摘  要  活性炭脫硫技術可以一次性處理煙氣中的SO2、NOx、二噁英等，獲得的富SO2氣體可以生產工業濃硫酸。本文介紹燒結煙氣活性炭脫硫技術，詳述活性炭脫硫原理、工藝流程和主要設備。論述了采取何種措施可以優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。

關鍵詞  脫硫  活性炭  燒結煙氣  環保  工藝優化

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，它的排放對自然環境造成巨大的破產。目前，鋼鐵行業SO2排放量僅次于電力行業，在鋼鐵行業主要SO2排放源來之燒結。在燒結過程中，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，造成環境污染[1]。

誠德鎳業公司現有132m2和180m2燒結機各一臺，配有一套濕法石膏脫硫系統，隨著燒結產能的不斷擴大，煙氣排放量也不斷增大。隨著國家排放標準的不斷提高，現有的濕法石膏脫硫系統逐漸滿足不了國家要求環保質量要求。從鋼鐵環保長遠利益分析，以及遵循國家對鋼鐵行業長遠發展環保政策趨勢分析，擬建一套132m2+180m2活性炭法脫硫系統,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），并得到副產品工業硫酸。可徹底解決濕法石膏脫硫系統檢修時燒結機需停產等待的問題，以及國家日益嚴格要求的環保排放要求。

1  活性炭脫硫原理

1.1  有害物質的吸附

用活性炭對燒結煙氣脫硫是一個綜合的物理、化學過程，其主要反應如下：

物理吸附：SO2→SO2（吸附）

物理吸附是吸附塔內的第一個階段。煙氣中的 SO2 分子（ 及其他成分，如氧分子、水分子等） 進入活性炭豐富的微細孔中并儲存起來。

化學吸附：2SO2（吸附）+O2（吸附）→2SO3（吸附）

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

化學吸附化學吸附是吸附塔內的第二個階段。在100～150℃并有氧和水蒸氣存在的條件下，由 SO2生成的SO3與水生成吸附態硫酸，留在活性炭的微細孔中。向硫酸鹽轉化：

H2SO4（吸附）+NH3→NH4 HSO4（吸附）

NH4HSO4（吸附）+NH3→（NH4）2SO4（吸附）

該反應在向吸附塔內通入氨氣后發生。氨氣與微細孔中的硫酸發生中和反應可加快SO2生成SO3的過程，繼而加快硫酸的生成。當吸附態硫酸與氨氣反應時，首先生成吸附態硫酸氫銨，如果氨氣量夠大，吸附態硫酸氫銨將繼續與氨氣反應，生成吸附態硫酸銨。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物質，加快整個反應的進行，因此活性炭在整個反應過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備

2.1  工藝流程

煙氣首先經過除塵器除塵，隨后煙氣進入增壓機，經過增壓后被送入吸收塔，煙氣中的二氧化硫在吸收塔內被活性炭吸附并且催化氧化成H2SO4，同時氮氧化物與脫硝用的氨氣在吸收塔內反應生成硝酸銨鹽，反應生成的硫酸和硝酸銨鹽均被活性炭吸附。已達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過洗滌塔的洗滌凈化后，在五氧化二釩觸媒作用下產生三氧化硫，進而生成硫酸；解吸后的活性炭經冷卻后并過濾篩除過小顆粒和雜質，送回吸收塔進行循環使用[3]。

活性炭脫硫工藝流程圖如圖1：

2.2  主要設備

2.2.1  煙氣系統

煙氣系統是整個脫硫工藝的核心。該系統通過風機等設備把燒結煙氣輸送到吸附塔，經過脫硫的煙氣達到排放要求后，通過煙道、煙囪排放。煙氣系統主要包括主抽風機、增壓風機以及連接煙道等。如圖2：

2.2.2  吸附、解析以及活性炭運輸系統

吸附、解析以及活性炭運輸系統主要由吸附塔、解吸塔以及運輸系統組成，如圖-3：

吸附塔采用分層移動床型吸附塔，煙氣垂直于活性炭運動的方向進入吸附塔，分別經過前、中、后三個通道，將有害物質脫除后，經吸附塔出口進入總煙道，經煙囪排放。在吸附塔內，活性炭自上而下緩慢移動，吸附通入塔內的煙氣中的有害物質。活性炭的移動速度主要由下部輥式給料機的變頻調速來控制。為了避免煙氣外泄，在吸附塔上、下部設置了旋轉閥與外部環境隔離。塔本體由 6 個部分組成，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

除塵系統采用單一的布袋除塵模式，包括離心風機、布袋除塵器以及其他附屬設備。整個系統以離心風機為動力源，負責收集活性炭在運輸、裝載和卸灰時候產生的揚塵，設計為全密閉結構，有效的減小活性炭的揚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燃料或者高爐噴煤，從而降低生產成本[4]。如圖5：

2.2.4  活性炭補給系統

活性炭補給系統的主要作用是向解吸塔內均勻、定量地補充活性炭，以彌補因磨損和反應而造成的活性炭損失。將外購的活性炭運至活性炭卸載倉，通過卸載運輸機裝入活性炭儲存倉內。如圖6：

2.2.5  熱循環系統

熱循環系統包含了大量管路，是活性炭脫硫系統中最復雜、最危險的子系統。熱循環系統分為兩個部分，一個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；另一部分是冷卻加熱過的活性炭。如圖7：

3  活性炭脫硫技術優缺點

活性炭脫硫技術優點：

（1）能對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的能力；

（2）運行穩定，設備故障率低，維護簡單；

（3）無二次污染產生，在整個系統運行中，煙氣的氮氧化物被還原生產水和氮氣[2]，此外活性炭運送過程中產生的灰塵被除塵器收集，直接可以用于燒結或者高爐燃料，無需另外處理。唯一產物富SO2氣體送至制酸系統產出高品質工業硫酸，可用于本公司固溶車間酸洗。

缺點：活性炭脫硫系統設備一次性投資高，而且運行費用高。根據誠德鎳業公司燒結礦產能以及煙氣排放量計算，運行費用每噸燒結礦12.9元/t，現有濕法脫硫運行費用6.48元/t。

活性炭脫硫系統運行費用之所以這么高，是因為活性炭價格高且消耗量大。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行費用。

4  降低活性炭消耗的方法

4.1  采用柔性方式運輸

活性炭在脫硫系統中運輸會造成破損，有很大一部分消耗在于運輸過程中。由于運輸系統運行速度過快以及速度不穩定，會對活性炭造成破損，從而增加運行費用。

4.1.1  采用變頻調速

傳統活性炭運輸方式的電機控制采用無變頻調速。這種運輸方式硬啟動且加速度不平穩，加速度的變化會對活性炭造成沖擊從而出現破損。

新式的活性炭運輸設備基本采用變頻調速，變頻調速的優點在于：1）采用變頻調速技術，可以大大的提高電機運轉效率，又可以減10%的電能損耗[5]；2）變頻調速系統啟動大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設定，加、減速時間比較平緩，加速度變化平穩，對運輸中的活性炭沖擊可以減到最小，減小運輸過程中活性炭的破損。

4.1.2  采用Z字型鏈斗輸送機

吸附/解析系統的活性炭輸送采用2條Z字型鏈斗輸送機。

吸附塔給料輸送機：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：將吸附塔下料活性炭輸送至解析塔塔頂。

Z字型鏈斗輸送機工作原理：活性炭放置于運動著的板式鏈連接的鏈斗內，在電機及減速機驅動下，從尾部運動到頭部，實現活性炭的運輸；無論水平或者傾斜輸送，鏈條、鏈斗和活性炭三者之間沒有任何相對運動，只是整體沿著導軌移動[6]。采用Z字型鏈斗輸送機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，而且能夠實現活性炭的連續運輸，結構緊湊，效率高。

4.2  優化解吸段工藝

飽含二氧化硫、氮氧化物的活性炭在解吸過程加熱到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性物質分解或者揮發，得到富SO2氣體（SRG），SRG輸送至制酸工段制取濃硫酸，制酸系統尾氣返回增壓風機前煙道；被活性炭吸附的NOX在加熱段發生SCR或者SNCR反應，生成N2與H2O；被活性炭吸附的二噁英，在高溫環境下，活性炭內的催化劑促使其苯環間的氧基破壞，發生結構轉變裂解為無害物質。解析并得到活化后的活性炭進入解析塔下部的冷卻段，進行冷卻。

在解吸過程中，活性炭被加熱后又被冷卻處理，熱脹冷縮產生的應力會使活性炭造成破損。在解吸過程中，可以采取一系列工藝優化，降低活性炭損耗率。

4.2.1  加熱段工藝優化

傳統的解吸塔在加熱段前設有預熱段，但是預熱段結構比較復雜，而且溫度控制難度比較大。通過延長通過延長加熱段和冷卻段，取消預熱段，并采用活性炭梯度加熱和冷卻技術，大大減小了活性炭在加熱和冷卻過程中的熱應力，減小了活性炭在解吸過程的損耗。

傳統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，由冷卻風機向解吸塔鼓入冷風，通過空氣和活性炭間接換熱，實現活性炭降溫。風冷的優點：（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險[2]。

4.3  活性炭再生新技術

4.3.1  微波輻照法

微波輻照法脫硫活性炭再生技術發展于熱再生法的基礎之上。微波輻照法是利用微波誘導活性炭中極性物質分子使其產生偶極轉向極化，同時電磁場能轉化為熱能，滯留在孔道中的硫酸受熱揮發，從而使活性炭的孔道重新打開[7]。在此過程中，由于一部分活性炭因吸收微波升溫而燒失以至其孔徑擴大。Ania等研究表明，利用 2450MHz的微波再生，與傳統熱再生方法相比，其耗時短、再生效率高，可以生成微孔發達的活性炭。Foo等研究發現：微波再生負載有亞甲基藍的活性炭2-3min，吸附劑再生充分，5次吸附-再生循環之后，再生率保持在75%-77%，與第一次吸附循環的吸附率保持一致。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6次反復吸附解吸后，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好、活性炭纖維損耗率低、解吸時間短、解吸氣體濃度高以及SO2便于回收，因而具有很好的經濟實用性[8]。

Yuen和 Hameed詳細闡述了微波再生技術的特點、未來發展方向以及面臨的挑戰。相比傳統再生方法，微波再生活性炭具有熱效率高、再生率高、節約能量以及能夠生成微孔發達的活性炭等優點。微波再生提高了活性炭的吸附性能和吸附速率[9]。

5  結語

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，而且能從中提取SO2，生產工業濃硫酸。煙氣活性炭脫硫技術可徹底解決公司燒結機煙氣排放問題，以滿足國家日益要求嚴格的排放要求。通過燒結機煙氣提取的SO2，鎳業公司每年可生產w（H2SO4）為 98%硫酸25830t，可用于公司內部固溶廠酸洗，每年產生的經濟效益可達到594萬元，是鋼鐵行業內具有推廣意義的脫硫技術。

6  參考文獻

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