摘要：以烟煤为原料，采用气体活化法制备活性炭，并将其用于烟气脱硫。制备活性炭的较佳工艺条件：碳化温度为600℃；碳化时间为1.0h；活化温度为900℃；活化时间为1.5h；水蒸气流量为406mL/min。活性炭的硫容随SO2、O2和水蒸气的体积分数的增加而增加；随反应器床层温度升高，活性炭的硫容先升高后下降。在床层温度为80℃，SO2、O2和水蒸气体积分数分别为0.5%、5.0%和12.0%，N2为载气的条件下，活性炭的硫容较大，为72.3mg/g。
燃煤排放的SO2是形成“酸雨”的主要原因之一，会给环境造成严重污染，同时，烟气中的SO2是生产硫酸、化肥和其他一系列重要化学品的基本原料，是一种不可忽视的硫资源。活性炭干法脱硫工艺具有脱硫过程耗水量少、无二次污染、脱硫后烟气温度高硫便于回收等优点，目前已受到广泛应用。与木质和果壳活性炭相比，煤质活性炭具.有原料来源广、 价格低、易再生、抗磨损等优点，被广泛应用于水处理、溶剂回收、脱色净化、气体分离及气体净化等领域。
本工作以烟煤为原料，采用气体活化法制备活性炭，并将其用于烟气脱硫，效果良好。
1 实验部分
1.1 原料、试剂和仪器
烟煤取自山西省某煤矿，其工业分析和元素分析结果见表1。实验所用试剂均为分析纯；实验用水为蒸馏水。
表1 烟煤的工业分析与元素分析结果
| 工业分析（质量分数，%） | 元素分析（质量分数，%） | |||||||
| 水分 | 灰分 | 挥发分 | 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型高温管式电阻炉：南京电炉厂；
BS-210S型电子分析天平：德国Sartorius公司；101-1AB型电热鼓风干燥器；天津市泰斯特仪器有限公司；SY-9302B型质量流量计；北京圣业科技发展有限公司；XMT型数显调节仪；浙江余姚长江温度仪表；ASAP2000M型比表面积分析仪；美国Micromertics公司。
1.2 实验方法
1.2.1 活性炭的制备
将烟煤粉碎至0.4~0.6mm，在110℃条件下干燥12h后置于管式电炉中，N2气氛下，在一定温度下碳化一定时间，然后将碳化产物在一定的水蒸气流量下活化一定时间，得到活性炭。
1.2.2 烟气脱硫
烟气脱硫实验在内径12mm、长300mm的固定床反应器中进行。将活性炭置于固定床反应器中，然后加热固定床反应器至实验温度，通入模拟烟气，当固定床反应器进、出口SO2体积分数无变化时停止实验。模拟烟气组成（体积分数）：SO20.1%~0.9%、O22%~12%、水蒸气2%~12%其余为N2。
1.3 分析方法
采用碘量法测定烟气中SO2的体积分数。硫容为活性炭烟气脱硫实验停止时，单位质量活性炭吸附的SO2质量。
2 结果与讨论
2.1 制备条件对硫容的影响
2.1.1 碳化温度对硫容的影响
在碳化时间为1.0h、活化温度为900℃、活化时间为1.5h、水蒸气流量为406mL/min的条件下，碳化温度对硫容的影响见图1。
由图1可见，碳化温度为600℃时，硫容很大。碳化温度过低，挥发份析出较少，活性炭的空隙度不够，硫容减小；碳化温度过高，缩聚加剧，活性炭的结构变得致密，使活性炭的反应活性降低，硫容减小。本实验较佳碳化温度为600℃。
2.1.2 碳化时间对硫容的影响
在碳化温度为600℃、活化温度为900℃、活化时间为1.5h、水蒸气流量为406mL/min的条件下，碳化时间对硫容的影响见图2。由图2可见：开始碳化的1.0h内，硫容加大；延长碳化时间，硫容略有减小。本实验较佳碳化时间为1.0h。
2.1.3 活化温度对硫容和活性炭得率的影响
在碳化温度为600℃、碳化时间为1.0h、活化时间为1.5h、水蒸气流量为406mL/min的条件下，活化温度对硫容和活性炭得率的影响见图3。由图3可见：随活化温度升高，反应活性提高，在相同活化时间内反应掉的碳的质量增加，活性炭的得率降低；活化温度为900℃时，硫容大；继续升高活化温度，硫容增加量很少且活性炭得率下降。综合考虑，本实验碳化产物的较佳活化温度为900℃。
2.1.4 活化时间对硫容和活性炭得率的影响
在碳化温度为600℃、碳化时间为1.0h、活化温度为900℃、水蒸气流量为406mL/min的条件下，活化时间对硫容和活性炭得率的影响见图4。
由图4可见：随活化时间的增加，活性炭得率下降；活化时间为1.5h时，硫容大；综合考虑，本实验碳化产物的较佳活化时间为1.5h。
2.1.5 水蒸气流量对硫容和活性炭得率的影响
在碳化温度为600℃、碳化时间为1.0h、活化温度为900℃、活化时间为1.5h的条件下，水蒸气流量对硫容和活性炭得率的影响见表2。由表2可见，随水蒸气流量增加，活性炭得率下降,，硫容增加；水蒸气流量为406 mL/min时，硫容很大；继续增加水蒸气流量，水蒸气继续与活性炭反应，使活性炭部分孔结构坍塌，致使硫容减小。因此，较佳水蒸气流量为406mL/min。
表2 水蒸气流量对活性炭得率和硫容的影响
| 水蒸气流量/（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 脱硫工艺条件对硫容的影响
2.2.1 SO2体积分数对硫容的影响
在反应器床层温度为100℃、水蒸气体积分数为12%、O2体积分数为5%、N2为载气的条件下，SO2体积分数对硫容的影响见图5。由图5可见，随SO2体积分数增加，硫容增加，因为烟气中SO2的体积分数越大，其扩散推动力就越大，从气相向活性炭表面的扩散速率也越快，从而增加了活性炭的硫容。
2.2.2 O2体积分数对硫容的影响
在反应器床层温度为100℃、SO2体积分数为0.5%、水蒸气体积分数为12%、N2为载气的条件下，O2体积分数对硫容的影响见图6。由图6可见，硫容随O2体积分数的增加而增大加。当O2体积分数较低时，O2在活性炭表面吸附的推动力较低， 吸附速率较低，被吸附的O2量较少，SO2的催化氧化就会受到限制，从而导致硫容相对较小，而当O2体积分数升高时，促进了SO2在活性炭表面的催化氧化，硫容相应增加。
2.2.3 水蒸气体积分数对硫容的影响
在反应器床层温度为100℃、SO2体积分数为0.5%、O2体积分数为5%、N2为载气的条件下，水蒸气体积分数对硫容的影响见图7。由图7可见，随水蒸气体积分数增加，硫容增加。一般而言，在活性炭的干燥表面上有利于SO2与O2发生氧化反应生成SO3，而活性炭微孔中吸附的水分有利于产物H2SO4的生成及转移，即活性炭微孔中的水分有助于SO，从其表面活性位上解离，使活性位释放出来，从而使吸附得以继续。当水蒸气体积分数较低时，将导致活性炭表面干燥过快，影响产物H2SO2的生成和转移；当水蒸气体积分数增加时，活性炭微孔表面吸附水的浓度增加，因此生成H2SO，的速率加快，当生成的H2SO4较多时，被吸附的水同时作为一种洗脱剂将吸附的H2SO4洗掉，并将其储存在活性炭的孔内，从而释放活性位，促进脱硫反应的进行，提高活性炭的硫容。
2.2.4 反应器床层温度对硫容的影响
在SO2、O2和水蒸气体积分数分别为0.5%、5%和12%，N2为载气的条件下，反应器床层温度对硫容的影响见图8。
由图8可见：随反应器床层温度升高，硫容先增大后减小。这是因为，各组分在活性炭上的吸附首先是物理吸附，然后才能转变为化学吸附，较高的床层温度不利于物理吸附。床层温度为80℃时的硫容很大，达到72.3 mg/g，60℃次之，因为60℃时的水蒸气容易冷却形成水膜，附着在活性炭表面而阻碍气体向活性炭内部的扩散，从而导致硫容减小。
3 结论
a) 以烟煤为原料，采用气体活化法制备活性炭的较佳工艺条件为：碳化温度600℃、碳化时间1.0h、活化温度900℃、活化时间1.5h、水蒸气流量406mL/min。
b) 将所制备的活性炭用于烟气脱硫实验，活性炭的硫容随SO2体积分数、O2体积分数和水蒸气体积分数的增加而增加；随反应器床层温度升高，硫容先增加后减小。在床层温度为80℃，SO2、O2和水蒸气体积分数分别为0.5%、5%和12%，N2为载气的条件下，活性炭的硫容大，为72.3mg/g。