高爐煤氣精脫硫工藝中活性炭的應(yīng)用

劉家麟

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

引言

高爐煤氣是高爐冶煉過程當(dāng)中所產(chǎn)生的一種可燃氣體，該氣體含有大量的污染物。高爐煤氣在排入大氣的過程中會對大氣造成嚴重的污染，隨著我國環(huán)保要求的不斷提升，對于鋼鐵行業(yè)中所產(chǎn)生的高爐煤氣也有著嚴格的要求。因為高爐煤氣中含有的成分主要包括CO、CO2、N2、H2及烴類，但最為主要的是它里面所含有的硫成分，不但包含有機硫，也包括了無機硫這些成分對于大氣會造成嚴重的污染，這對于人們的身體健康是十分有害的，因此國家對此進行了嚴格的整治，而高爐煤氣脫硫技術(shù)也因此而興起。該脫硫技術(shù)主要是將所排出的氣體中有效減少二氧化硫的成分，從而使生產(chǎn)達到環(huán)保的要求。通常情況下在高爐煤氣中所含有的有機硫成分主要是COS，而無機硫則是硫化氫。按照國家統(tǒng)一的鋼鐵排放氣體標準要求，所排放的氣體中要求二氧化硫質(zhì)量濃度小于35mg/m3，可采用精脫硫的方式來進行操作。

1 活性炭脫硫化氫機理

目前所采用的高爐煤氣說有機硫的方法是水解轉(zhuǎn)換法。即，利用水解催化劑引發(fā)COS、CS2與煤氣中微量的H2O反應(yīng)，待轉(zhuǎn)化成硫化氫后再脫除。這里又可分為兩種工藝類型：濕法和干法兩大類。所謂濕法處理工藝，就是將所排放的氣體中含有的硫化氫進行分離處理。這樣，氣體中的硫成份就便可作為單獨成分脫離出來，從而降低其排放到大氣中的危害性。該方法適用于排放氣量大，并且硫化成分高的作業(yè)要求，該方法屬于粗略脫硫法，并不適用于精化程度較高的作業(yè)方式。而干法是利用吸附劑、催化劑的作用效果，通過化學(xué)反應(yīng)將所排放的氣體硫化物進行脫除。在所使用的脫硫劑中，主要的成分包括氧化鐵，氧化鋅等。這種脫硫技術(shù)能夠達到較為精準的脫硫程度，適用于排放氣體較少且精度要求較高的作業(yè)方式。該方式簡便易行并且極易控制，作業(yè)成本也較低，因此在所進行生產(chǎn)過程中經(jīng)常被使用。本文主要闡述活性炭在高爐煤氣脫硫化氫中的應(yīng)用[1]。

由于活性炭的化學(xué)性能比較穩(wěn)定，并且其結(jié)構(gòu)極其容易吸附，因此，在脫除硫化氫的過程中，它的性能更是得到了極大的發(fā)揮。活性炭作用機理如圖1所示。

在具體操作中，所使用的活性炭脫硫劑，具有嚴格的規(guī)制，通常情況下所使用的規(guī)格如圖2所示。

活性炭脫硫劑的作用反應(yīng)形式為：當(dāng)硫化氫在活性炭表面上時會發(fā)生催化氧化反應(yīng)，這也是工業(yè)生產(chǎn)中用于硫化氫脫除選擇的主要方式。

主要原因在于，活性炭在進行吸附硫化氫容量時較小，為了能夠達到更好的效果，因此，往往會選擇在活性炭表面發(fā)生催化氧化反應(yīng)這種作業(yè)方式。而最終在氧化反應(yīng)后所產(chǎn)生的單質(zhì)硫會存留在活性炭的空隙中。具體反應(yīng)公式為：

目前學(xué)術(shù)界關(guān)于對活性炭脫硫所進行的反應(yīng)原理有各種各樣的說法，其中最具有權(quán)威性的當(dāng)屬Klein的溶解吸附反應(yīng)機理，在所剖析的反應(yīng)過程中具體過程原理為：首先，活性炭會將所排出的氣體中的水成分進行吸附，進而形成一種水膜狀態(tài)。這時硫化氫和氧氣便可通過活性炭中的孔隙進入到水膜，這時便發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而將硫化氫進行電解分離，形成HS-和H+，氧氣分子被活化，生成活性氧原子。當(dāng)活性氧原子與HS-發(fā)生反應(yīng)時，這時所生成的單質(zhì)硫便可留在活性炭的空隙中，隨即完成了活性炭脫硫反應(yīng)[2]。

2 活性炭脫硫化氫的影響因素

2.1 脫硫反應(yīng)空速

由于活性炭的生產(chǎn)廠家不同，因此活性炭在作用反應(yīng)時所形成的化學(xué)反應(yīng)效果也會有所差異，當(dāng)活性炭在反應(yīng)中，它的空速如果會在1 200 h-1左右，那么活性炭它的脫硫性能便會達到最佳狀態(tài)，而隨著氣速的不斷降低，活性炭在脫硫反映出也會發(fā)生相應(yīng)的變化?；钚蕴康淖兓壽E為先增大，后減小。問題就在于最大程度的將活性炭硫進行脫除。增大的目的是為了提升脫硫的作用效率，而降低則是由于硫化氫與脫硫劑的接觸時間進行延長，從而使活性炭與脫硫劑更大面積的接觸，增大了傳質(zhì)阻力，從而導(dǎo)致了脫硫效率下降。因此，在進行脫硫反應(yīng)時，所選擇的活性炭規(guī)格也是十分關(guān)鍵的。此外，在進行在脫硫反應(yīng)時，所操作使用的氣速同樣不容忽視[3]。

2.2 脫硫反應(yīng)溫度

在使用活性炭進行脫硫反應(yīng)時，所反映設(shè)定的溫度最佳為30~50℃，如果溫度降低便需要進行中跟隨著溫度的升高，脫硫反應(yīng)的能力也會隨之增強。當(dāng)溫度設(shè)定在30~50℃時，它是保持活性炭進行脫硫反應(yīng)的最佳溫度，該溫度能夠激發(fā)活性炭中脫硫劑的活性炭反應(yīng)，進而增強脫硫的效果，當(dāng)溫度高于50℃時。由于硫化氫在活性炭中會受到脫硫劑的影響而被活性炭吸附，因此較高的溫度，并不能保證活性炭對于脫硫反應(yīng)的高效形成，反而會降低過脫硫劑的活性反應(yīng)。

不得不強調(diào)的是，在高爐煤氣系統(tǒng)中，應(yīng)重視余壓透平發(fā)電裝置（TRT）的設(shè)置，它是有效保證活性炭進行脫硫反應(yīng)的最佳溫度裝置。因此在使用活性炭進行高爐煤氣脫硫反應(yīng)時，應(yīng)將其設(shè)置在TRT之后，以此來保證活性炭的活性反應(yīng)能力。

2.3 煤氣中的水含量

如果脫硫反應(yīng)中的作用原理脫離不開水蒸氣，就要保證水蒸氣即濕度的設(shè)定，它能夠有效提升活性炭的硫容量。如果沒有水蒸氣，活性炭的吸附作用就會不斷降低，在進行脫硫反應(yīng)時也不能激發(fā)活性炭的活性作用力。相反，有了水蒸氣的存在，活性炭表面就會形成水膜的存在，在釋放的氣體中，活性炭中水膜的存在，將會與硫化氫進行有效的反應(yīng)，進而將硫化氫脫離成單獨的硫離子。這種作用的方式是形成催化、氧化反應(yīng)的作用效果，也是脫硫劑在活性炭表面所形成的反應(yīng)結(jié)果。換言之，水蒸氣在進行脫硫反應(yīng)時是十分重要的，如果不能保證足夠的濕度，那么就不能形成水膜，而活性炭的吸附能力也會大大降低。只有保持足夠的濕度，脫硫率才能不斷地提升。但需要注意的是，濕度同樣不能過于飽和，過于飽和的濕度，水膜會過厚，從而影響脫硫的能力，如圖3所示。

由此可見，控制高爐煤氣時，需要保持一定的濕度，但濕度要控制在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，否則水膜過后也會形成冷凝水，因此要有效避免冷凝水的出現(xiàn)，只有這樣才能取得最佳的脫硫效果。

2.4 煤氣中的氧含量

在進行脫硫反應(yīng)時，需要氧氣，氧氣中的分子會在活性炭進行脫硫反應(yīng)時被活化成活性氧原子，氧原子會在活性炭進行脫硫反應(yīng)后將所形成的硫單質(zhì)滯留在活性炭孔隙中，氧氣有助于脫硫反應(yīng)的形成。它如果當(dāng)它的化學(xué)計量不斷增大，當(dāng)達到最大容量值340%，這時硫容量就會固定在一定區(qū)域值內(nèi)，而不再增加。通常情形下，進行高爐煤氣脫硫反應(yīng)時所需要的氧含量應(yīng)保持在0~0.8%，如果當(dāng)所需要的氧含量不夠進行反應(yīng)時，可通過添加適量的空氣來滿足對于氧含量的需要[4]。

2.5 煤氣中硫化氫的含量

在進行脫硫反映時，硫化氫的含量的參照作用性并沒有直接性的影響。但如果含硫量較高，那么這種作業(yè)方式便不再適用，因為所涉及到的成本也會較高。換言之，該方式只適合含硫化氫濃度較低的氣體凈化中。如果當(dāng)煤氣中的含硫量比較高時，便可結(jié)合應(yīng)用活性炭法與濕法。通過這樣二級脫硫的方法，來保證精準脫硫，脫硫的徹底。但究竟采用何種方式要根據(jù)具體情況來定。如果高爐煤氣中總硫含量（質(zhì)量濃度）在200 mg/m3以下，便可使用活性炭法進行直接脫硫。

因此活性炭高爐煤氣進行精準脫硫，它的適用條件具有一定的規(guī)格。需要滿足：空速1 200 h-1，可根據(jù)不同廠家不同規(guī)格的活性炭來進行微調(diào)；溫度30~50℃；含飽和水、最小氧硫比為1∶1。

3 工藝流程

通過以上分析，關(guān)于活性炭的作用原理，最終筆者設(shè)計高爐煤氣系統(tǒng)裝置，以及它與TRT出口裝置的位置關(guān)系，以及溫度、水蒸氣含量等（具體如圖4所示）可根據(jù)相應(yīng)的需要，設(shè)置多臺脫硫反應(yīng)器并聯(lián)[5]。

脫硫反應(yīng)器的固定，可采用固定床反應(yīng)器，也可采用移動床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器，兩者可進行交替性使用。當(dāng)使用固定床反應(yīng)器時，煤氣切換至備用設(shè)備，而采用移動床時，既可運用煤氣，也可運用活性炭。但需要注意的是，要防止煤氣泄漏的危險，因此在進行作用裝置安裝時，要考慮涉及安裝氣體密封操作處理裝置。

4 結(jié)語

活性炭脫硫技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下進行脫硫反應(yīng)時的一種改進優(yōu)化方式而進行普遍使用。在實際的生產(chǎn)需要中，由于原材料性質(zhì)的不同，以及對脫硫反應(yīng)要求的不同，所使用的脫硫工藝也會有所不同。高爐煤氣進行脫硫技術(shù)是迎合了國家對鋼鐵行業(yè)進行環(huán)保整改的要求而使用的，它是活性炭脫硫法在高爐煤氣領(lǐng)域的具體應(yīng)用，操作簡單而方便。