活性炭脱硫工业实验

文／唐 强 曹子栋 王盛 刘 义

（西安交通大学能源与动力工程学院，７１００４９　西安）

１　前言

利用活性炭填充床脱除ＳＯ２被认为是一项有前景的脱硫技术。活性炭微孔呈毛细结构，微孔直径分布范围大，完全脱附吸附质比较困难，湿塔干燥过程需消耗大量能量，使得运行费用增加。降低活性炭再生的能耗，减少运行费用是推广活性炭脱硫技术广泛应用的关键因素之一。

本文按照降低运行费用，简化活性炭再生工艺的原则，设计了一套活性炭脱硫装置，通过工业实验验证了本工艺的可靠性。

２　实验系统

ＳＯ２、空气和水蒸气的混合气体经

加热器加热到１１０～１２０℃，从下往上穿过厚度４００ｍｍ的活性炭层，混合气流流量４Ｎｍ３／ｈ，空截面速度约０．２ｍ／ｓ。活性炭失效后，用１０公斤清水从上往下洗涤活性炭床层。活性炭是山西新华化工厂生产的煤基柱状活性炭，活性炭层随机堆放，床层直径１００ｍｍ。ＴＨ－０８微电脑烟气分析仪测量气体流量、温度，　ＱＧＳ－Ｏ８Ｂ远红外分析仪、德国ＭＳＩ电化学ＳＯ２浓度计测量ＳＯ２浓度。

３　实验结果

活性炭的脱硫效率和流动阻力是相互制约的。活性炭颗粒越小，流动阻力越大，脱硫效果越好。实验使用ＺＬ３０和ＺＬ４０活性炭，进口ＳＯ２浓度３０００ｐｐｍ。按照我国相关的ＳＯ２排放标准，认为床层出口ＳＯ２浓度超过３００ｐｐｍ，床层失效，活性炭需再生。实验结果如图１、图２所示。 由图１、图２可见，活性炭进行第一次吸附时，由于其具有非常发达的微孔结构，吸附ＳＯ２的能力很强，ＺＬ３０的穿透时间为６０分钟；ＺＬ４０的穿透时间只有１４分

钟。进行第二次吸附、脱附时，床层的穿透时间缩短，ＺＬ３０的穿透时间为２８分钟；ＺＬ４０的穿透时间只有４．５分钟。进行第三次吸附、脱附时，床层的穿透时间进一步缩短，ＺＬ３０的穿透时间为１１分钟；ＺＬ４０的穿透时间只有３分钟。进行第四次吸附、脱附时，床层的穿透时间和第三次相比，基本相同。重复进行洗涤脱附、吸附实验，活性炭的穿透时间不再有明显变化，保持恒定。 上述实验表明，用水洗涤脱附活性炭吸附的ＳＯ２，由于活性炭的微孔结构发达，孔直径分布是无规律的，在进行第一次充分的吸附之后，吸附剂大孔、过渡孔和微孔中都充满了ＳＯ２分子。一些微孔中的ＳＯ２分子远离吸附剂的表面层。对于加热脱附，吸附质分子是通过分子动能的提高而脱离吸附位，在温度较高的条件下，可以完成对活性炭的深度活化。而水洗脱附则是依靠浓度差导致的扩散力，脱附必然首先发生在吸附剂表层。而距离吸附剂表层较远的微孔中的吸附质分子必须依次经过

过渡孔和大孔，才可以到达吸附剂表层，较长的扩散路径导致了较大的扩散阻力，扩散阻力很难被这种只依靠浓度差形成的扩散动力所克服，因而在一般情况下，对于水洗脱附，活性炭深度活化是非常困难的。 另一方面，活性炭微孔构造也是杂乱无章的，因而必然存在一定数量的孔口小于孔内宽度的孔形态，根据Ｚｓｉｇｍｅｎｄｙ的毛细凝结吸附理论，

对于这种类型的微孔，存在严重的吸附滞后现象，解吸速度明显低于吸附速度，进一步制约了吸附质的脱附。所以，在第一次吸附后，只有距离吸附剂表层较近的ＳＯ２分子得以顺利地脱附，而大部分ＳＯ２分子仍然占据着吸附剂的活性中心，从而使第二次吸附的吸附容量明显降低，造成了不完全脱附现象。而在后面的循环过程中，又有一部分微孔被继续占用，因而吸附容量也继续降低，只是由于这部分微孔中的ＳＯ２分子扩散阻力并未大到绝对无法克服的地步，因而吸附能力降低的程度已不如第一次明显。经过多次吸附脱附后，活性炭的吸附量和脱附量达到平衡，活性炭的吸附容量不再下降，动态吸附曲线基本相同。

水洗涤脱附再生和加热再生相比，洗涤脱附的优点是消耗的能量很小，工艺流程简单，系统投资小，运行费用低，缺点是活性炭不能完全再生，湿活性炭的吸附性能不如干燥的活性炭。加热再生的优点是活性炭可以深度再生，缺点是加热再生需要加热到较高温度，活性炭再生消耗的能量很大，工艺流程复杂，系统投资大，运行费用较高。因此水洗涤脱附再生的优势明显，可以应用到工业实践中。

综上所述，在活性炭法烟气脱硫中，活性炭动态吸附容量低的原因主要在于脱附过程，而不在于吸附过程。由于水洗脱附这种脱附方法的局限性，第一次吸附后的不完全脱附效应导致了有效吸附位的大量损失，使吸附剂在以后的吸附过程中吸附能力大为减弱。因此，只有对吸附后的吸附剂进行充分有效地脱附，才能提高活性炭法烟气脱硫工艺的整体性能。活性炭微孔的发育程度和活化工艺有关。活性炭微孔直径越小，越靠近活性炭内部，吸附质的扩散阻力越大。大孔和中孔内的吸附质容易脱附，而小孔内的吸附质不容易脱附，因此，采用中孔多，微孔相对较少的活性炭，能够进一步提高本工艺的整体性能。

由于ＺＬ３０活性炭的脱硫效率高，改变ＳＯ２浓度，用ＺＬ３０进行脱硫实验，进口ＳＯ２浓度１０００～６０００ｐｐｍ，实验结果如图３所示。由图３可见，床层穿透时间和进口ＳＯ２浓度有关。当进口ＳＯ２浓度很低时，床层穿透时间很长；当ＳＯ２浓度较高，超过３０００ｐｐｍ，单位时间进入床层的ＳＯ２总量多，而活性炭微孔容积是有限的，因此床层穿透时间缩短，只有５～１０ｍｉｎ，活性炭吸附ＳＯ２的速度主要受ＳＯ２分子在活性炭微孔内的扩散速度控制，ＳＯ２浓度对吸附速度的影响减小。

活性炭床层用隔板分为４个面积相同的小区域，通过自动控制装置控制电磁阀的启闭，依次洗涤４个小区域。对于一个小区域，它经历了四个阶段：吸附饱和的干燥活性炭洗涤脱附；完全湿润的活性炭受热干燥、部分湿润的活性炭吸附ＳＯ２和继续干燥；干燥的活性炭吸附ＳＯ２。化学吸附热和部分烟气显热用于活性炭孔内液体的蒸发，系统基本保持等温，化学吸附反应同时发生在干燥和湿润的活性炭孔内，并耦合部分液相的蒸发。因此部分湿润的活性炭的反应速度是干区和湿区对化学反应的贡献之和；孔内反应物总的扩散通量是干区和湿区的扩散通量之和。

５　工业实验

５．１　２ｔ／ｈ锅炉烟气脱硫工业实验

活性炭固定床脱硫设备安装在某单位的一台２ｔ／ｈ燃煤锅炉尾部烟道。进口烟气温度１８０℃，烟气流量３０００Ｎｍ３／ｈ，ＺＬ３０活性炭床层厚度４００ｍｍ，横截面２ｍ×

４　工业实验工艺流程

活性炭脱硫装置结构如图４所示。脱硫塔装填ＺＬ３０活性炭。烟气从下向上穿过活性炭层，净化后的烟气通过丝网除沫器后进入引风机。洗涤水从顶部喷入，向下穿过活性炭层。由于硫酸产量小，洗涤水流入中和池，用石灰中和、澄清，再流入清水池循环使用。