摘  要  活性炭脱硫技术可以一次性处理烟气中的SO2、NOx、二噁英等，获得的富SO2气体可以生产工业浓硫酸。本文介绍烧结烟气活性炭脱硫技术，详述活性炭脱硫原理、工艺流程和主要设备。论述了采取何种措施可以优化工艺以及如何降低活性炭耗损成本，其中介绍了微波辐照法再生新技术。

关键词  脱硫  活性炭  烧结烟气  环保  工艺优化

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是大气污染的主要污染物之一，它的排放对自然环境造成巨大的破产。目前，钢铁行业SO2排放量仅次于电力行业，在钢铁行业主要SO2排放源来之烧结。在烧结过程中，铁矿石、煤（ 焦粉） 等原料中的硫在高温条件下氧化生成SO2，然后随烟气排入大气，造成环境污染[1]。

诚德镍业公司现有132m2和180m2烧结机各一台，配有一套湿法石膏脱硫系统，随着烧结产能的不断扩大，烟气排放量也不断增大。随着国家排放标准的不断提高，现有的湿法石膏脱硫系统逐渐满足不了国家要求环保质量要求。从钢铁环保长远利益分析，以及遵循国家对钢铁行业长远发展环保政策趋势分析，拟建一套132m2+180m2活性炭法脱硫系统,可以处理净化烟气中多种污染物（二氧化硫、氮氧化合物、粉尘、重金属、二噁英），并得到副产品工业硫酸。可彻底解决湿法石膏脱硫系统检修时烧结机需停产等待的问题，以及国家日益严格要求的环保排放要求。

1  活性炭脱硫原理

1.1  有害物质的吸附

用活性炭对烧结烟气脱硫是一个综合的物理、化学过程，其主要反应如下：

物理吸附：SO2→SO2（吸附）

物理吸附是吸附塔内的第一个阶段。烟气中的 SO2 分子（ 及其他成分，如氧分子、水分子等） 进入活性炭丰富的微细孔中并储存起来。

化学吸附：2SO2（吸附）+O2（吸附）→2SO3（吸附）

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

化学吸附化学吸附是吸附塔内的第二个阶段。在100～150℃并有氧和水蒸气存在的条件下，由 SO2生成的SO3与水生成吸附态硫酸，留在活性炭的微细孔中。向硫酸盐转化：

H2SO4（吸附）+NH3→NH4 HSO4（吸附）

NH4HSO4（吸附）+NH3→（NH4）2SO4（吸附）

该反应在向吸附塔内通入氨气后发生。氨气与微细孔中的硫酸发生中和反应可加快SO2生成SO3的过程，继而加快硫酸的生成。当吸附态硫酸与氨气反应时，首先生成吸附态硫酸氢铵，如果氨气量够大，吸附态硫酸氢铵将继续与氨气反应，生成吸附态硫酸铵。由于活性炭本身具有较大的比表面积，可以活化吸附在其表面的化学物质，加快整个反应的进行，因此活性炭在整个反应过程中具有一定的催化作用[2]。

2  活性炭脱硫工艺流程及主要设备

2.1  工艺流程

烟气首先经过除尘器除尘，随后烟气进入增压机，经过增压后被送入吸收塔，烟气中的二氧化硫在吸收塔内被活性炭吸附并且催化氧化成H2SO4，同时氮氧化物与脱硝用的氨气在吸收塔内反应生成硝酸铵盐，反应生成的硫酸和硝酸铵盐均被活性炭吸附。已达到饱和的活性炭被送入解吸塔，活性炭被间接加热，可以解吸出高浓度的二氧化硫。高浓度的二氧化硫经过洗涤塔的洗涤净化后，在五氧化二钒触媒作用下产生三氧化硫，进而生成硫酸；解吸后的活性炭经冷却后并过滤筛除过小颗粒和杂质，送回吸收塔进行循环使用[3]。

活性炭脱硫工艺流程图如图1：

2.2  主要设备

2.2.1  烟气系统

烟气系统是整个脱硫工艺的核心。该系统通过风机等设备把烧结烟气输送到吸附塔，经过脱硫的烟气达到排放要求后，通过烟道、烟囱排放。烟气系统主要包括主抽风机、增压风机以及连接烟道等。如图2：

2.2.2  吸附、解析以及活性炭运输系统

吸附、解析以及活性炭运输系统主要由吸附塔、解吸塔以及运输系统组成，如图-3：

吸附塔采用分层移动床型吸附塔，烟气垂直于活性炭运动的方向进入吸附塔，分别经过前、中、后三个通道，将有害物质脱除后，经吸附塔出口进入总烟道，经烟囱排放。在吸附塔内，活性炭自上而下缓慢移动，吸附通入塔内的烟气中的有害物质。活性炭的移动速度主要由下部辊式给料机的变频调速来控制。为了避免烟气外泄，在吸附塔上、下部设置了旋转阀与外部环境隔离。塔本体由 6 个部分组成，从上到下依次为：装料段、分配段、解吸段、分离段、冷却段和卸料段[2]。如图4：

2.2.3  除尘及卸灰系统

除尘系统采用单一的布袋除尘模式，包括离心风机、布袋除尘器以及其他附属设备。整个系统以离心风机为动力源，负责收集活性炭在运输、装载和卸灰时候产生的扬尘，设计为全密闭结构，有效的减小活性炭的扬尘和有毒气体的泄漏。所收集的灰尘主要为活性炭粉尘，可直接用气力输送打回用于烧结燃料或者高炉喷煤，从而降低生产成本[4]。如图5：

2.2.4  活性炭补给系统

活性炭补给系统的主要作用是向解吸塔内均匀、定量地补充活性炭，以弥补因磨损和反应而造成的活性炭损失。将外购的活性炭运至活性炭卸载仓，通过卸载运输机装入活性炭储存仓内。如图6：

2.2.5  热循环系统

热循环系统包含了大量管路，是活性炭脱硫系统中最复杂、最危险的子系统。热循环系统分为两个部分，一个是用于解析塔中活性炭的加热，把活性炭中的饱和二氧化硫解析出来；另一部分是冷却加热过的活性炭。如图7：

3  活性炭脱硫技术优缺点

活性炭脱硫技术优点：

（1）能对烟气中多种污染物一次性处理，具有同步脱硫、脱硝、除尘、除二恶英、除重金属等有害物质的能力；

（2）运行稳定，设备故障率低，维护简单；

（3）无二次污染产生，在整个系统运行中，烟气的氮氧化物被还原生产水和氮气[2]，此外活性炭运送过程中产生的灰尘被除尘器收集，直接可以用于烧结或者高炉燃料，无需另外处理。唯一产物富SO2气体送至制酸系统产出高品质工业硫酸，可用于本公司固溶车间酸洗。

缺点：活性炭脱硫系统设备一次性投资高，而且运行费用高。根据诚德镍业公司烧结矿产能以及烟气排放量计算，运行费用每吨烧结矿12.9元/t，现有湿法脱硫运行费用6.48元/t。

活性炭脱硫系统运行费用之所以这么高，是因为活性炭价格高且消耗量大。减小活性炭消耗以及提高活性炭吸附率可以有效地减小运行费用。

4  降低活性炭消耗的方法

4.1  采用柔性方式运输

活性炭在脱硫系统中运输会造成破损，有很大一部分消耗在于运输过程中。由于运输系统运行速度过快以及速度不稳定，会对活性炭造成破损，从而增加运行费用。

4.1.1  采用变频调速

传统活性炭运输方式的电机控制采用无变频调速。这种运输方式硬启动且加速度不平稳，加速度的变化会对活性炭造成冲击从而出现破损。

新式的活性炭运输设备基本采用变频调速，变频调速的优点在于：1）采用变频调速技术，可以大大的提高电机运转效率，又可以减10%的电能损耗[5]；2）变频调速系统启动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意设定，加、减速时间比较平缓，加速度变化平稳，对运输中的活性炭冲击可以减到最小，减小运输过程中活性炭的破损。

4.1.2  采用Z字型链斗输送机

吸附/解析系统的活性炭输送采用2条Z字型链斗输送机。

吸附塔给料输送机：将解析塔下料活性炭输送至吸附塔塔顶。解析塔给料输送机：将吸附塔下料活性炭输送至解析塔塔顶。

Z字型链斗输送机工作原理：活性炭放置于运动着的板式链连接的链斗内，在电机及减速机驱动下，从尾部运动到头部，实现活性炭的运输；无论水平或者倾斜输送，链条、链斗和活性炭三者之间没有任何相对运动，只是整体沿着导轨移动[6]。采用Z字型链斗输送机极大程度上降低活性炭摔损，有效的降低活性炭的消耗成本，而且能够实现活性炭的连续运输，结构紧凑，效率高。

4.2  优化解吸段工艺

饱含二氧化硫、氮氧化物的活性炭在解吸过程加热到400°C以上，并通入N2，保证活性炭与空气隔绝，避免活性炭燃烧。活性炭被加热后，使吸附的可分解或挥发性物质分解或者挥发，得到富SO2气体（SRG），SRG输送至制酸工段制取浓硫酸，制酸系统尾气返回增压风机前烟道；被活性炭吸附的NOX在加热段发生SCR或者SNCR反应，生成N2与H2O；被活性炭吸附的二噁英，在高温环境下，活性炭内的催化剂促使其苯环间的氧基破坏，发生结构转变裂解为无害物质。解析并得到活化后的活性炭进入解析塔下部的冷却段，进行冷却。

在解吸过程中，活性炭被加热后又被冷却处理，热胀冷缩产生的应力会使活性炭造成破损。在解吸过程中，可以采取一系列工艺优化，降低活性炭损耗率。

4.2.1  加热段工艺优化

传统的解吸塔在加热段前设有预热段，但是预热段结构比较复杂，而且温度控制难度比较大。通过延长通过延长加热段和冷却段，取消预热段，并采用活性炭梯度加热和冷却技术，大大减小了活性炭在加热和冷却过程中的热应力，减小了活性炭在解吸过程的损耗。

传统的解吸塔冷却段采用的冷却方式是水冷，新的冷却方式采用空冷，由冷却风机向解吸塔鼓入冷风，通过空气和活性炭间接换热，实现活性炭降温。风冷的优点：（1）有助于活性炭梯度冷却，避免活性炭因骤冷而破损；（2）消除了解吸塔冷却段管子破损后活性炭大量失效的风险[2]。

4.3  活性炭再生新技术

4.3.1  微波辐照法

微波辐照法脱硫活性炭再生技术发展于热再生法的基础之上。微波辐照法是利用微波诱导活性炭中极性物质分子使其产生偶极转向极化，同时电磁场能转化为热能，滞留在孔道中的硫酸受热挥发，从而使活性炭的孔道重新打开[7]。在此过程中，由于一部分活性炭因吸收微波升温而烧失以至其孔径扩大。Ania等研究表明，利用 2450MHz的微波再生，与传统热再生方法相比，其耗时短、再生效率高，可以生成微孔发达的活性炭。Foo等研究发现：微波再生负载有亚甲基蓝的活性炭2-3min，吸附剂再生充分，5次吸附-再生循环之后，再生率保持在75%-77%，与第一次吸附循环的吸附率保持一致。牛志睿等研究表明，微波辐照再生吸附 S0 饱和的活性炭纤维，连续6次反复吸附解吸后，活性炭纤维吸附容量明显提高，更容易被解吸，并且SO2回收率维持在93%以上，炭纤维的损耗率低于10%。微波解吸吸附容量恢复好、活性炭纤维损耗率低、解吸时间短、解吸气体浓度高以及SO2便于回收，因而具有很好的经济实用性[8]。

Yuen和 Hameed详细阐述了微波再生技术的特点、未来发展方向以及面临的挑战。相比传统再生方法，微波再生活性炭具有热效率高、再生率高、节约能量以及能够生成微孔发达的活性炭等优点。微波再生提高了活性炭的吸附性能和吸附速率[9]。

5  结语

烟气活性炭脱硫不仅可以一次性净化烟气的二氧化硫、氮氧化物、二噁英等有害物质，而且能从中提取SO2，生产工业浓硫酸。烟气活性炭脱硫技术可彻底解决公司烧结机烟气排放问题，以满足国家日益要求严格的排放要求。通过烧结机烟气提取的SO2，镍业公司每年可生产w（H2SO4）为 98%硫酸25830t，可用于公司内部固溶厂酸洗，每年产生的经济效益可达到594万元，是钢铁行业内具有推广意义的脱硫技术。

6  参考文献

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[3]左海滨, 张涛, 张建良等. 活性炭脱硫技术在烧结烟气脱硫中的应用[J]. 冶金能源, 2012, 31（3）：56-59.

[4]李国喜, 王红斌. 太钢烧结烟气活性炭净化工艺的选择及应用[C]// 全国烧结烟气综合治理技术研讨会. 2013.

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[9]张立强, 蒋海涛, 马春元等.烟气脱硫活性炭微波再生特性的实验研究[J]. 燃料化学学报, 2012, 40（11）：1366-1371.