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活性炭在火电厂烟气脱硫脱氮中的应用

发布时间:2020-06-03 浏览

SO2污染是我国严重的环境问题,已经得到了广泛的重视。在众多的烟气脱硫脱氮技术中,活性炭吸附法是唯一一种能脱除烟气中多种污染物的方法,其中包括SO2、NOx、烟尘粒子、汞、二噁英、呋喃、重金属、挥发性有机物及其他微量元素。发展此类烟气脱硫脱氮技术,控制我国燃煤SO2和NOx排放,对于国民经济的可持续性发展意义重大。

下面我们一起来了解下,活性炭在火电厂烟气脱硫脱氮中的应用,以及活性炭材料在大气污染控制中的可用性与发展前景。

活性炭具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积,因而具有很强的吸附性,加之活性炭表面含有多元含氧官能团,所以它既是优良的吸附剂,又是催化剂和催化剂载体。

1、活性炭脱硫原理

活性炭对SO2的吸附包括物理吸附和化学吸附。当烟气中无水蒸汽和氧气存在时,主要发生物理吸附,吸附量较小。当烟气中含有足量水蒸汽和氧时,活性炭法烟气脱硫是一个化学吸附和物理吸附同时存在的过程。首先发生的是物理吸附,然后在有水和氧气存在的条件下将吸附到活性炭表面的SO2催化氧化为H2SO4。长期以来,人们将反应的总过程用以下化学方程式描述:

SO2+O2+H2O→H2SO4

2、有H2O存在时的活性炭脱硫反应过程

活性炭烟气脱硫法不同于其他的烟气脱硫技术,它是以传统的微孔吸附原理为理论基础的一门技术。然而,这种吸附作用与常用的工业吸附净化水技术有很大的区别,由于涉及到多组分物质的吸附传质,使其吸附过程十分复杂。在有水存在的条件下,在活性炭表面附近、表面、中孔、大孔以及微孔内,均可形成水、水蒸汽、SO2、SO2-3、SO2-4等多种组分的复杂混合体,这些分子或离子的存在及其数量,或可促进吸附性能的提高,或可制约活性炭的吸附能力。H2O的参与从根本上改变了SO2在炭表面的反应机理,有关反应过程的假设众说纷纭。

有人认为SO2和O2存在竞争活性位的现象,在可能存在的3种氧化反应中,只有下式可以顺利进行:

C-SO2+O2+C→C-SO3+C-O

即只有气态的氧才可以与吸附态的SO2反应。

还有人认为H2O、SO2和O2分子可被活性炭吸附,只要它们之间具有足够近的距离和一定的空间构型,彼此之间就可直接反应,并生成H2SO4

在这种理论模型中,氧化反应式为:

C-SO2+C-O→C-SO3+C

上式为反应的控制步骤,其余的反应步骤则依赖该反应的顺利与否。

3、活性炭脱氮原理

活性炭脱氮技术可以分为吸附法、NH3选择性催化还原法和炽热炭还原法。

吸附法是利用活性炭的微孔结构和官能团吸附NOx,并将反应活性较低的NO氧化为反应活性较高的NO2。关于活性炭吸附NOx的机理,研究人员之间还存在较大的分歧。NH3选择性催化还原法是利用活性炭吸附NOx,降低NOx与NH3的反应活化能,提高NH3的利用率。

炽热炭还原法是在高温下利用炭与NOx反应生成CO2和N2优点是不需要催化剂,固体炭价格便宜,来源广,反应生成的热量可以回收利用。然而动力学研究表明,O2与炭的反应先于NOx与炭的反应,故烟气中O2的存在使炭的消耗量增加。

对活性炭脱硫脱氮的性能和机理以及SO2和NOx在活性炭上竞争吸附的机理进行了深入的研究。

研究表明:以高纯度的SO2空气和水蒸汽的混合气体来模拟实际工业烟气,活性炭对SO2的吸附主要是化学吸附,其脱硫效率大于96%;

以高纯度的NOx、空气和水蒸汽的混合气体来模拟实际工业烟气,活性炭对NOx的吸附则包括物理吸附和化学吸附。

在气流中无SO2气体存在的条件下,活性炭具有较高的脱氮效率,当活性炭达到动态吸附平衡时,脱氮效率大于75%;

以高纯度的SO2、NO2、空气和水蒸汽的混合气体来模拟实际工业烟气,当气流中同时存在SO2和NOx时,活性炭吸附SO2的容量及吸附饱和时间均增加,而脱硫效率、吸附速度和吸附带长度则变化很小。由于物理吸附的NO被SO2置换解析,活性炭吸附NOx的容量和动态吸附平衡时间急剧下降,脱氮效率很低,NOx的吸附带长度增加,吸附速度下降。SO2和NOx都不会单独占据活性吸附中,而是共同存在于活性吸附中。活性炭优先选择性吸附SO2物理吸附的NOx被SO2置换解析。化学吸附的NOx能够促进活性炭对SO2的吸附。同时,SO2也能够促进活性炭对NOx的吸附。

4、总结

目前,活性炭法脱除燃煤烟气中NOx还没有达到工业应用水平,活性炭吸附NOx的性能、吸附反应机理,较佳脱氮条件等还有待进一步研究。活性炭法烟气脱硫已有了成功应用的实例,然而仍有许多问题有待研究,例如:温度、水等对活性炭吸附性能的影响规律以及脱硫的较佳条件等。开发新型活性炭(增加强度和吸附容量)降低活性炭再生的能耗、改善脱附方式、有效提高脱附效率是活性炭吸附法的进一步研究方向。

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