活性炭聯合脫硫脫硝工藝

李芳盛 張杰 齊云國 谷永強(. 青島科技大學，山東 青島 6500；. 煙臺魯寶鋼管有限責任公司，山東 煙臺 6400；. 濰坊職業學院，山東 濰坊 677)

關鍵字： 聯合；脫硫脫硝；活性炭

0 引言

工業時代以來，煤炭、石油等化石能源應用于工業生產，極大地提高了社會生產力，促進了社會經濟的發展。但是直接燃燒等利用方式伴隨而來的是大量碳氧化合物和粉煤灰的排放。粉煤灰的主要成分為硅酸鹽、硅鋁酸鹽、氧化硅以及硫酸鹽等顆粒性物質，也包含大量的灰塵、SOx、NOx等物質，這些物質是溫室效應、酸雨、臭氧層破壞等降低人類生存質量的嚴重環境問題的原因，20世紀后期尤其是21世紀以來，減少工業生產對人居環境的影響引起了全世界環保工作者的重視。

1 傳統脫硫脫硝工藝

顧名思義，脫硫脫硝指的是在煙氣排放到大氣中之前通過物理或化學手段脫除其中的硫氧化合物、氮氧化合物以及水銀、二惡英等有毒物質，以減少其對大氣的污染。傳統脫硫脫硝工藝是按照脫硝、除塵、脫硫的順序依次進行的。

1.1 煙氣脫硫技術

煙氣脫硫是指通過物理或化學手段將硫元素從硫氧化合物的氣體狀態轉變為其他固體或液體狀態的含硫化合物，以此減少排放到空氣中的SOx，處理后的含硫化合物還可以通過其他化學反應將硫元素析出，進行二次利用以提高經濟效益。脫除硫元素的方法多種多樣，但只有十幾種可以應用于實際的工業生產，有以下幾種分類方法：

(1)按照吸收劑種類可分為：鈣法(例如石灰/石灰石法)、堿法(例如鈉鹽法)。

(2)按照脫硫處理的時間可分為：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫。

(3)按照產物的干濕狀態可分為：干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫。

其中以石灰石—石膏法濕法脫硫技術最為成熟。

1.2 除塵

除塵主要是除去含塵氣體中的顆粒物，按捕集顆粒物的機理可分為機械除塵、電除塵、過濾除塵以及洗滌除塵等。傳統煙氣除塵使用的是電除塵器除塵，電除塵器陰陽極之間的高壓電場使顆粒物發生電離作用帶電，通過靜電作用將顆粒物從氣流中分離出來并收集，電除塵效率可達99%以上，但是電除塵設備體積龐大且建設、運行、維護成本較高。

1.3 煙氣脫硝技術

煙氣脫硝與煙氣脫硫技術相似，是指通過物理、化學手段減少煙氣中的氮氧化合物含量。主要通過兩方面進行，一是改進燃燒辦法，如采用低NOx燃燒器結合空氣分級燒法可脫除煙氣中30%～80%的氮氧化合物，此法的投資較少、工藝較簡單且效果在可接受范圍內，最為經濟，因此得到廣泛利用。二是燃燒后脫硝，按照產物的干濕狀態可分為干法脫硝和濕法脫硝。干法中的選擇性催化還原法(SCR)應用最廣，可有效脫除70%以上的氮氧化合物，但是此法工藝復雜，尤其是當儀器無法達到SCR脫硝所需的反應溫度時效果極差，而且設備投資較高。

2 聯合脫硫脫硝工藝

聯合脫硫脫硝工藝是針對傳統工藝存在的過程復雜、設備繁多等問題提出來的同時脫除煙氣中硫氧化合物和氮氧化合物的一體化工藝。按照處理過程和時間可分為：

2.1 燃燒過程中聯合脫硫脫硝

通過循環流化床燃燒法等控制燃燒過程中的溫度以有效減少氮氧化合物的生產，同時利用鈉質、鈣吸收劑吸收硫氧化合物，有效控制NOx和SO2的排放。

2.2 燃燒后煙氣聯合脫硫脫硝

此法是在煙氣脫硫法的基礎上發展起來的，包括活性炭法，SNOX、SNRB、NOXSO、電子束法等。

活性炭是以含碳物質為主要原料經高溫炭化和活化制得的顆粒狀物質，物理形態上具有良好的洞孔結構因而比表面積大、物理吸附性能良好，表面基團豐富，也具有化學吸附性能，還有很好的負載性能、復原脫氧能力等，因此具有吸附劑和催化劑的雙重性能，既可以當作還原劑參與反應，也可以作為載體制得高分散的催化體系。活性炭一經問世便得到了環保工作者們的青睞，在解決大氣污染、水污染等問題中發揮了重要作用，而活性炭聯合脫硫脫硝工藝亦在煤煙處理領域得到了廣泛關注，近年來也取得了很大進展。

3 活性炭聯合脫硫脫硝工藝

活性炭干法聯合脫硫脫硝工藝設備由儀表控制系統、煙氣系統、脫硫脫硝系統等組成，脫硫脫硝系統是體系核心。主要分為吸收、解吸、硫回收三個步驟，目前工業生產中較為流行的系統設計如圖1所示。

3.1 吸收

吸收過程主要發生在兩段式設計的吸收塔中，煙氣從第一段(下段)底部進入吸收塔，上升至第二段(上段)頂部排出，同時活性炭從第一段頂部進入吸收塔，在重力的作用下下降，二者在此發生反應。硫氧化合物與氮氧化合物的脫除效率與煙氣溫度有關，具體脫除效率如圖2所示。

可以看出120℃～160℃區間的脫除效果最好，SO2脫除率可達98%，NOx脫除率亦可達到80%左右。二者在活性炭內發生反應的優先順序與相對濃度有關，當煙氣中SO2濃度較高時，以SO2脫除反應為主，相反當SO2濃度較低時，NOx優先被脫除。

圖1 活性炭聯合脫硫脫硝工藝系統設計

圖2 活性炭聯合脫除SO2/NOx效率關系圖

(1)第一段脫除SO2。活性炭豐富的孔洞可以吸收SO2、NOx、水分子，煙氣首先進入吸收塔第一段，此時SO2濃度較高，活性炭的表面發生的主要反應為SO2發生氧化反應形成硫酸，即優先脫除硫元素，反應式如下：

(2)第二段脫除NOx。由于第一段中反應，進入第二段時煙氣中NOx濃度較高，優先脫除NOx，此時向吸收塔內噴入氨氣(NH3)，可使NO被氧化為N2(N2無毒)，反應式如下：

此時，吸收塔內還存在如下副反應：

可見，SO2亦會與氨氣發生反應，降低NO的脫除效率，因此將吸收塔設置為兩段式可減少入口煙氣中SO2濃度以減輕前步反應對后面反應的影響。

3.2 解吸

NOx和SO2在活性炭表面發生反應，產物被活性炭表面的微小孔洞捕捉，使活性炭吸附能力降低，通過水洗可使硫酸分子從活性炭中解脫出來，再對活性炭進行干燥處理、空氣冷卻實現活性炭再生，循環至吸收塔實現活性炭的再次利用。活性炭再生過程中的得到的稀硫酸溶液，在400℃條件下將硫元素轉化為硫氧化合物釋放處理，反應式如下：

3.3 硫回收

釋放出來的SO2通過一定的工藝可轉換為元素硫或硫酸。

4 活性炭聯合脫硫脫硝工藝探討

4.1 優點

(1)脫除效果好。可聯合脫除多種硫氧化合物、氮氧化合物以及粉塵，其中SO2脫除率達到98%以上、SO3脫除率也高達98%，而NOx脫除率則可以超過80%，粉塵可達到每立方米二十毫克左右的脫除效果，因此可直接通過煙囪排出煙氣，無需除塵裝置。

(2)深度處理技術。對一些碳氫化合物(如二惡英)、金屬(如水銀)以及其他有毒物質也可有效脫除，無需再進行工藝水和廢水處理，與SCR聯合脫硫脫硝技術相比省略煙氣再熱環節。

(3)資源二次利用。副產品如元素硫、硫酸是重要的工業生產原料。

4.2 缺點

(1)活性炭吸附過程消耗大、再生利用損耗大、價格高。吸收過程中富集的硫氧化合物消耗大量的活性炭，而且吸收塔與解吸塔之間的長距離的氣力傳輸容易造成活性炭的損壞。

(2)工藝流程復雜。自動化要求高，投資規模大因而實際操作難度大。

(3)噴射氨增加了活性炭的粘附力使吸收塔內氣流不均勻分布。易發生管道阻塞反應，造成二次污染。

4.3 發展研究

(1)炭材料研究。改善活性炭的生產工藝以降低生產成本，改善洞孔與表面性能，或者提高其催化功能等。

(2)工藝研究。改進現有活性炭聯合脫硫脫硝系統，使其簡單、高效化，并且具有其他多功能。

5 結語

活性炭聯合脫硫脫硝工藝是工業生產中煙氣處理技術的一大進展，在世界各國都有應用且取得較好效果，但是該工藝本身還存在一定的局限性，值得繼續研究。