活性炭在綜合治理燒結(jié)煙氣中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

活性炭在綜合治理燒結(jié)煙氣中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀摘要：以活性炭吸附污染物的原理為基礎(chǔ),介紹了活性炭工藝和改性活性炭法在燒結(jié)煙氣綜合治理中的應(yīng)用。通過分析活性炭新工藝和改性活性炭的特點(diǎn),指出了將兩者相結(jié)合是將來活性炭綜合治理燒結(jié)煙氣的進(jìn)展趨勢(shì)。依據(jù)2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)的統(tǒng)計(jì)，在338個(gè)地級(jí)及以上城市中，有239個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，占70.7%。其中PM2.5平均濃度為43μg/m3，超標(biāo)天數(shù)比例為12.4%。PM10平均濃度為75μg/m3，超標(biāo)天數(shù)比例為7.1%。在463個(gè)城市(區(qū)、縣)開展了降水監(jiān)測(cè)，酸雨城市比例、頻率分別為18.8%、10.8%，其中酸雨面積約62萬平方千米，占國土面積的6.4%。酸雨污染主要分布在長江以南、云貴高原以東地區(qū)，主要有浙江、上海的大部分地區(qū)、江西中北部、福建中北部、湖南中東部、廣東中部、重慶南部、江蘇南部、安徽南部的少部分地區(qū)。經(jīng)以上數(shù)據(jù)可知，我國大氣治理仍舊面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國鋼鐵產(chǎn)量據(jù)世界前列，是鋼鐵制造大國。但推動(dòng)工業(yè)進(jìn)展的同時(shí)，也伴隨著嚴(yán)峻的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵企業(yè)排放的煙氣中SO2、NOx、粉塵占全國污染物總量的11.4%、4.2%、14.7%。燒結(jié)作為鋼鐵制造工藝單元之一，其排放的煙氣中SO2、NOX、粉塵分別占鋼鐵排放總量的40%～60%、50%～55%、15%～20%，因此燒結(jié)煙氣治理已迫在眉睫。2018年我國制定了《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案(征求看法稿)》，方案中明確規(guī)定：燒結(jié)排放的煙氣中SO235mg/m3;NOX50mg/m3;顆粒物10mg/m3。在《中華人民共和國大氣污染防治法》中第43條明確規(guī)定了鋼鐵等企業(yè)在生產(chǎn)過程中排放的硫化物、氮氧化物、粉塵應(yīng)采納清潔生產(chǎn)工藝，配套建設(shè)除塵、脫硫、脫硝等裝置，或者實(shí)行技術(shù)改造等其他掌握大氣污染物排放的措施。因此，加強(qiáng)燒結(jié)煙氣的綜合治理是鋼鐵企業(yè)進(jìn)展和生存的必要條件。針對(duì)燒結(jié)煙氣的綜合治理，目前有三種治理鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣的技術(shù)方案，分別是SCR法、氧化法、活性炭法。其中據(jù)國內(nèi)外大量討論表明，唯一可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫除煙氣中多種污染物只有活性炭法。為了探究活性炭應(yīng)用在燒結(jié)煙氣治理的將來趨勢(shì)，本文以活性炭吸附原理為基礎(chǔ)，介紹了目前工業(yè)上活性炭工藝和改性活性炭在處理煙氣時(shí)的特點(diǎn)，指出了目前活性炭工藝和改性活性炭存在的問題，提出活性炭技術(shù)用于鋼鐵廠燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)仍屬探究階段，各種設(shè)計(jì)工藝的脫硝效率、運(yùn)行成本、二次污染、裝備設(shè)施的合理性等都需進(jìn)一步討論。1活性炭工藝治理現(xiàn)狀1.1活性炭的吸附原理活性炭擁有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，在其表面上含有豐富的官能團(tuán)，既可以作為吸附劑又可以作為催化劑載體。討論表明，當(dāng)溫度在20～100℃時(shí)，SO2被活性炭吸附在表面，此時(shí)主要以物理吸附為主;隨著溫度的上升，吸附過程也隨之轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度在100～160℃時(shí)，吸附在活性炭表面上的SO2被進(jìn)一步催化氧化為SO3，此時(shí)主要是以化學(xué)吸附為主;當(dāng)溫度大于250℃時(shí)，完全為化學(xué)吸附，SO3與H2O反應(yīng)生成的H2SO4存儲(chǔ)進(jìn)了微孔內(nèi)。其反應(yīng)方程式為：<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009162347265194.jpg”alt=“1.jpg”width=“383”height=“239”/1.2活性炭吸附工藝工業(yè)上利用活性炭凈化煙氣中的污染物，設(shè)計(jì)了活性炭工藝法，主要有：單級(jí)活性炭法、兩級(jí)活性炭法、以及逆流式活性炭法。單級(jí)活性炭法由吸附系統(tǒng)、解吸再生系統(tǒng)、副產(chǎn)物回收利用系統(tǒng)三部分構(gòu)成，應(yīng)用最廣泛。有文獻(xiàn)表明，寶鋼湛江某鋼鐵基地單臺(tái)燒結(jié)機(jī)上采納了單級(jí)活性炭法，其治理效果見表1。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009162347263293.jpg”alt=“3.jpg”width=“377”height=“120”/由表1可知，單級(jí)活性炭法的脫硝效率并不高，只有62.6%。這是由于當(dāng)SO2和NOX同時(shí)存在時(shí)，當(dāng)SO2濃度高于NH3時(shí)，NH3會(huì)與SO2反應(yīng)生成銨鹽被消耗。針對(duì)NOX的脫除率低的問題，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的活性炭法，主要有兩級(jí)活性炭法和逆流式活性炭法。兩級(jí)活性炭法工藝主要由煙道系統(tǒng)、兩級(jí)吸附系統(tǒng)、解吸系統(tǒng)、活性炭儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)組成。其中兩級(jí)吸附系統(tǒng)是由一級(jí)、二級(jí)吸附塔串聯(lián)組成，每級(jí)吸附塔由4個(gè)吸附單元組成，每個(gè)單元由左右對(duì)稱的六個(gè)反應(yīng)室組成，分別為前室、中室、后室，其凈化效果為：燒結(jié)工序產(chǎn)生的SO2濃度為430.50mg/Nm3;NOX濃度為277.50mg/Nm3。經(jīng)兩級(jí)活性炭工藝處理后，排放的SO2濃度為0.75mg/Nm3，凈化效率為99.83%;NOX濃度為30.25mg/Nm3;凈化效率為89.10%。該法與單級(jí)活性炭吸附法相比，可以有效的脫除SO2和NOX，特殊是對(duì)于NOX，其脫除率可以達(dá)到89.10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單級(jí)活性炭吸附法。這是由于燒結(jié)煙氣經(jīng)前室和中室脫硫除塵后，再經(jīng)后室，導(dǎo)致煙氣中SO2的濃度降低，使得NH3可以直接與煙氣中NOX發(fā)生反應(yīng)形成N2。逆流式活性炭法工藝的特點(diǎn)在于將脫硫和脫硝功能分開，脫硫段在上、脫硝段在下，通過活性炭自上而下，燒結(jié)煙氣自下而上的運(yùn)動(dòng)，使得活性炭可以充分吸附煙氣中的污染物，這樣解決了活性炭法交叉運(yùn)動(dòng)中飽和程度不全都的問題，又有利于NOX被氨氣還原為N2。河鋼集團(tuán)的邯鋼公司采納了此工藝，脫硫、脫硝效率達(dá)到了99.3%和91.1%。綜上可知，改進(jìn)后的活性炭工藝是遵循先脫硫后脫硝的原理來凈化煙氣，在脫硝方面有明顯的提高，但可能需要采納大量的活性炭作為吸附劑以及催化劑，導(dǎo)致了運(yùn)行費(fèi)用可能偏高，且簡單產(chǎn)生大量的固廢，因此不利于推廣。1.3改性活性炭改性活性炭法是通過化學(xué)的方法來轉(zhuǎn)變活性炭上的官能團(tuán)、比表面積等，從而提高多種污染物的脫除效率和有針對(duì)性的提高某種污染物脫除率。目前，主要改性的方法有酸堿法、負(fù)載金屬法等。工業(yè)上采納的活性炭為直徑9mm的圓柱形活性炭，但對(duì)于改性活性炭的運(yùn)用則很少，主要停留在討論階段。黃幫福等人采納硝酸鎳浸漬法制備載鎳活性炭，并模擬燒結(jié)煙氣開展了脫硫試驗(yàn)。討論表明，一般活性炭在30℃時(shí)，可以保持19min的脫硫率在80%以上，硫容為4.22mg/g;改性后活性炭在60℃時(shí)，可以保持147min的脫硫率在80%以上，硫容為54.18mg/g。同時(shí)利用HNO3對(duì)載鎳活性炭進(jìn)行改性討論表明，在HNO3的作用下，溫度為60℃時(shí)，載鎳活性炭的脫硫效率可以保持132min在在80%以上，硫容為62.21mg/g。劉越等人制備了一種以氮摻雜活性炭為載體的低溫SCR催化劑。該催化劑通過氨氣灼燒法制備的氮摻雜活性炭為載體，結(jié)合Mn、V、Fe、Co、Cu等金屬氧化物。通過氨氣灼燒法制備，改性活性炭的表面增加了堿位點(diǎn)數(shù)量，使得NO和O2的吸附量增大，導(dǎo)致了更多的NO氧化為NO2。且經(jīng)金屬氧化物負(fù)載處理后的催化劑，在其表面形成了大量的酸位點(diǎn)，因此有助于提高了對(duì)NH3的吸附性能，從而提高對(duì)NO的吸附。討論表明，在80～180℃范圍內(nèi)可以達(dá)到55%～90%的氮氧化物去除效率。張訊等人制備了一種蜂窩狀活性炭。經(jīng)討論表明，制備的蜂窩狀活性炭具有比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。通過在蜂窩活性炭上負(fù)載活性組分，在低溫時(shí)脫硝效率能夠達(dá)到80%以上。不同改性活性炭脫除效率見表2。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009162347279320.jpg”alt=“2.jpg”width=“386”height=“139”/由表2可知，與一般活性炭相比，改性后活性炭的耐溫性能明顯的提高，同時(shí)80%以上脫除效率可以保持的更久。這是由于通過對(duì)活性炭的改性，使得活性炭的比表面積、活性炭表面基團(tuán)數(shù)量及種類發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而使得改性后活性炭在脫除煙氣中的污染物的效率明顯提高。與前面介紹的活性炭工藝相比較，兩種方法的作用原理、工藝方法和各自的優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。對(duì)于不同污染物種類和含量的煙氣處理過程需要進(jìn)行針對(duì)性的選擇，表3中對(duì)兩種活性炭處理煙氣過程中的作用原理、方法和各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009162347273929.jpg”alt=“4.jpg”width=“769”height=“186”/由表3可知，活性炭工藝中兩級(jí)活性炭法工藝、逆流式活性炭法工藝等改進(jìn)工藝更加有利于凈化煙氣，但活性炭的用量較大;改性活性炭可以依據(jù)詳細(xì)要脫除的污染物來設(shè)計(jì)，而且在高溫下不影響脫除效果，但生產(chǎn)成本較高。因此選擇合適的方法脫除煙氣中的有害物質(zhì)還需依據(jù)實(shí)際的需要。2結(jié)論活性炭的內(nèi)部具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，表面含有多種含氧官能團(tuán)，具有很強(qiáng)的吸附力量。目前，活性炭工藝在治理燒結(jié)煙氣上主要有：單級(jí)活性炭法、兩級(jí)活性炭法