燃煤烟气活性炭法脱硫技术的数值模拟.pdf

辽宁科技大学 硕士学位论文 燃煤烟气活性炭法脱硫技术的数值模拟 姓名王丹 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师谢安国 20080307 辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 活性炭法烟气脱硫技术是一种以吸附为原理的烟气脱硫方法，活性炭 具有表面积大、孔结构良好，且吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高 等优点。活性炭法烟气脱硫技术与传统的湿法烟气脱硫工艺相比，具有工 艺简单、脱硫效率高、投资少、易于操作、无三次污染等优点，且回收产 物为高品质的硫酸。因此，活性炭法脱硫技术被认为是极具开发前景的烟 气脱硫技术，成为各国竞相研究开发的重要技术。到目前为止，在吸附硫 回收技术的工业应用中，已经开发了各种吸附设备，以固定床和移动床工 业化应用最多。 近年来，众多科技工作者对“活性炭法脱硫技术”存在问题的研究主要 集中在开发高活性、低成本的优质活性炭；提高活性炭脱硫效率的工艺操 作条件；研究活性炭不同的再生方式三方面。本文是在借鉴在前人研究的 基础上，以“提高活性炭脱硫效率”为目标，采用两种不同的反应器一固定 床和移动床，通过理论分析和数值模拟研究，比较出不同的结构形式和工 艺条件对烟气脱硫影响效果的优劣。在模拟中，选用物质输运和有限速率 化学反应模型、湍流模型、多孔介质模型及两相流模型中的欧拉模型。 模拟时选用粒状活性炭作为烟气脱硫剂，利用计算流体力学 C F D 软件，首先对固定床、移动床内烟气速度场、S 0 3 浓度场及压力场进行模 拟，研究了活性炭颗粒对反应器内烟气流动状况的影响；其次通过改变移 动床、固定床的不同工艺条件 烟气空床速度、床层空隙率、入口S 0 2 浓 度、入口烟气温度、颗粒不同粒径等 ，分析反应器的操作参数对活性炭 法烟气脱硫效果的影响；最后通过改变反应器的结构形式，得出其结构参 数对活性炭法烟气脱硫效果的影响。 关键词烟气脱硫，活性炭，移动床，固定床，数值模拟 辽宁科技大学硕士论文 A b s t r a c t A c t i v a t e dC a r b o nF G Dt e c h n o l o g yi sak i n do ff l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ， w h i c hb a s e do nt h ea d s o r p t i o np r i n c i p l e ，t h ea c t i v a t e dc a r b o nh a ss o m e a d v a n t a g e s ，s u c ha st h el a r g es u r f a c ea r e a ，t h eg o o d h o l es t r u c t u r e ，t h es t r o n g c a p a c i t yo fa d s o r p t i v e ，t h eg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t ye t c ．C o m p a r i n gw i t ht h e t r a d i t i o n a lw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s ，a c t i v a t e dc a r b o nf l u eg a s d e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a st h ec r a f tt ob es i m p l e ，t h eh i g h o f d e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y ，t h el o wo fi n v e s t m e n t ，c a nb er e m o v e dS 0 3b yt h e w e ti sd i f f i c u l tt or e m o v e 。t h es i m p l i f yo p e r a t i o n ，w i t h o u tt h ea d v a n t a g e so f s e c o n d a r yp o l l u t i o na n dS Oo n ，a n dr e c y c l i n gh i g h q u a l i t yp r o d u c tf o rs u l f u r i c a c i d ．T h e r e f o r e ，t h ea c t i v a t e dc a r b o nd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n c o n s i d e r e daF G Dt e c h n o l o g yo fh i g h l yd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s ，b e c o m e sa m a j o rc o m p e t i n gt e c h n o l o g yb yv a r i o u sc o u n t r i e s ’c o m p e t i t i o n r e s o a r c h d e v e l o p m e n t ．S of a r ，i nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n o fa d s o r p t i o ns u l f u r r e c y c l i n gt e c h n o l o g y ，a m o n g t h ev a r i e t yo fa d s o r p t i o ne q u i p m e n tw h i c hh a v e a l r e a d yd e v e l o p e d ，t h ef i x e db e da n dm o v i n gb e da r em o s ti n d u s t r i a l i z a t i o n a p p l i c a t i o n ． I nr e c e n ty e a r s ，m a n ys c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lw o r k e r sc o n s i d e r e dt h e e x i s t e n c e ’S q u e s t i o no f ’a c t i v a t e d c a r b o nd e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g y ”， r e s e a r c h i n gc o n c e n t r a t e si nt h r e ea r e a s d e v e l o p i n gh i g h - q u a l i t y ’Sa c t i v a t e d c a r b o n o fh i g ha c t i v i t ya n dt h el o wC O S t ，c h a n g i n gt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o r i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fa c t i v a t e dc a r b o nd e s u l f n r i z a t i o n ，s t u d i n gt h ew a y o f d i f f e r e n tr e g e n e r a t i o n ．O nt h eb a s i so f p r e d e c e s s o r ’Ss t u d i n g ，t a k i n g “r a i s i n g t h ee f f i c i e n c yo fa c t i v a t e dc a r b o nd e s u l f u r i z a t i o n ”a st h et a r g e t ，t h i sa r t i c l e u s e dt w ok i n do fd i f f e r e n tr e a c t o r ．f i x e db e da n dm o v i n gb e d ，t h r o u g ht h e Ⅱ 辽宁科技大学硕士论文 A b s t r a c t t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h ，c o m p a r i n go ft h e p r o sa n dc o n si ns t r u c t u r a ls t y l ea n dt h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so ff i x e db e d a n dm o v i n gb e do nt h ei m p a c to ff l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o n ．T h es i m u l a t i o n s e l e c t e dt h em a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o na n dl i m i t e dc h e m i c a lr e a c t i o nr a t em o d e l ， t u r b u l e n c em o d e l ，p o r o u sm e d i u mm o d e l ，E u l e r i a nm o d e li nt w o p h a s ef l o w m o d e l ． T h es i m u l a t i o ns e l e c t e dt h eg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o na st h ed e s u l f u r i z e r o ff l u eg a s ，u s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s C F D s o f t w a r e ，f i r s t l y ， f l u eg a sv e l o c i t yf i e l d ，t h ec o n c e n t r a t i o no fS 0 3a n dt h ep r e s s u r ef i e l dw e r e s i m u l a t e di nf i x e db e da n dm o v i n gb e d ，t h ei m p a c to fa c t i v a t e dc a r b o n p a r t i c l e so nf l u eg a sf l o wi nt h er e a c t o rw a ss t u d i e d ，t h e nt h ei n f l u e n c eo f o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o ft h er e a c t o ro nt h ea c t i v a t e dc a r b o n f l u e 二g a s d e s u l f u r i z a t i o nw a sa n a l y z e db yc h a n g i n gt h ed i f f e r e n tt e c h n i q u ec o n d i t i o n s o ff i x e db e da n dm o v i n gb e d s u c ha sf l u eg a s ’Sv e l o c i t y ，b e d ’sp o r o s i t y , t h e c o n c e n t r a t i o no fS 0 2 ，t h et e m p e r a t u r eo ff l u eg a s ’se n t r a n c e ，p a r t i c l e so f d i f f e r e n ts i z ee t c ． ，f i n a l l yi tc o n c l u d e dt h a tt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f r e a c t o r sc a na f f e c tt h er e s u l t so fa c t i v a t e dc a r b o nf l u eg a sf f e s u l f u r i z a t i o nb y m e a n so fc o n v e r t i n gt h es t r u c t u r a lf o r m so fr e a c t o r s ． K e y w o r d f l u eg a sd e s u p h u r i z a t i o n ，a c t i v a t e dc a r b o n ，m o v i n gb e d ， f i x e db e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n n I 豆宁科技大学硕士论文 符号说明 符号说明 物理意义 重力加速度，m 2 ／s 流速。m ／s 流体粘度，P a ．S 多孔介质的渗透率 雷诺数 横截面平均流速，m ／s 孔隙平均特征长度，m 流体 f 与固体骨架 s 的导热系数 w ／ m ．℃ 对流换热系数w ／ I n 2 ．℃ 流体温度，K 壁面温度，K 壁面温度边界层厚度，m 努赛尔数 流体的运动粘度，m 2 ／s 来流速度，m ／s 物体的特征尺寸，m 普朗特数 吸附器体积，m 3 器内吸附剂颗粒的总体积，m 3 吸附剂堆积密度，k g ／m 3 吸附剂颗粒密度，k g ／m 3 横截面积，m 2 孔隙率 焓，k J ／k m o l 有效导热率，w ／m ．K 组分j 的质量分数，％ 组分j 的生成焓，k J ／k m o l 矢量密度，k g ／m 3 I V 号 ， 引g “ p K n 邯d 缸 町0咒4№u ‰‘n巧％几以A∥h％Ⅵ矽节 辽宁科技大学硬士论文 符号说明 V 口 V B r 埘 匕 ％ ％ 孔隙体积，m 3 固体基质体积。o 外表面，m 2 内表面，砰。 界面运动速度，m ／s 弯曲率 V 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知j 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名．讲E t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 ． 辽宁科技大学硬士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 我国环境污染状况及S 0 2 危害 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，能源的开发和应 用，与社会经济发展和人类生活密不可分。我国是世界上人口最多的国家， 近十几年来，随着市场经济改革的深化和产业结构的调整，一次能源的生 产量发生很大的变化f l 】【2 】【3 1 。据有关统计计算，从1 9 8 1 年到2 0 0 5 年，中 国经历了5 个“五年计划”的经济发展期间，我国一次能源生产平均增长 5 ．2 8 ％，其中水电生产以8 ．2 3 ％的速度年均增长最快，煤炭 主要用于火 力发电 和天然气以平均增长5 ．3 5 ％为次之，其它见表1 ．1 所示1 4 J 。 表1 ．1 “五年计划，，的经济发展期间，我国一次能源生产的平均增长【4 T a b ．1 ．1t h ea v e r a g eg r o w t ho f C h i n a ’sp r i m a r ye n e r g yp r o d u c t i o n d u r i n g ”F i v e ．Y e a rP l a n ”p e r i o do fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t 【4 1 环球能源网根据国家统计局能源数据计算，我国在1 9 8 1 年至2 0 0 5 年 的2 5 年期间，煤炭消费在一次能源的比例始终在7 0 ％以上，特别是2 0 0 3 年以来，与全球的能源消费趋势不同，煤在我国一次能源中的消费比例有 逐年增大的趋势。0 6 年全球煤的新增消费量中我国居然占6 0 ％以上。大量 过度使用煤已经造成我国炭排放和酸雨剧增，是我国环境污染的重要来 源。而且，煤的污染治理成本和技术难度比其它能源要大的多竹儿”。 煤炭生产在“十五”期间，首次超过国民经济的增长，而且，与全球能 源结构不同的是，我国煤炭在一次能源生产中占的比例逐年提高 0 5 年已 辽宁科技大学硕士论文 第1 章绪论 占7 6 ％以上 。经历了“九五”期闻的负增长。“十五”期闯平均年增长达 1 1 ．2 7 ％。尽管煤炭在居民和商业部门的消费逐年下降，但火力发电和钢铁 工业将继续对煤炭的强劲需求。我国能源消耗以煤为主，煤炭在我国能源 结构中占主导地位的局面将长期存在【7 l 。 “以煤炭为主体，电力为中心”是我国能源工业发展的基本方针。在中 国，总发电量的8 0 ％以上为火力发电。中国的能源赋存条件决定了中国火 电建设以煤炭为主的格局。在火力发电过程中，粉尘、二氧化硫、二氧化 碳等是其污染物的主要成分。最近几年，燃煤电厂的加速发展，是我国“十 五”期间环保指标中二氧化硫“不降反升”的主要原因。作为空气污染的重要 源头，二氧化硫与汽车尾气污染“精诚合作”，合谋毁坏城市的空气质量。 二氧化硫是酸性的，它过量排放到大气中，会形成“酸沉降”，它导致土壤、 河流酸化，腐蚀金属，损害土地健康，破坏动植物的生长，严重危害生态 环境。近年来S 0 2 排放的总量统计见图1 ．1 。 图i ．1 为近年来S 0 2 排放的总量统计【1 1 F i g u r e1 ．1 t h et o t a la m o u n to f s t a t i s t i c so f S 0 2e m i s s i o n si nr e c e n ty e a r s [ 1 l 2 0 0 6 年，二氧化硫排放量为2 5 8 8 ．8 万吨，在世界上排列第1 位。若 不采取消减措施，2 0 2 0 年我国S 0 2 排放量将会达到3 5 0 0 万吨【s 1 。 近年来，由S 0 2 、C 0 2 引起的酸雨、温室效应和臭氧层枯竭等威胁着 人类的生存户抓好酸雨和S 0 2 污染的控制是国家环保工作的重点之一。我 国对8 0 2 排放造成的酸雨和大气污染问题十分重视，电力污染早己引起政 府有关部门的高度关注，国家环保总局、国家经贸委等先后颁布火电厂 2 辽宁科技大学硬士论文第1 章绪论 大气污染物排放标准、火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要 点等行政法规，并采用政策规制和经济杠杆来促使火电企业实施环保措 施，以期实现电力产业向环保化发展的政策⋯。国民经济和社会发展“十一 五”规划纲明确提出，到2 0 1 0 年全国二氧化硫排放总量必须控制在2 2 9 5 万吨【4 1 。这是约束性指标，是党中央、国务院向全国人民的庄严承诺。 1 ．2 国内外烟气脱硫技术的发展与现状 S 0 2 引起的环境污染越来越严重，国内外学者对脱硫进行了大量的研 究。目前，国内外已工业化的和正在研究与开发的烟气脱硫技术已有上百 种，归纳起来可分为湿法、半干法和千法三大类。 1 ．2 ．1 湿法 所谓湿法就是使用液体吸收剂一碱性溶液作为脱硫剂，利用吸收原理 吸附吸收脱除烟气中二氧化硫的烟气脱硫方法。该方法具有脱硫反应速度 快、设备简单、脱硫效率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行费用较大， 易造成二次污染等不足‘2 l 【9 】⋯】。目前，湿法烟气脱硫法主要有石灰／石灰石 一石膏法、氨水法、海水洗涤法、氧化镁法等。 1 石灰／石灰石．石膏法 以石灰石或石灰浆液作脱硫剂，除去烟道气中的二氧化硫并产生副产 品石膏的一种技术。石灰／石灰石．石膏法工艺成熟，脱硫率可达9 0 ％以上， 是我国目前引进烟气脱硫装置采用的主要方法。其主要缺点是投资大、占 地面积大、运行费用高及设备易发生堵塞和磨损等川【2 】【1 0 】【“1 。 2 氨水法 氨是一种良好的碱性吸收剂，用氨吸收烟气中的S 0 2 反应速度快，吸 收剂利用率高，脱硫产物为硫酸氨化肥。锅炉排出的烟气进入吸收塔，在 吸收塔烟气中的S 0 2 被氨水洗涤吸收除去，烟气经塔顶的除雾器除去雾滴， 再经烟气换热’器加热后经烟囱释放。脱硫产生的硫酸氨溶液排出吸收塔 后，可以送到化肥厂进一步处理或直接作为液体氮肥出售，也可以把这种 溶液进一步浓缩蒸发干燥加工成颗粒、晶体或块状化肥出售。氨法主要优 点是脱硫效率高，副产品可作为农业肥料。由于氨易挥发，使吸收剂消耗 量增加，脱硫剂利用率不高脱硫对氨水的浓度有一定的要求，若氨水浓 3 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 度太低，不仅影响脱硫效率，而且水循环系统庞大，使运行费用增大；浓 度增大，势必导致蒸发量的增大，对工作环境产生影响。而且氨易与净化 后烟气中的S 0 2 反应，形成气溶胶，使得烟气无法达标排放。 氨法的回收过程也是较为困难的，投资费用较高，需配备制酸系统或 结晶回收装置，系统复杂，设备繁多，管理、维护要求高【1 】f 2 l 【1 3 】f I5 1 。 3 海水洗涤法 海水洗涤技术是近年来发展起来的一项新技术。它是利用海水的碱度 使之脱除烟气中的S 0 2 。在脱硫吸收塔内，用大量海水喷淋洗涤进入吸收 塔内的烟气，烟气中的S 0 2 被海水吸收而除去，净化后的烟气经除雾器、 再经烟气加热后排放。吸收S 0 2 后的海水经曝气池曝气处理，使其中的亚 硫酸根离子被氧化成硫酸根离子后排出大海。 海水洗涤法脱硫技术成熟简单，运行成本低，无固体废物排放，具有 较高的脱硫率。海水脱硫工艺一般适用于海边、扩散条件好、用海水作为 冷却水、燃用低硫煤的电厂。近几年，海水脱硫工艺在电厂的应用取得了 较快的进展。此种工艺最大问题是烟气脱硫后可能产生的重金属沉积和对 海洋环境的影响需要长时间的观察才能得出结论，因此在环境质量比较敏 感和环保要求较高的区域需慎重考虑【1 】【2 | I l l l [ t 2 ] 。 4 氧化镁法 氧化镁法采用氧化镁与S 0 2 反应得到亚硫酸镁与硫酸镁，它们通过煅 烧可重新分解出氧化镁，同时回收较纯净的S 0 2 气体，脱硫剂可循环使用。 由于氧化镁活性比石灰水高，脱硫效率也较石灰法高。它的缺点是氧化镁 回收过程需要煅烧，工艺较复杂，但若直接采用抛弃法，镁盐会导致二次 污染，总体运行费用也较高‘1 】【2 1 1 17 1 。 1 ．2 ．2 半干法 所谓半干法是在气，液、固三相中脱除烟气中二氧化硫的烟气脱硫方 法，脱硫产物为干粉状。该方法采用湿态吸收剂，在吸收装置中吸收剂被 烟气的热量所干燥，并在干燥过程中与S 0 2 反应生成干粉状脱硫产物。半 干法脱硫的特点是反应在气、固、液三相中进行，利用烟气热量蒸发吸 收液中的水分，使最终产物为干粉状，脱硫废渣一般抛弃处理。半干法主 要有喷雾干燥法、烟气循环流化床法等【2 l 。 辽宁科技大学硬士论文第1 章绪论 1 喷雾干燥法 喷雾干燥烟气脱硫技术一般以石灰为脱硫吸收剂，在吸收塔内，被雾 化成细小液滴的吸收剂和烟气充分接触，与烟气中的S 0 2 发生化学反应生 成固态产物，同时，吸收剂带入的水分迅速被蒸发而干燥，烟气温度随之 降低。脱硫反应产物及未被利用的吸收剂以干粉形式一部分在塔内分离由 锥体出口排出，另一部分随烟气带出吸收塔，进入除尘器被收集下来。为 了提高脱硫吸收剂的利用率，一般将部分除尘器收集物加入制浆系统进行 循环使用[ 1 2 1 1 16 1 。 喷雾干燥烟气脱硫技术成熟、工艺流程较为简单、系统可靠性高等特 点，脱硫效率可达8 5 ％以上，且不产生废水，但系统的运行费用高，其石 灰脱硫剂耗量比湿法脱硫大，脱硫的钙硫摩尔比为1 ．5 左右。运行中存在 的主要问题是雾化喷嘴结垢、磨损、破裂及吸收塔内壁面上结垢等‘1 】【2 】【1 0 】。 2 烟气循环流化床法 烟气循环流化床工艺以循环流化床的反应原理为基础，充分利用了循 环流化床独有的特点，包括两相间优越的传热与传质，吸收剂多次循环且 接触反应时间长，能达到9 0 ％～9 5 ％以上的脱硫效率，相当于湿法烟气脱 硫效率，但其投资和运行费用较高川【2 】【l2 1 。 1 ．2 ．3 干法 所谓干法是利用固体吸收剂通过气一固吸附吸收作用脱除烟气中的 烟气脱硫方法。干法脱硫的工艺特点是反应在无液相介入的完全干燥状 态下进行，反应产物为干粉状；能处理大量的排烟，用水量少、无污水废 酸排出；但硫氧化物的吸收反应速度较慢【2 1 【l 。干法主要有炉内喷钙加尾 部增湿活化脱硫法、电子束法、活性炭吸附法等。 1 炉内喷钙加尾部增湿活化脱硫法 炉内喷钙加尾部增湿活化脱硫法是在炉内喷钙脱硫技术的基础上发 展起来的，炉内喷钙后在锅炉尾部设增湿段，在尾部增湿活化反应器内， 增湿水以雾状喷入，与未反应的氧化钙接触生成氢氧化钙，进而与烟气中 的二氧化硫反应，以提高脱硫效率。增湿水由于烟温加热被迅速蒸发，未 反应的吸收剂和反应产物呈干燥状态随烟气被除尘器收集下来。当钙硫比 在2 ．O ～2 ．5 时，系统脱硫效率可达到6 5 ％～8 0 ％，且无废水l l 儿”。喷雾干 燥烟气脱硫工艺根据所采用的喷雾雾化器的形成不同可分为两类，旋转喷 辽宁科技大学硬士论文 第1 章绪论 雾干燥脱硫和气液两相流喷雾干燥脱硫。但脱硫效率仍低于湿法烟气脱硫 [ 1 2 1 1 1 3 1 。 2 电子束法 电子束法是等离子体发生技术的一种，电子束是利用电子加速器束产 生高能电子。锅炉所排出的烟气，经除尘后进入冷却塔，在冷却塔内由喷 雾水冷却到适合于脱硫、脱硝处理的温度。通过冷却塔后的烟气进入反应 器，在反应器进口处将一定的氨水、压缩空气和软水混合喷入，受高能电 子束照射后，烟气中的S 0 2 、N O x 、H 2 0 、0 2 分子被激活、电离甚至裂解， 产生大量离子和自由基等活性物质。由于自由基的强氧化必使S 0 2 、N O x 被氧化，在注入氨的情况下，生成粉状微粒。这些粉状微粒一部分沉淀到 反应器底部，通过输送机排出，其余由除尘器分离和捕集【】。电子柬工艺 流程简单、运行维护方便；对负荷变化的适应能力较强；一次投资和运行 费用低于常规方法；无二次污染产生，无堵塞、腐蚀和泄露等问题；处理 后的烟气一般无需再加热，可直接经烟囱排放；占地面积约为常规方法的 l ／2 ～1 ／3 。但电子束法需要大功率、耐受辐照高温引起腐蚀的电子枪，及 防辐射屏蔽，且运行、维护技术要求高【1 】【2 1 1 1 3 l 。 3 活性炭吸附法 活性炭作为吸附剂，在工业上已经成熟应用。脱硫原理为活性炭对 烟气的S 0 2 吸附过程中，既有物理吸附又有化学吸附，当烟气中存在着氧 气和水蒸气时，化学反应较为明显。因此活性炭表面对S 0 2 与0 2 的反应 有催化作用，反应以后生成S 0 3 ，S 0 3 易溶于水而生成硫酸，从而使吸附 量比物理吸附时大的多。吸附了S 0 2 的活性炭，由于其外表覆盖了稀硫酸， 使其吸附能力大大下降，因此，必须对其再生。再生的方法通常有洗涤再 生和加热再生，洗涤再生是用清水洗出活性炭微孔中的硫酸，再将活性炭 进行干燥；加热再生是对吸附有S 0 2 的活性炭加热，使碳与硫酸发生反应， 将H 2 s 0 4 还原成S 0 2 ，富集后的S 0 2 可用来生产硫酸【1 】【2 】。由于活性炭吸 附工艺简单，脱硫效率高，脱硫剂可再生循环使用，脱硫过程不用水，无 需废水处理装置，没有二次污染问题，碱、盐类对活性炭没有影响，吸附 剂不会中毒等优点使活性炭法烟气脱硫技术有着广阔的发展前景【1 3 1 。 1 ．2 ．4 烟气脱硫技术比较 a 湿法脱硫技术成熟，工业应用广泛，脱硫效率高，运行可靠，操 6 辽宁科技大学硬士论支第l 章绪论 作简便等优点，但脱硫产物的处理比较麻烦，烟温降低不利于扩散，传统 湿法的工艺较复杂，占地面积和投资较大【1 4 儿1 8 儿2 们。 b 半干法、干法烟气脱硫技术投资省，占地面积小，操作简单，脱 硫产物容易以硫资源回收，较宽的脱硫效率范围使其具有较强的适应性， 综合经济性能较好，但脱硫设备庞大。干法、半干法的脱硫产物为干粉状， 处理容易，工艺较简单，投资一般低于传统湿法【1 8 1 【l9 1 。 对于脱硫方法使用温度来说，湿法温度较低为3 0 ～4 0 ℃，半干法温度 次之为5 0 ～6 0 ℃，两者脱硫后烟气需要提高温度才能达到烟筒排放要求。 此外，占湿法脱硫主要地位的石灰 石灰石 一石膏工艺中，最终得到的 副产品是石膏。由于石膏的天然储量丰富，价格便宜，所以绝大部分这种 副产品只能当作废物处理掉，这会占用许多土地【2 0 1 【2 。因此，干法烟气脱 硫技术特别是活性炭吸附法脱硫技术除了可减少固体废物，吸附的硫氧化 物在再生时还可以释放出来。以稀硫酸或单质硫的形式，作为副产品加以 回收利用，是符合我国特点的硫资源化烟气脱硫技术【1 1 1 2 儿2 1 1 。 1 ．3 活性炭法烟气脱硫技术现状 1 ．3 ．1 活性炭吸附法烟气脱硫简介 活性炭烟气脱硫技术采用活性炭这种多孔介质，通过吸附作用对烟气 中的S 0 2 进行脱除。吸附法烟气脱硫，是利用多孔性固体吸附剂处理含S 0 2 烟气，使烟气中所含的S 0 2 组分吸附于固体表面上，以达到烟气脱硫的目 的。吸附法烟气脱硫的优点是设备简单，操作方便，可实现自动控制， 能有效地回收S 0 2 ，实现废物资源化。中国的硫资源短缺，从硫资源利用、 环境保护及可持续发展的需要出发，烟气脱硫应优先选用回收法。吸附烟 气脱硫中，常见的吸附剂是活性炭。活性炭烟气脱硫法与采用碱性吸收剂 的湿法、干法、半干法比较具有以下优点1 2 5 ] 1 烟气通过吸附剂后不会降低温度，脱硫后易于排烟； 2 活性炭烟气脱硫法属于法脱硫，不存在排水处理问题； 3 没有湿法脱硫那样的堵塞问题； 4 作为吸附剂的活性炭可再生重复利用，不产生废弃物，无二次 污染问题； 5 利用活性炭脱硫技术还可回收副产品稀H 2 S 0 4 ，产生经济效益 7 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 6 脱硫效率高。 活性炭吸附法能同时进行脱硫、脱硝处理，脱硝率可达5 0 ～8 0 ％。另 外该方法具有投资不太高、能耗低、运行平稳的优点，是一种很值得研究、 并且有工业应用前景的方法。 l 。3 ．2 国外活性炭法烟气脱硫现状 活性炭法烟气脱硫技术已经有近五十年研究应用历史，早期的技术研 究及应用主要集中在德国、日本、美国等国。德国的B F 公司于1 9 5 7 年 现 在的D M T 公司 就开始研制了R e i n l u f t 法脱硫技术，日本则在6 0 年代中 期开始研究活性炭脱硫，到7 0 年代已分别有处理量为4 2 x 1 0 4 m 3 ／h 和 1 7 ．5 1 0 4 m 3 ／h 的工业装置开始运行。德国的鲁奇公司也较早的进行了水洗 再生活性炭烟气脱硫工艺的研究。据报道，活性炭法烟气脱硫工艺曾被用 来处理硫酸厂1 7 0 0 0 m 3 ／h 的尾气和一个2 0 0 0 k w 燃煤电厂的烟气，但未见 其进一步报道。随着炭法烟气脱硫技术在国外的发展与成熟，各个国家都 形成了具有自己特色的炭法烟气脱硫技术，比较有代表性的如德国的B F 法、R e i n l u f t 法、L u r g i 法；日本的日立法、住友法；美国的W e s t r a c o 法。 各国之间还不断进行炭法脱硫技术的转让及合作，又形成了新的炭法烟气 脱硫技术，比如，德国B F 公司开发的活性焦吸附法，将其技术专利转让 给日本三井矿山公司 M M C ，M M C 对B F 法进行改进，使其可以同时脱硫 脱硝，形成M i t s u i - - B F 法；1 9 8 5 年，三井矿山公司与德国B F 公司签订了 新专利转让合同，将技术重返B F 公司，该技术成功的应用在德国的阿茨 博格电厂；1 9 9 2 年，美国的M E T 公司与M M C 签订协议，获得了M i t s u i - - B F 技术在北美市场的设计、安装等许可，并对其进行设计，形成了 M E T ～M i t s u i B F 活性焦技术，这项技术主要应用于对烟气中S 0 2 、N O x 和有毒物质的去除。由此可见，活性炭法烟气脱硫技术在国外发展的速度 是十分迅速的f 2 ”。 ’ 1 ．3 ．3 国内活性炭法烟气脱硫现状 在活性炭法烟气脱硫技术方面，我们起步也较早。从上世纪7 0 年代 中期开始，为了适应电厂烟气脱硫的要求，我国开展了利用含碘活性炭、 糠醛渣活性炭催化剂消除并回收烟气中S 0 2 的研究，先后也进行了中试和 3 辽宁科技大学硕士论文 第1 章绪论 工业放大试验。如在湖北松木坪电厂进行的5 0 0 0 N m 3 ／h - r 业试验。国内的 多家研究单位也大多致力于对活性炭本身的研究，大连物化所为了降低活 性炭成本，研制的糠醛渣活性炭；四川大学李嫒、黄丽华等人进行的新型 规整炭材料的研究中科院山西煤化所和燃科院北京煤化所也进行了煤基 活性炭的研究工作。但是，活性炭法烟气脱硫技术的应用并没有跟上活性 炭脱硫剂研究的步伐，到目前为止，所见关于活性炭法烟气脱硫技术较大 规模工业应用的报道，也仅有四川宜宾豆坝电厂处理烟气量为 1 0 1 0 4 N m 3 ／h 的磷铵肥法项目和贵州宏福实业建立的处理量为 2 0 x 1 0 4 N m 3 ／h 活性焦脱硫工业应用装置【2 “ 。 1 ．4 本章小结 本章介绍了我们环境污染的现状及S 0 2 对人类生存的危害，S 0 2 排放 量的降低已经成为制约经济发展的一个重要原因。而我国是以煤炭为主要 能源的国家，电力以煤炭为主的格局在短期内不会改变。燃煤烟气中的S 0 2 直接排放到大气，污染严重。虽然我国一直致力于烟气脱硫工艺，但是二 次污染、操作费用、装置能否稳定运转等原因是阻碍整个脱硫技术发展盼 主要原因。另外介绍了国内外三大类烟气脱硫技术，通过对各种脱硫方法 优缺点的比较，干法烟气脱硫越来越多地受到人们的青睐。而干法脱硫中 的活性炭吸附法烟气脱硫技术投资不太高、能耗低、运行平稳的优点，孳并 能同时进行脱硫、脱硝处理 本文只考虑活性炭在脱硫上的应用 ，具有 广