柱狀活性炭脫硫脫氮工作原理

我國大部分火電廠面臨著加強(qiáng)控制機(jī)SO2和NOx排放問題。目前限制推廣脫硫脫氮技術(shù)的主要因素是初投資大、運(yùn)行費(fèi)用高、治污產(chǎn)物利用難、存在已訂車很多股的二次污染。

柱狀活性炭吸附法脫硫脫氮技術(shù)具有能夠?qū)崿F(xiàn)治污產(chǎn)物資源化利用，脫硫脫氮效率高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種發(fā)展前景的脫硫脫氮技術(shù)。在各種煙氣治理方法中，活性炭吸附法是**一種能脫附煙氣中每一種雜質(zhì)的方法，其中包括SO2、氮氧化物、煙塵粒子、汞、二惡英、呋喃、重金屬、揮發(fā)分有機(jī)物及其它微量元素。發(fā)展此類煙氣脫硫脫氮技術(shù)，有效控制我國燃燒SO2和NOx排放，對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1.柱狀活性炭脫硫脫氮原理

1.柱狀活性炭脫硫原理

柱狀活性炭對(duì)SO2的吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附。當(dāng)煙氣中無水蒸汽和氧氣存在時(shí)，主要發(fā)生物理吸附，吸附量較小。當(dāng)煙氣中含有足量水蒸汽和氧，柱狀活性炭法煙氣脫硫除塵器是一個(gè)化學(xué)吸附和物理吸附同時(shí)存在的過程，首先發(fā)生的是物理吸附，然后在有水和氧氣存在的條件下將吸附到活性炭表面的SO2催化氧化為H2SO4，二氧化硫的吸附量增大。

1.2柱狀活性炭脫氮原理

利用柱狀活性炭脫氮的技術(shù)可以分為吸附法、NH3選擇性催化還原法和熾熱炭還原法。

吸附法是利用柱狀活性炭的微孔結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)吸附NOx,并將反應(yīng)活性較低的NO氧化為反應(yīng)活性較高的NO2。關(guān)于柱狀活性炭吸附NOx的機(jī)理，研究人員還存在較大的分歧。NH3選擇性催化還原法是利用柱狀活性炭吸附NOx,降低NOx與NH3的反應(yīng)活化能，提高NH3的利用率。

熾熱炭還原法是在高溫下利用炭與NOx反應(yīng)生成CO2和N3。其優(yōu)點(diǎn)是不需要催化劑，固體炭質(zhì)價(jià)格便宜，來源廣，反應(yīng)生成的熱量可以回收利用。然而動(dòng)力學(xué)研究表明，O2于炭的反應(yīng)先于NOx與炭的反應(yīng)，故煙氣中O2的存在使炭的消耗量增大。

2.機(jī)理性研究

2.1 有H2O

存在時(shí)的柱狀活性炭脫硫反應(yīng)過程，柱狀活性炭法煙氣脫硫不同于其他的煙氣脫硫技術(shù)，是以傳統(tǒng)的微孔吸附原理為理論基礎(chǔ)的一門技術(shù)。然而，這種吸附作用于常用的工業(yè)吸附凈化水的技術(shù)有著很大的區(qū)別，由于涉及到多組分物質(zhì)的吸附傳質(zhì)，使其吸附作用十分復(fù)雜。在有水存在的條件下，在柱狀活性炭表面附近、表面上、中孔大孔內(nèi)以及微孔內(nèi)，均可能形成水、水蒸汽、SO2、SO32-、SO42-等多種組分的復(fù)雜混合體，這些分子和離子的存在和數(shù)量，或可促進(jìn)吸附性能的提高，也有可能制約柱狀活性炭的吸附能力。H2O的參與從根本上改變了SO2在炭表面的反應(yīng)機(jī)理，有關(guān)具體反應(yīng)過程中的假說眾說紛紜。

**種認(rèn)為SO2和O2存在競爭活性位的現(xiàn)象，在可能存在的三種氧化反應(yīng)中，只有下式可以順利進(jìn)行：

C-SO2+O2+C→C-SO3+C-O，即只有氣態(tài)的氧才可以與吸附態(tài)的SO2反應(yīng)。任務(wù)內(nèi)H2O、SO2和O2分子可被柱狀活性炭吸附，只要它們之間滿足足夠近的距離和一定的空間構(gòu)型，彼此之間就可以直接反應(yīng)，并*終生成H2SO4。在這種理論模型中，氧化反應(yīng)式為：C-SO2+C-O→C-SO3+C上式為反應(yīng)的控制步驟，而其余步驟的反應(yīng)都依賴于該反應(yīng)的順利進(jìn)行。

第二種認(rèn)為H2O的參與改變了SO2在炭表面的反應(yīng)機(jī)理，在無H2O的條件下，氧化反應(yīng)不能進(jìn)行。在有水存在的條件下，柱狀活性炭表面的吡喃酮官能團(tuán)和離域TT電子均會(huì)與H2O分子反應(yīng)生成H2O2,而H2O2可以將SO2溶于水后形成H2SO2氧化成為H2SO4。經(jīng)過多年深入細(xì)致的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為在有水存在的條件下，有效吸附位的數(shù)量并非是由微孔溶劑和微孔數(shù)量決定的，微孔填充理論并不適用于水洗脫附條件下的柱狀活性炭脫硫，理論均不適用于此種技術(shù)，第二種理論分析是一種較為合理的解釋，柱狀活性炭表面應(yīng)遵循以下反應(yīng)式：

SO2·H2O+H2O2→2H++SO2-4+H2O

2.2柱狀活性炭選擇吸附SO2和NOx

對(duì)柱狀活性炭脫硫脫氮性能和機(jī)理以及SO2和NOx在柱狀活性炭上競爭吸附的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。以高純度的SO2、空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實(shí)際工業(yè)煙氣，研究表明，柱狀活性炭對(duì)SO2的吸附主要是化學(xué)吸附，柱狀活性炭具有較高的脫硫效率，脫硫效率大于96%，以高純度的NOx、空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實(shí)際工業(yè)煙氣，研究表明，柱狀活性炭對(duì)NOx的吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附，在氣流中無SO2氣體存在的條件下，柱狀活性炭具有較高的脫氮效率，柱狀活性炭達(dá)到動(dòng)態(tài)吸附平衡是，脫氮效率大于75%。

以高純度的SO2、NOx、空氣和水蒸汽的混合氣體來模擬實(shí)際工業(yè)煙氣，研究表明，氣流中同時(shí)存在SO2和NOX時(shí)，柱狀活性炭吸附SO2的容量和吸附飽和時(shí)間增加，而脫硫效率、吸附速度和吸附帶長度變化很小。由于物理吸附的NOx被SO2置換解析，柱狀活性炭吸附SO2的容量和動(dòng)態(tài)吸附平衡時(shí)間急劇下降，脫氮效率很低，NOx的吸附帶長度增加，吸附速度下降。SO2和NOx都不會(huì)單獨(dú)占據(jù)柱狀活性炭吸附中心，而是共同存在與柱狀活性炭吸附中心，柱狀活性炭有限選擇吸附SO2，物理吸附的NOx被SO2置換解析?；瘜W(xué)吸附的NOx能夠促進(jìn)柱狀活性炭對(duì)SO2的吸附。SO2也能夠促進(jìn)柱狀活性炭對(duì)NOx的吸附。