煙氣脫硫活性炭再生技術(shù)研究進(jìn)展

賈艷萍，宗　慶，張明爽，王子鳴，張?zhí)m河

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林　132012)

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煙氣脫硫活性炭再生技術(shù)研究進(jìn)展

賈艷萍，宗慶，張明爽，王子鳴，張?zhí)m河

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林132012)

本文論述了脫硫活性炭再生技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，分析了目前活性炭高溫惰性氣體再生、高溫水蒸氣熱解再生、水洗再生等方法的優(yōu)缺點，其中熱再生操作簡單、再生效率高、能耗高，水洗再生工藝流程簡單、能耗低、再生效率低；此外，介紹了微波輻照法、超聲波法等活性炭再生新技術(shù)。其中，微波輻照法具有再生效率高、熱效率高、節(jié)能高效，能生成微孔發(fā)達(dá)的活性炭等優(yōu)點，具有潛在的應(yīng)用前景。

活性炭； 再生技術(shù)； 微波輻照法

1　引　言

活性炭因其具有巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，同時，還具有吸附能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點成為煙氣脫硫常用的材料。活性炭吸附法煙氣脫硫工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高效資源化，該脫硫工藝不僅可以有效脫除煙氣中的污染物，還能夠回收硫資源。然而，由于活性炭價格較高[1]，若將達(dá)到吸附飽和的活性炭不經(jīng)處理而廢棄掉，不僅提高活性炭脫硫成本，造成資源浪費，還會引起二次污染。因此，開發(fā)吸附飽和活性炭的再生技術(shù)對活性炭煙氣脫硫工業(yè)的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和工程應(yīng)用價值。

2　煙氣脫硫活性炭再生方法

經(jīng)過除塵、降溫、調(diào)濕等操作之后，含SO2的煙氣具有一定的氧含量、溫度和濕度，隨后進(jìn)入載有活性炭的吸附塔，在O2和水蒸汽同時存在的條件下，煙氣中的SO2以化學(xué)吸附方式被活性炭吸附，最終以H2SO4的形式滯留在活性炭孔道內(nèi)，經(jīng)過一定時間后活性炭達(dá)到吸附飽和。達(dá)到吸附飽和的活性炭需要進(jìn)行再生，使得活性炭表面吸附質(zhì)去除，以恢復(fù)其吸附SO2的能力，從而達(dá)到重復(fù)利用的目的。

吸附飽和活性炭再生方法主要分為兩大類，吸附質(zhì)脫附和分解[2]?；钚蕴棵摳绞侵敢胛镔|(zhì)或能量以減弱或消除吸附質(zhì)分子與活性炭之間的作用力，從而使吸附質(zhì)脫附的過程。脫附再生包括熱再生和非熱再生?；钚蕴棵摳皆偕^程簡單快速，回收率高；但再生過程中污染物只是發(fā)生了相間轉(zhuǎn)移，并不能徹底解決污染問題，并且脫附再生不完全。分解是指利用熱分解反應(yīng)或氧化還原反應(yīng)破壞吸附質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而將吸附質(zhì)去除的過程?；钚蕴糠纸庠偕ǔ暡?、電化學(xué)以及微生物等再生方法?；钚蕴糠纸庠偕梢允刮劫|(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)或者完全礦化恢復(fù)其吸附能力，降低成本，分解再生完全，但再生過程復(fù)雜。活性炭再生方法主要取決于活性炭的類型和吸附質(zhì)的性質(zhì)，再生操作過程應(yīng)盡量降低炭的消耗。

3　煙氣脫硫活性炭傳統(tǒng)再生技術(shù)

目前，活性炭的傳統(tǒng)再生方式主要有高溫惰性氣體再生、高溫水蒸氣熱解再生、水洗再生等三種[3]，其中水洗再生和加熱再生在工程上應(yīng)用較多。以上三種傳統(tǒng)再生方法的再生機(jī)理如圖1所示[4]。

圖1　活性炭再生機(jī)理Fig.1　Activated carbon regeneration mechanism

3.1高溫惰性氣體再生

當(dāng)煙氣脫硫活性炭采用高溫惰性氣體再生時，其再生反應(yīng)方程式為：

C+H2SO4→CO+SO2+H2O

(1)

C+2H2SO4→CO2+2SO2+2H2O

(2)

高溫惰性氣體再生過程是利用活性炭中的炭將H2SO4還原為SO2，整個過程中硫酸被再生的量決定了炭的消耗量。高溫惰性氣體再生反應(yīng)一般開始于190 ℃左右，于 320 ℃左右解吸完全。當(dāng)再生溫度較低時，再生反應(yīng)以(2)式為主，炭的消耗量較低，隨著溫度的升高，解吸反應(yīng)逐漸以(1)式為主，這將導(dǎo)致解吸過程中活性炭的消耗量增加[5,6]。高溫惰性氣體再生方法是利用高溫氣體對活性炭進(jìn)行脫附和干燥，具有代表性的工程應(yīng)用有日立造船試驗工廠的水蒸氣脫洗法和日本住友重機(jī)械[7]。

高溫惰性氣體再生技術(shù)具有再生效率高、再生時間短以及無再生廢液產(chǎn)生等優(yōu)點，但再生過程中炭消耗量較大，約為3%～10%，并且高溫對再生爐材料要求較高，設(shè)備復(fù)雜，成本較高[8]。

3.2高溫水蒸氣熱解再生

煙氣脫硫活性炭也可采用高溫水蒸氣熱解再生。高溫水蒸氣熱解再生過程中，吸附質(zhì)硫酸在高溫下?lián)]發(fā)成硫酸蒸氣后由水蒸氣吹掃出去，從而抑制炭與硫酸的反應(yīng)，降低炭的消耗，并且在該過程中孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)保持不變。采用水蒸氣再生活性炭是采用水蒸氣作為載氣，在150～500 ℃下活化活性炭，再生后的活性炭活性依然很高[9]。Sun等[4]研究發(fā)現(xiàn)，高溫水蒸氣熱解再生過程中炭消耗量為5.2%，然而熱再生過程炭消耗量為18.3%。

與高溫惰性氣體再生方法相比，這種再生方式所需熱解溫度較低、運行操作安全可靠，并且炭消耗量少。高溫水蒸氣熱解再生是具有發(fā)展前景的載硫活性炭再生方法，但仍需進(jìn)一步探究。

3.3水洗再生

水洗再生是利用濃度差的擴(kuò)散作用，活性炭內(nèi)部微孔中的H2SO4不斷被其外表面流動的稀硫酸溶液稀釋，微孔中硫酸的量及其濃度不斷降低。為了進(jìn)一步提高水洗再生效率，再生前需對脫硫用活性炭充分活化使其具有較大孔容以降低硫酸在微孔中的濃差擴(kuò)散阻力，此外，溫度的提高也有助于擴(kuò)散傳質(zhì)[7]。在采用水洗再生的活性炭脫硫應(yīng)用中，具有代表性的工程應(yīng)用有日本日立制作所和四川豆壩電廠的磷銨肥法，德國的魯奇法以及東京電力公司的日立法，均在固定床中進(jìn)行水洗再生，脫硫效率可達(dá)90%[10]。

活性炭水洗再生法具有諸多優(yōu)點，工藝流程簡單、能量消耗小以及投資運行費用低等，但所得稀硫酸濃度較低(約為30%)，含有較多雜質(zhì)，難于濃縮，不能直接利用。為了獲取較高濃度的硫酸，需在活性炭吸附飽和時再進(jìn)行洗滌，而活性炭從開始吸附到飽和過程中，其吸附能力逐漸下降，脫硫效率也逐漸降低。因此，高硫酸濃度和高脫硫效率之間相互矛盾和制約。此外，水洗再生耗水量較大，再生不完全，與干燥活性炭相比，濕活性炭的吸附性能較差。

4　煙氣脫硫活性炭再生新技術(shù)

新的脫硫活性炭再生方法主要有微波輻照法和超聲波法[11]。

4.1微波輻照法

微波輻照法脫硫活性炭再生技術(shù)發(fā)展于熱再生法的基礎(chǔ)之上。微波輻照法是利用微波誘導(dǎo)活性炭中極性物質(zhì)分子使其產(chǎn)生偶極轉(zhuǎn)向極化，同時電磁場能轉(zhuǎn)化為熱能，滯留在孔道中的硫酸受熱揮發(fā)，從而使活性炭的孔道重新打開。在此過程中，由于一部分活性炭因吸收微波升溫而燒失以至其孔徑擴(kuò)大[12]。Ania等[13]研究表明，利用2450 MHz的微波再生，與傳統(tǒng)熱再生方法相比，其耗時短、再生效率高，可以生成微孔發(fā)達(dá)的活性炭。Foo等[14]研究發(fā)現(xiàn)：微波再生負(fù)載有亞甲基藍(lán)的活性炭2～3 min，吸附劑再生充分，5次吸附-再生循環(huán)之后，再生率保持在75%～77%，與第一次吸附循環(huán)的吸附率保持一致。牛志睿等[15]研究表明，微波輻照再生吸附SO2飽和的活性炭纖維，連續(xù)6次反復(fù)吸附解吸后，活性炭纖維吸附容量明顯提高，更容易被解吸，并且SO2回收率維持在93%以上，炭纖維的損耗率低于10%。微波解吸吸附容量恢復(fù)好、活性炭纖維損耗率低、解吸時間短、解吸氣體濃度高以及SO2便于回收，因而具有很好的經(jīng)濟(jì)實用性。

Yuen和Hameed[16]詳細(xì)闡述了微波再生技術(shù)的特點、未來發(fā)展方向以及面臨的挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)再生方法，微波再生活性炭具有熱效率高、再生率高、節(jié)約能量以及能夠生成微孔發(fā)達(dá)的活性炭等優(yōu)點[17]。微波再生提高了活性炭的吸附性能和吸附速率。

4.2超聲波法

超聲波是指頻率在16 kHz以上的聲波，在溶液中以球面波的形式傳遞。超聲波再生法利用超聲波對活性炭的吸附表面施加能量，吸附物質(zhì)在“空化泡”爆裂的沖擊作用下脫離吸附劑表面重新返回溶液中，從而達(dá)到吸附質(zhì)脫附的目的[1]。該方法最大的特點是局部施加能量即可完成活性炭再生，再生排出液的溫度僅提高2～3 ℃。研究表明：超聲波再生過程中能量消耗僅為0.1 kW·h/kg，活性炭孔徑大小對再生效率有很大影響[18]；朱金鳳等[19]研究表明：超聲再生吸附飽和活性炭的效率達(dá)到60%～90%，再生過程中炭損失很小，在實際生產(chǎn)中有利于回收再利用；Lim[20]等利用超聲波再生吸附飽和三氯乙烯的活性炭，當(dāng)超聲頻率為20 kHz時，三氯乙烯的脫附主要發(fā)生在活性炭表面。超聲波再生技術(shù)具有安全清潔、能耗低、工藝及設(shè)備簡單和炭消耗低等優(yōu)點，并且可以回收有用物質(zhì)，不會造成二次污染，但是再生效率低[21]。

煙氣脫硫活性炭再生的方法較多，活性炭再生優(yōu)缺點的比較，見表1所示[22]。

表1　各種活性炭再生方法比較

5　結(jié)　語

活性炭的再生是活性炭吸附的逆過程。再生過程中需減少對碳基質(zhì)本身的影響，保證再生活性炭的吸附性能。隨著活性炭的廣泛使用及人們對環(huán)境要求的提高，活性炭再生過程應(yīng)具有工藝簡單、運行管理方便、二次污染小等優(yōu)點，生產(chǎn)規(guī)?？煽?。傳統(tǒng)再生技術(shù)較為成熟，但其在通用性、經(jīng)濟(jì)性和有效性三個方面均存在明顯的缺陷，相比傳統(tǒng)再生技術(shù)，活性炭再生新技術(shù)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益及廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。隨著微波技術(shù)地深入研究，微波再生法具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Research Progress of Activated Carbon Regeneration Technologies on Flue Gas Desulphurization

JIAYan-ping,ZONGQing,ZHANGMing-shuang,WANGZi-ming,ZHANGLan-he

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

Desulphurization activated carbon regeneration technology research progress were reviewed in this paper, the advantages and disadvantages of activated carbon regeneration methods were analyzed, including high temperature inert gas regeneration, high temperature steam pyrolysis regeneration, and water washing regeneration, and thermal regeneration is characterized by simple operation, high regeneration efficiency, but high energy consumption and water washing regeneration is characterized by simple process, low energy consumption but low regeneration efficiency. In addition, a variety of new technology of activated carbon regeneration were introduced, such as microwave irradiation and ultrasonic method, microwave irradiation may challenge the traditional technology in the future, because of its high regeneration efficiency, high heat efficiency, energy saving and because it can generate microporous activated carbon.

activated carbon;regeneration technique;microwave irradiation method

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20150204052SF,20160101268JC)

賈艷萍(1973-)，女，博士，副教授.主要從事廢水、廢氣生物處理理論與工藝的研究.

TM242

A

1001-1625(2016)03-0815-04