燒技術(shù)二段燃燒法（空氣分級(jí)燃燒法）、再燃燒（燃料分級(jí)燃燒）、排煙再循環(huán)法以及洗煤技術(shù)；二是煙氣凈化技術(shù)，主要包括炭基材料法、臭氧氧化法、電子束法等［3］。這其中炭基材料法煙氣凈化技術(shù)具有治污產(chǎn)物資源化利用、吸附劑可循環(huán)使用、脫硫脫硝效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注，是有發(fā)展前景的聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)［4-9］。

目前工業(yè)排放煙氣溫度一般為110～150℃，而以NH3為還原劑、以活性焦作為活性組分的干法協(xié)同脫硫脫硝技術(shù)正是在此溫度范圍內(nèi)起凈化作用，凈化煙氣中的污染物。而且相比于傳統(tǒng)工藝運(yùn)行損耗高、成本高以及工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，活性焦顆粒強(qiáng)度大、運(yùn)行損耗小、工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)煙氣凈化，具有相當(dāng)大的應(yīng)用前景［10-11］。

1 活性焦煙氣凈化機(jī)理

為了實(shí)現(xiàn)理論指導(dǎo)實(shí)踐，推動(dòng)活性焦煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展，許多研究者對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了研究?；钚越姑摿蛎撓踔饕▋煞矫娴姆磻?yīng)過(guò)程，一是吸附反應(yīng)，二是催化反應(yīng)。

吸附反應(yīng)主要與活性焦的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)決定了污染物的初期脫除效率。而活性焦的表面化學(xué)特性則直接關(guān)系到催化反應(yīng)的好壞。表面官能團(tuán)作為表面化學(xué)活性特性的核心組成部分，對(duì)污染物的化學(xué)吸附起到了至關(guān)重要的作用。它是吸附、催化的活化中心。在反應(yīng)發(fā)生的初期，主要是煙氣中的SO2/NO被表面的孔隙吸附。SO2被吸附以后會(huì)被氧化成SO3，SO3再和水蒸汽反應(yīng)生成亞硫酸，最后被氧化成硫酸。NO被吸附后會(huì)生成硝酸根、亞硝酸根，接著被外界氨氣或氨根還原成氮?dú)狻Ｔ谖降倪^(guò)程中伴隨著擴(kuò)散反應(yīng)。擴(kuò)散的方式分為內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散。內(nèi)擴(kuò)散指發(fā)生在催化劑孔道內(nèi)部的擴(kuò)散。外擴(kuò)散指發(fā)生在催化劑顆粒外部的擴(kuò)散。如果擴(kuò)散的速率增大，那么氣體與吸附催化劑接觸的機(jī)會(huì)也相應(yīng)會(huì)增加。陳立杰等人［12］對(duì)煤制活性焦脫硫機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，活性焦脫除SO2為多相反應(yīng)，反應(yīng)的速控為擴(kuò)散過(guò)程。張翠清等人［13］對(duì)3種不同的煤基活性焦進(jìn)行SO2吸附性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于粒徑較大的活性焦，吸附脫除SO2的速率主要由內(nèi)擴(kuò)散控制，微孔發(fā)達(dá)對(duì)于吸附反應(yīng)的發(fā)生有利，微孔數(shù)量與內(nèi)擴(kuò)散速度成正比關(guān)系。

2 活性焦的制備

活性焦的制備工藝非常簡(jiǎn)單，大致分為原煤預(yù)處理、攪拌混合、炭化、活化和冷卻備用六個(gè)過(guò)程。具體工藝流程示意圖如圖1所示。

圖1 活性焦制備流程圖

3 活性焦煙氣凈化影響因素

從活性焦的整個(gè)制備工藝來(lái)看，影響活性焦性能的主要因素有煙氣組分、活化工藝和煤的種類。

3.1 煙氣組分的影響

煙氣組分對(duì)活性焦煙氣凈化的影響主要表現(xiàn)在不同煙氣組分會(huì)與污染物或者活性焦表面官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，從而影響整個(gè)凈化過(guò)程。李蘭廷等人［14］對(duì)不同煙氣組分下活性焦的脫硝率與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行研究，得出結(jié)論：相比NO，活性焦會(huì)優(yōu)先吸附SO2，而且，煙氣氣體組成不同會(huì)導(dǎo)致活性焦的脫硫脫硝效果也跟著發(fā)生相應(yīng)的變化。如果向煙氣中單獨(dú)引入O2或H2O，活性焦的脫硫脫硝不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，但是向煙氣中同時(shí)引入O2和H2O時(shí)，活性焦的脫硫脫硝效果則會(huì)出現(xiàn)巨大的變化。NH3的引入不僅僅是作為脫除NO的還原劑，還會(huì)對(duì)脫除SO2的效率有所提高。

3.2 活化工藝的影響

活化是用一些氧化性氣體如水蒸汽、二氧化碳、煙道氣、空氣等作為活化劑，在高溫下進(jìn)行活化制造活性炭/焦的方法?；罨暮脡臎Q定了活性焦的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)。孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)又分別決定了氣體凈化中的吸附過(guò)程和催化過(guò)程。這也使得活化對(duì)于活性焦煙氣凈化工藝起到了決定性作用。很多研究者都致力于尋找到最佳的活化工藝條件。楊巧文等人［15］采用高溫水蒸汽活化試驗(yàn)制備了褐煤基活性焦。試驗(yàn)結(jié)果表明，褐煤基活性焦的最佳活化工藝條件為：活化溫度850℃、水蒸汽通入量為1.0kg·h-1、活化時(shí)間2h。張進(jìn)華等人［16］研究了活化時(shí)間和水蒸汽流速等對(duì)制備活性焦產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明，以無(wú)煙煤精煤為原料，活化溫度為850℃，活化時(shí)間為15min，水蒸汽流速為6.2mL·min-1時(shí)，能制備出符合理想活性焦的活性焦產(chǎn)品。

3.3 原料及配方

活性焦主要是通過(guò)碳化過(guò)程中釋放的氣體造孔，所以它的孔隙結(jié)構(gòu)與制備原料有很大的關(guān)系。而粘結(jié)劑的加入量則直接影響活性焦的成型和強(qiáng)度?？捎糜诨钚越怪苽涞脑厦?，目前應(yīng)用最廣泛的是低階煤。苗文華等人［17］以5種典型低階煤為原料，通過(guò)回轉(zhuǎn)爐炭化和活化工序制備活性焦。結(jié)果表明，在最佳制備條件下，褐煤活性焦的吸附值為36.32mg·g-1，比長(zhǎng)焰煤活性焦吸附值高10%。張守玉等人［18］系統(tǒng)研究了煤種及炭化條件對(duì)活性焦孔隙特性的影響，發(fā)現(xiàn)彬縣煤是制備活性焦的較佳煤種，其較高的揮發(fā)分與氧含量有益于活性焦孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

4 活性焦的改性

雖然活性焦煙氣凈化有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍和提高煙氣凈化效率，很多研究者開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行改性，以求達(dá)到更佳的利用價(jià)值?；钚越咕哂邪l(fā)達(dá)的比表面積，除了自身可以作為催化劑使用，還可以作為載體負(fù)載活性組分。胡秋瑋等人［19］采用浸漬法改性，考察了釩、錳和銅的金屬氧化物改性對(duì)活性焦脫硝效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)這3種金屬氧化物改性的活性焦的脫硝率在反應(yīng)穩(wěn)定后都能達(dá)到90%以上，取得了較好的處理效果，表明活性焦作為載體材料是經(jīng)濟(jì)有效的。除了負(fù)載活性組分來(lái)改性外，還可以通過(guò)改變活化劑的組分來(lái)改變活性焦的表面官能團(tuán)。解煒等人［20］對(duì)活性焦進(jìn)行NH3改性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫下NH3會(huì)與活性焦表面發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而增加活性焦表面O元素和N元素的含量，活性焦表面的O和N元素對(duì)于脫硝反應(yīng)是具備活性的，所以可以明顯提高活性焦的脫硝效率。

5 結(jié)語(yǔ)

活性焦煙氣凈化技術(shù)生成的產(chǎn)物可被資源化利用，這個(gè)特點(diǎn)有助于綠色可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，化解我國(guó)能源結(jié)構(gòu)固定與燃煤污染環(huán)境的矛盾。目前，在國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)采用活性焦煙氣凈化技術(shù)來(lái)凈化煙氣，并取得了可喜的效果。在未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善、處理效率的提高以及產(chǎn)業(yè)化的推廣，活性焦煙氣凈化技術(shù)在我國(guó)將有廣闊的應(yīng)用前景。

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Aapplication of Activated Coke in Flue Gas Purification

LI Pan-song1， LI Jian-jun1，2， ZHANG Xu1， HE Yao-zu1， YU Yang1
（1. College of Architecture and Environment， Sichuan University， Chengdu 610065， China； 2. National Flue Gas Desulfurization Engneering Technology Research Center， Chengdu 610065， China）

With simple process， less investment and no secondary pollution etc，the fue gas purifcation technology used of activated coke was well complied with the countries’ present situation， needing to develop circular economy and promoting environmental protection technology that whose product could recycle， saving water and high performance. The mechanism， process and factors which affected its purifcation effciency of these technology were analyzed. It was found that fue gas purifcation technology used of activated coke as currently compares halfback fue gas purifcation technology had broad application prospects.

fue gas purifcation technology used of activated coke； mechanism； process； infuence factor

TQ 546

A

1671-9905（2016）05-0037-03

2016-03-10