摘  要  活性炭脫硫技術(shù)可以一次性處理煙氣中的SO2、NOx、二噁英等，獲得的富SO2氣體可以生產(chǎn)工業(yè)濃硫酸。本文介紹燒結(jié)煙氣活性炭脫硫技術(shù)，詳述活性炭脫硫原理、工藝流程和主要設(shè)備。論述了采取何種措施可以優(yōu)化工藝以及如何降低活性炭耗損成本，其中介紹了微波輻照法再生新技術(shù)。

關(guān)鍵詞  脫硫  活性炭  燒結(jié)煙氣  環(huán)保  工藝優(yōu)化

Introduction of activated carbon desulfurization technology for sintering flue gas

Gao Yisa

Beihai Chengde Nickel Industry Co. Ltd.

Abstract  Activated carbon desulfurization technology can be a one-time treatment of flue gas in the SO2, NOx, dioxin, etc., obtained by the rich SO2 gas production of industrial concentrated sulfuric acid. In this paper, the desulfurization technology of activated carbon in sintering flue gas is introduced. This paper discusses the measures to optimize the process and how to reduce the cost of the active carbon.

Key words  Desulphurization  Activated carbon  Sintering flue gas  Environmental protection  Process optimization

SO2是大氣污染的主要污染物之一，它的排放對(duì)自然環(huán)境造成巨大的破產(chǎn)。目前，鋼鐵行業(yè)SO2排放量?jī)H次于電力行業(yè)，在鋼鐵行業(yè)主要SO2排放源來(lái)之燒結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，鐵礦石、煤（ 焦粉） 等原料中的硫在高溫條件下氧化生成SO2，然后隨煙氣排入大氣，造成環(huán)境污染[1]。

誠(chéng)德鎳業(yè)公司現(xiàn)有132m2和180m2燒結(jié)機(jī)各一臺(tái)，配有一套濕法石膏脫硫系統(tǒng)，隨著燒結(jié)產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，煙氣排放量也不斷增大。隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，現(xiàn)有的濕法石膏脫硫系統(tǒng)逐漸滿足不了國(guó)家要求環(huán)保質(zhì)量要求。從鋼鐵環(huán)保長(zhǎng)遠(yuǎn)利益分析，以及遵循國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展環(huán)保政策趨勢(shì)分析，擬建一套132m2+180m2活性炭法脫硫系統(tǒng),可以處理凈化煙氣中多種污染物（二氧化硫、氮氧化合物、粉塵、重金屬、二噁英），并得到副產(chǎn)品工業(yè)硫酸。可徹底解決濕法石膏脫硫系統(tǒng)檢修時(shí)燒結(jié)機(jī)需停產(chǎn)等待的問(wèn)題，以及國(guó)家日益嚴(yán)格要求的環(huán)保排放要求。

1  活性炭脫硫原理

1.1  有害物質(zhì)的吸附

用活性炭對(duì)燒結(jié)煙氣脫硫是一個(gè)綜合的物理、化學(xué)過(guò)程，其主要反應(yīng)如下：

物理吸附：SO2→SO2（吸附）

物理吸附是吸附塔內(nèi)的第一個(gè)階段。煙氣中的 SO2 分子（ 及其他成分，如氧分子、水分子等） 進(jìn)入活性炭豐富的微細(xì)孔中并儲(chǔ)存起來(lái)。

化學(xué)吸附：2SO2（吸附）+O2（吸附）→2SO3（吸附）

SO3（吸附）+nH2O（吸附）→H2SO4（吸附）+（n－1）H2O（吸附）

化學(xué)吸附化學(xué)吸附是吸附塔內(nèi)的第二個(gè)階段。在100～150℃并有氧和水蒸氣存在的條件下，由 SO2生成的SO3與水生成吸附態(tài)硫酸，留在活性炭的微細(xì)孔中。向硫酸鹽轉(zhuǎn)化：

H2SO4（吸附）+NH3→NH4 HSO4（吸附）

NH4HSO4（吸附）+NH3→（NH4）2SO4（吸附）

該反應(yīng)在向吸附塔內(nèi)通入氨氣后發(fā)生。氨氣與微細(xì)孔中的硫酸發(fā)生中和反應(yīng)可加快SO2生成SO3的過(guò)程，繼而加快硫酸的生成。當(dāng)吸附態(tài)硫酸與氨氣反應(yīng)時(shí)，首先生成吸附態(tài)硫酸氫銨，如果氨氣量夠大，吸附態(tài)硫酸氫銨將繼續(xù)與氨氣反應(yīng)，生成吸附態(tài)硫酸銨。由于活性炭本身具有較大的比表面積，可以活化吸附在其表面的化學(xué)物質(zhì)，加快整個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行，因此活性炭在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中具有一定的催化作用[2]。

2  活性炭脫硫工藝流程及主要設(shè)備

2.1  工藝流程

煙氣首先經(jīng)過(guò)除塵器除塵，隨后煙氣進(jìn)入增壓機(jī)，經(jīng)過(guò)增壓后被送入吸收塔，煙氣中的二氧化硫在吸收塔內(nèi)被活性炭吸附并且催化氧化成H2SO4，同時(shí)氮氧化物與脫硝用的氨氣在吸收塔內(nèi)反應(yīng)生成硝酸銨鹽，反應(yīng)生成的硫酸和硝酸銨鹽均被活性炭吸附。已達(dá)到飽和的活性炭被送入解吸塔，活性炭被間接加熱，可以解吸出高濃度的二氧化硫。高濃度的二氧化硫經(jīng)過(guò)洗滌塔的洗滌凈化后，在五氧化二釩觸媒作用下產(chǎn)生三氧化硫，進(jìn)而生成硫酸；解吸后的活性炭經(jīng)冷卻后并過(guò)濾篩除過(guò)小顆粒和雜質(zhì)，送回吸收塔進(jìn)行循環(huán)使用[3]。

活性炭脫硫工藝流程圖如圖1：

2.2  主要設(shè)備

2.2.1  煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)是整個(gè)脫硫工藝的核心。該系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)機(jī)等設(shè)備把燒結(jié)煙氣輸送到吸附塔，經(jīng)過(guò)脫硫的煙氣達(dá)到排放要求后，通過(guò)煙道、煙囪排放。煙氣系統(tǒng)主要包括主抽風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)以及連接煙道等。如圖2：

2.2.2  吸附、解析以及活性炭運(yùn)輸系統(tǒng)

吸附、解析以及活性炭運(yùn)輸系統(tǒng)主要由吸附塔、解吸塔以及運(yùn)輸系統(tǒng)組成，如圖-3：

吸附塔采用分層移動(dòng)床型吸附塔，煙氣垂直于活性炭運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)入吸附塔，分別經(jīng)過(guò)前、中、后三個(gè)通道，將有害物質(zhì)脫除后，經(jīng)吸附塔出口進(jìn)入總煙道，經(jīng)煙囪排放。在吸附塔內(nèi)，活性炭自上而下緩慢移動(dòng)，吸附通入塔內(nèi)的煙氣中的有害物質(zhì)。活性炭的移動(dòng)速度主要由下部輥式給料機(jī)的變頻調(diào)速來(lái)控制。為了避免煙氣外泄，在吸附塔上、下部設(shè)置了旋轉(zhuǎn)閥與外部環(huán)境隔離。塔本體由 6 個(gè)部分組成，從上到下依次為：裝料段、分配段、解吸段、分離段、冷卻段和卸料段[2]。如圖4：

2.2.3  除塵及卸灰系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)采用單一的布袋除塵模式，包括離心風(fēng)機(jī)、布袋除塵器以及其他附屬設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)以離心風(fēng)機(jī)為動(dòng)力源，負(fù)責(zé)收集活性炭在運(yùn)輸、裝載和卸灰時(shí)候產(chǎn)生的揚(yáng)塵，設(shè)計(jì)為全密閉結(jié)構(gòu)，有效的減小活性炭的揚(yáng)塵和有毒氣體的泄漏。所收集的灰塵主要為活性炭粉塵，可直接用氣力輸送打回用于燒結(jié)燃料或者高爐噴煤，從而降低生產(chǎn)成本[4]。如圖5：

2.2.4  活性炭補(bǔ)給系統(tǒng)

活性炭補(bǔ)給系統(tǒng)的主要作用是向解吸塔內(nèi)均勻、定量地補(bǔ)充活性炭，以彌補(bǔ)因磨損和反應(yīng)而造成的活性炭損失。將外購(gòu)的活性炭運(yùn)至活性炭卸載倉(cāng)，通過(guò)卸載運(yùn)輸機(jī)裝入活性炭?jī)?chǔ)存?zhèn)}內(nèi)。如圖6：

2.2.5  熱循環(huán)系統(tǒng)

熱循環(huán)系統(tǒng)包含了大量管路，是活性炭脫硫系統(tǒng)中最復(fù)雜、最危險(xiǎn)的子系統(tǒng)。熱循環(huán)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是用于解析塔中活性炭的加熱，把活性炭中的飽和二氧化硫解析出來(lái)；另一部分是冷卻加熱過(guò)的活性炭。如圖7：

3  活性炭脫硫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

活性炭脫硫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

（1）能對(duì)煙氣中多種污染物一次性處理，具有同步脫硫、脫硝、除塵、除二惡英、除重金屬等有害物質(zhì)的能力；

（2）運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)單；

（3）無(wú)二次污染產(chǎn)生，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，煙氣的氮氧化物被還原生產(chǎn)水和氮?dú)鈁2]，此外活性炭運(yùn)送過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵被除塵器收集，直接可以用于燒結(jié)或者高爐燃料，無(wú)需另外處理。唯一產(chǎn)物富SO2氣體送至制酸系統(tǒng)產(chǎn)出高品質(zhì)工業(yè)硫酸，可用于本公司固溶車間酸洗。

缺點(diǎn)：活性炭脫硫系統(tǒng)設(shè)備一次性投資高，而且運(yùn)行費(fèi)用高。根據(jù)誠(chéng)德鎳業(yè)公司燒結(jié)礦產(chǎn)能以及煙氣排放量計(jì)算，運(yùn)行費(fèi)用每噸燒結(jié)礦12.9元/t，現(xiàn)有濕法脫硫運(yùn)行費(fèi)用6.48元/t。

活性炭脫硫系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用之所以這么高，是因?yàn)榛钚蕴績(jī)r(jià)格高且消耗量大。減小活性炭消耗以及提高活性炭吸附率可以有效地減小運(yùn)行費(fèi)用。

4  降低活性炭消耗的方法

4.1  采用柔性方式運(yùn)輸

活性炭在脫硫系統(tǒng)中運(yùn)輸會(huì)造成破損，有很大一部分消耗在于運(yùn)輸過(guò)程中。由于運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行速度過(guò)快以及速度不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)活性炭造成破損，從而增加運(yùn)行費(fèi)用。

4.1.1  采用變頻調(diào)速

傳統(tǒng)活性炭運(yùn)輸方式的電機(jī)控制采用無(wú)變頻調(diào)速。這種運(yùn)輸方式硬啟動(dòng)且加速度不平穩(wěn)，加速度的變化會(huì)對(duì)活性炭造成沖擊從而出現(xiàn)破損。

新式的活性炭運(yùn)輸設(shè)備基本采用變頻調(diào)速，變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)在于：1）采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以大大的提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，又可以減10%的電能損耗[5]；2）變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)大都是從低速開(kāi)始，頻率較低。加、減速時(shí)間可以任意設(shè)定，加、減速時(shí)間比較平緩，加速度變化平穩(wěn)，對(duì)運(yùn)輸中的活性炭沖擊可以減到最小，減小運(yùn)輸過(guò)程中活性炭的破損。

4.1.2  采用Z字型鏈斗輸送機(jī)

吸附/解析系統(tǒng)的活性炭輸送采用2條Z字型鏈斗輸送機(jī)。

吸附塔給料輸送機(jī)：將解析塔下料活性炭輸送至吸附塔塔頂。解析塔給料輸送機(jī)：將吸附塔下料活性炭輸送至解析塔塔頂。

Z字型鏈斗輸送機(jī)工作原理：活性炭放置于運(yùn)動(dòng)著的板式鏈連接的鏈斗內(nèi)，在電機(jī)及減速機(jī)驅(qū)動(dòng)下，從尾部運(yùn)動(dòng)到頭部，實(shí)現(xiàn)活性炭的運(yùn)輸；無(wú)論水平或者傾斜輸送，鏈條、鏈斗和活性炭三者之間沒(méi)有任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只是整體沿著導(dǎo)軌移動(dòng)[6]。采用Z字型鏈斗輸送機(jī)極大程度上降低活性炭摔損，有效的降低活性炭的消耗成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)活性炭的連續(xù)運(yùn)輸，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高。

4.2  優(yōu)化解吸段工藝

飽含二氧化硫、氮氧化物的活性炭在解吸過(guò)程加熱到400°C以上，并通入N2，保證活性炭與空氣隔絕，避免活性炭燃燒。活性炭被加熱后，使吸附的可分解或揮發(fā)性物質(zhì)分解或者揮發(fā)，得到富SO2氣體（SRG），SRG輸送至制酸工段制取濃硫酸，制酸系統(tǒng)尾氣返回增壓風(fēng)機(jī)前煙道；被活性炭吸附的NOX在加熱段發(fā)生SCR或者SNCR反應(yīng)，生成N2與H2O；被活性炭吸附的二噁英，在高溫環(huán)境下，活性炭?jī)?nèi)的催化劑促使其苯環(huán)間的氧基破壞，發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變裂解為無(wú)害物質(zhì)。解析并得到活化后的活性炭進(jìn)入解析塔下部的冷卻段，進(jìn)行冷卻。

在解吸過(guò)程中，活性炭被加熱后又被冷卻處理，熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使活性炭造成破損。在解吸過(guò)程中，可以采取一系列工藝優(yōu)化，降低活性炭損耗率。

4.2.1  加熱段工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的解吸塔在加熱段前設(shè)有預(yù)熱段，但是預(yù)熱段結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且溫度控制難度比較大。通過(guò)延長(zhǎng)通過(guò)延長(zhǎng)加熱段和冷卻段，取消預(yù)熱段，并采用活性炭梯度加熱和冷卻技術(shù)，大大減小了活性炭在加熱和冷卻過(guò)程中的熱應(yīng)力，減小了活性炭在解吸過(guò)程的損耗。

傳統(tǒng)的解吸塔冷卻段采用的冷卻方式是水冷，新的冷卻方式采用空冷，由冷卻風(fēng)機(jī)向解吸塔鼓入冷風(fēng)，通過(guò)空氣和活性炭間接換熱，實(shí)現(xiàn)活性炭降溫。風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)：（1）有助于活性炭梯度冷卻，避免活性炭因驟冷而破損；（2）消除了解吸塔冷卻段管子破損后活性炭大量失效的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

4.3  活性炭再生新技術(shù)

4.3.1  微波輻照法

微波輻照法脫硫活性炭再生技術(shù)發(fā)展于熱再生法的基礎(chǔ)之上。微波輻照法是利用微波誘導(dǎo)活性炭中極性物質(zhì)分子使其產(chǎn)生偶極轉(zhuǎn)向極化，同時(shí)電磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為熱能，滯留在孔道中的硫酸受熱揮發(fā)，從而使活性炭的孔道重新打開(kāi)[7]。在此過(guò)程中，由于一部分活性炭因吸收微波升溫而燒失以至其孔徑擴(kuò)大。Ania等研究表明，利用 2450MHz的微波再生，與傳統(tǒng)熱再生方法相比，其耗時(shí)短、再生效率高，可以生成微孔發(fā)達(dá)的活性炭。Foo等研究發(fā)現(xiàn)：微波再生負(fù)載有亞甲基藍(lán)的活性炭2-3min，吸附劑再生充分，5次吸附-再生循環(huán)之后，再生率保持在75%-77%，與第一次吸附循環(huán)的吸附率保持一致。牛志睿等研究表明，微波輻照再生吸附 S0 飽和的活性炭纖維，連續(xù)6次反復(fù)吸附解吸后，活性炭纖維吸附容量明顯提高，更容易被解吸，并且SO2回收率維持在93%以上，炭纖維的損耗率低于10%。微波解吸吸附容量恢復(fù)好、活性炭纖維損耗率低、解吸時(shí)間短、解吸氣體濃度高以及SO2便于回收，因而具有很好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性[8]。

Yuen和 Hameed詳細(xì)闡述了微波再生技術(shù)的特點(diǎn)、未來(lái)發(fā)展方向以及面臨的挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)再生方法，微波再生活性炭具有熱效率高、再生率高、節(jié)約能量以及能夠生成微孔發(fā)達(dá)的活性炭等優(yōu)點(diǎn)。微波再生提高了活性炭的吸附性能和吸附速率[9]。

5  結(jié)語(yǔ)

煙氣活性炭脫硫不僅可以一次性凈化煙氣的二氧化硫、氮氧化物、二噁英等有害物質(zhì)，而且能從中提取SO2，生產(chǎn)工業(yè)濃硫酸。煙氣活性炭脫硫技術(shù)可徹底解決公司燒結(jié)機(jī)煙氣排放問(wèn)題，以滿足國(guó)家日益要求嚴(yán)格的排放要求。通過(guò)燒結(jié)機(jī)煙氣提取的SO2，鎳業(yè)公司每年可生產(chǎn)w（H2SO4）為 98%硫酸25830t，可用于公司內(nèi)部固溶廠酸洗，每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到594萬(wàn)元，是鋼鐵行業(yè)內(nèi)具有推廣意義的脫硫技術(shù)。

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