煤質活性炭的制備及其在煙氣脫硫中的應用

摘要：以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭，并將其用于煙氣脫硫。制備活性炭的較佳工藝條件：碳化溫度為600℃；碳化時間為1.0h；活化溫度為900℃；活化時間為1.5h；水蒸氣流量為406mL/min�；钚蕴康牧蛉蓦SSO₂、O₂和水蒸氣的體積分數的增加而增加；隨反應器床層溫度升高，活性炭的硫容先升高后下降。在床層溫度為80℃，SO₂、O₂和水蒸氣體積分數分別為0.5%、5.0%和12.0%，N₂為載氣的條件下，活性炭的硫容較大，為72.3mg/g。

燃煤排放的SO₂是形成“酸雨”的主要原因之一，會給環境造成嚴重污染，同時，煙氣中的SO₂是生產硫酸、化肥和其他一系列重要化學品的基本原料，是一種不可忽視的硫資源。活性炭干法脫硫工藝具有脫硫過程耗水量少、無二次污染、脫硫后煙氣溫度高硫便于回收等優點，目前已受到廣泛應用。與木質和果殼活性炭相比，煤質活性炭具.有原料來源廣、 價格低、易再生、抗磨損等優點，被廣泛應用于水處理、溶劑回收、脫色凈化、氣體分離及氣體凈化等領域。

本工作以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭，并將其用于煙氣脫硫，效果良好。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑和儀器

煙煤取自山西省某煤礦，其工業分析和元素分析結果見表1。實驗所用試劑均為分析純；實驗用水為蒸餾水。

表1 煙煤的工業分析與元素分析結果

工業分析（質量分數，%）				元素分析（質量分數，%）
水分	灰分	揮發分	固定碳	C	H	O	N	S
3.15	11.31	25.56	59.98	73.44	3.76	10.23	1.01	0.25

SK-2-10型高溫管式電阻爐：南京電爐廠；

BS-210S型電子分析天平：德國Sartorius公司；101-1AB型電熱鼓風干燥器；天津市泰斯特儀器有限公司；SY-9302B型質量流量計；北京圣業科技發展有限公司；XMT型數顯調節儀；浙江余姚長江溫度儀表；ASAP2000M型比表面積分析儀；美國Micromertics公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 活性炭的制備

將煙煤粉碎至0.4~0.6mm，在110℃條件下干燥12h后置于管式電爐中，N₂氣氛下，在一定溫度下碳化一定時間，然后將碳化產物在一定的水蒸氣流量下活化一定時間，得到活性炭。

1.2.2 煙氣脫硫

煙氣脫硫實驗在內徑12mm、長300mm的固定床反應器中進行。將活性炭置于固定床反應器中，然后加熱固定床反應器至實驗溫度，通入模擬煙氣，當固定床反應器進、出口SO₂體積分數無變化時停止實驗。模擬煙氣組成（體積分數）：SO₂0.1%~0.9%、O22%~12%、水蒸氣2%~12%其余為N₂。

1.3 分析方法

采用碘量法測定煙氣中SO₂的體積分數。硫容為活性炭煙氣脫硫實驗停止時，單位質量活性炭吸附的SO₂質量。

2 結果與討論

2.1 制備條件對硫容的影響

2.1.1 碳化溫度對硫容的影響

在碳化時間為1.0h、活化溫度為900℃、活化時間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，碳化溫度對硫容的影響見圖1。

由圖1可見，碳化溫度為600℃時，硫容很大。碳化溫度過低，揮發份析出較少，活性炭的空隙度不夠，硫容減��；碳化溫度過高，縮聚加劇，活性炭的結構變得致密，使活性炭的反應活性降低，硫容減小。本實驗較佳碳化溫度為600℃。

2.1.2 碳化時間對硫容的影響

在碳化溫度為600℃、活化溫度為900℃、活化時間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，碳化時間對硫容的影響見圖2。由圖2可見：開始碳化的1.0h內，硫容加大；延長碳化時間，硫容略有減小。本實驗較佳碳化時間為1.0h。

2.1.3 活化溫度對硫容和活性炭得率的影響

在碳化溫度為600℃、碳化時間為1.0h、活化時間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，活化溫度對硫容和活性炭得率的影響見圖3。由圖3可見：隨活化溫度升高，反應活性提高，在相同活化時間內反應掉的碳的質量增加，活性炭的得率降低；活化溫度為900℃時，硫容大；繼續升高活化溫度，硫容增加量很少且活性炭得率下降。綜合考慮，本實驗碳化產物的較佳活化溫度為900℃。

2.1.4 活化時間對硫容和活性炭得率的影響

在碳化溫度為600℃、碳化時間為1.0h、活化溫度為900℃、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，活化時間對硫容和活性炭得率的影響見圖4。

由圖4可見：隨活化時間的增加，活性炭得率下降；活化時間為1.5h時，硫容大；綜合考慮，本實驗碳化產物的較佳活化時間為1.5h。

2.1.5 水蒸氣流量對硫容和活性炭得率的影響

在碳化溫度為600℃、碳化時間為1.0h、活化溫度為900℃、活化時間為1.5h的條件下，水蒸氣流量對硫容和活性炭得率的影響見表2。由表2可見，隨水蒸氣流量增加，活性炭得率下降,，硫容增加；水蒸氣流量為406 mL/min時，硫容很大；繼續增加水蒸氣流量，水蒸氣繼續與活性炭反應，使活性炭部分孔結構坍塌，致使硫容減小。因此，較佳水蒸氣流量為406mL/min。

表2 水蒸氣流量對活性炭得率和硫容的影響

水蒸氣流量/（mL·min-1）	活性炭得率，%	硫容/（mL·min-1）
156	66.4	48.1
288	58.5	60.2
406	53.2	65.8
528	37.2	64.1

2.2 脫硫工藝條件對硫容的影響

2.2.1 SO₂體積分數對硫容的影響

在反應器床層溫度為100℃、水蒸氣體積分數為12%、O₂體積分數為5%、N₂為載氣的條件下，SO₂體積分數對硫容的影響見圖5。由圖5可見，隨SO₂體積分數增加，硫容增加，因為煙氣中SO₂的體積分數越大，其擴散推動力就越大，從氣相向活性炭表面的擴散速率也越快，從而增加了活性炭的硫容。

2.2.2 O₂體積分數對硫容的影響

在反應器床層溫度為100℃、SO₂體積分數為0.5%、水蒸氣體積分數為12%、N₂為載氣的條件下，O₂體積分數對硫容的影響見圖6。由圖6可見，硫容隨O₂體積分數的增加而增大加。當O₂體積分數較低時，O₂在活性炭表面吸附的推動力較低， 吸附速率較低，被吸附的O₂量較少，SO₂的催化氧化就會受到限制，從而導致硫容相對較小，而當O₂體積分數升高時，促進了SO₂在活性炭表面的催化氧化，硫容相應增加。

2.2.3 水蒸氣體積分數對硫容的影響

在反應器床層溫度為100℃、SO₂體積分數為0.5%、O₂體積分數為5%、N₂為載氣的條件下，水蒸氣體積分數對硫容的影響見圖7。由圖7可見，隨水蒸氣體積分數增加，硫容增加。一般而言，在活性炭的干燥表面上有利于SO₂與O₂發生氧化反應生成SO₃，而活性炭微孔中吸附的水分有利于產物H₂SO₄的生成及轉移，即活性炭微孔中的水分有助于SO，從其表面活性位上解離，使活性位釋放出來，從而使吸附得以繼續。當水蒸氣體積分數較低時，將導致活性炭表面干燥過快，影響產物H₂SO₂的生成和轉移；當水蒸氣體積分數增加時，活性炭微孔表面吸附水的濃度增加，因此生成H₂SO，的速率加快，當生成的H₂SO₄較多時，被吸附的水同時作為一種洗脫劑將吸附的H₂SO₄洗掉，并將其儲存在活性炭的孔內，從而釋放活性位，促進脫硫反應的進行，提高活性炭的硫容。

2.2.4 反應器床層溫度對硫容的影響

在SO₂、O₂和水蒸氣體積分數分別為0.5%、5%和12%，N₂為載氣的條件下，反應器床層溫度對硫容的影響見圖8。

由圖8可見：隨反應器床層溫度升高，硫容先增大后減小。這是因為，各組分在活性炭上的吸附首先是物理吸附，然后才能轉變為化學吸附，較高的床層溫度不利于物理吸附。床層溫度為80℃時的硫容很大，達到72.3 mg/g，60℃次之，因為60℃時的水蒸氣容易冷卻形成水膜，附著在活性炭表面而阻礙氣體向活性炭內部的擴散，從而導致硫容減小。

3 結論

a) 以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭的較佳工藝條件為：碳化溫度600℃、碳化時間1.0h、活化溫度900℃、活化時間1.5h、水蒸氣流量406mL/min。

b) 將所制備的活性炭用于煙氣脫硫實驗，活性炭的硫容隨SO₂體積分數、O₂體積分數和水蒸氣體積分數的增加而增加；隨反應器床層溫度升高，硫容先增加后減小。在床層溫度為80℃，SO₂、O₂和水蒸氣體積分數分別為0.5%、5%和12%，N₂為載氣的條件下，活性炭的硫容大，為72.3mg/g。