摘要：以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭，并將其用于煙氣脫硫。制備活性炭的較佳工藝條件：碳化溫度為600℃；碳化時間為1.0h；活化溫度為900℃；活化時間為1.5h；水蒸氣流量為406mL/min�；钚蕴康牧蛉蓦SSO2、O2和水蒸氣的體積分數(shù)的增加而增加；隨反應(yīng)器床層溫度升高，活性炭的硫容先升高后下降。在床層溫度為80℃，SO2、O2和水蒸氣體積分數(shù)分別為0.5%、5.0%和12.0%，N2為載氣的條件下，活性炭的硫容較大，為72.3mg/g。
燃煤排放的SO2是形成“酸雨”的主要原因之一，會給環(huán)境造成嚴重污染，同時，煙氣中的SO2是生產(chǎn)硫酸、化肥和其他一系列重要化學(xué)品的基本原料，是一種不可忽視的硫資源�；钚蕴扛煞摿蚬に嚲哂忻摿蜻^程耗水量少、無二次污染、脫硫后煙氣溫度高硫便于回收等優(yōu)點，目前已受到廣泛應(yīng)用。與木質(zhì)和果殼活性炭相比，煤質(zhì)活性炭具.有原料來源廣、 價格低、易再生、抗磨損等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于水處理、溶劑回收、脫色凈化、氣體分離及氣體凈化等領(lǐng)域。
本工作以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭，并將其用于煙氣脫硫，效果良好。
1 實驗部分
1.1 原料、試劑和儀器
煙煤取自山西省某煤礦，其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。實驗所用試劑均為分析純；實驗用水為蒸餾水。
表1 煙煤的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果
| 工業(yè)分析（質(zhì)量分數(shù)，%） | 元素分析（質(zhì)量分數(shù)，%） | |||||||
| 水分 | 灰分 | 揮發(fā)分 | 固定碳 | C | H | O | N | S |
| 3.15 | 11.31 | 25.56 | 59.98 | 73.44 | 3.76 | 10.23 | 1.01 | 0.25 |
SK-2-10型高溫管式電阻爐：南京電爐廠；
BS-210S型電子分析天平：德國Sartorius公司；101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥器；天津市泰斯特儀器有限公司；SY-9302B型質(zhì)量流量計；北京圣業(yè)科技發(fā)展有限公司；XMT型數(shù)顯調(diào)節(jié)儀；浙江余姚長江溫度儀表；ASAP2000M型比表面積分析儀；美國Micromertics公司。
1.2 實驗方法
1.2.1 活性炭的制備
將煙煤粉碎至0.4~0.6mm，在110℃條件下干燥12h后置于管式電爐中，N2氣氛下，在一定溫度下碳化一定時間，然后將碳化產(chǎn)物在一定的水蒸氣流量下活化一定時間，得到活性炭。
1.2.2 煙氣脫硫
煙氣脫硫?qū)嶒炘趦?nèi)徑12mm、長300mm的固定床反應(yīng)器中進行。將活性炭置于固定床反應(yīng)器中，然后加熱固定床反應(yīng)器至實驗溫度，通入模擬煙氣，當(dāng)固定床反應(yīng)器進、出口SO2體積分數(shù)無變化時停止實驗。模擬煙氣組成（體積分數(shù)）：SO20.1%~0.9%、O22%~12%、水蒸氣2%~12%其余為N2。
1.3 分析方法
采用碘量法測定煙氣中SO2的體積分數(shù)。硫容為活性炭煙氣脫硫?qū)嶒炌Ｖ箷r，單位質(zhì)量活性炭吸附的SO2質(zhì)量。
2 結(jié)果與討論
2.1 制備條件對硫容的影響
2.1.1 碳化溫度對硫容的影響
在碳化時間為1.0h、活化溫度為900℃、活化時間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，碳化溫度對硫容的影響見圖1。
由圖1可見，碳化溫度為600℃時，硫容很大。碳化溫度過低，揮發(fā)份析出較少，活性炭的空隙度不夠，硫容減��；碳化溫度過高，縮聚加劇，活性炭的結(jié)構(gòu)變得致密，使活性炭的反應(yīng)活性降低，硫容減小。本實驗較佳碳化溫度為600℃。
2.1.2 碳化時間對硫容的影響
在碳化溫度為600℃、活化溫度為900℃、活化時間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，碳化時間對硫容的影響見圖2。由圖2可見：開始碳化的1.0h內(nèi)，硫容加大；延長碳化時間，硫容略有減小。本實驗較佳碳化時間為1.0h。
2.1.3 活化溫度對硫容和活性炭得率的影響
在碳化溫度為600℃、碳化時間為1.0h、活化時間為1.5h、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，活化溫度對硫容和活性炭得率的影響見圖3。由圖3可見：隨活化溫度升高，反應(yīng)活性提高，在相同活化時間內(nèi)反應(yīng)掉的碳的質(zhì)量增加，活性炭的得率降低；活化溫度為900℃時，硫容大；繼續(xù)升高活化溫度，硫容增加量很少且活性炭得率下降。綜合考慮，本實驗碳化產(chǎn)物的較佳活化溫度為900℃。
2.1.4 活化時間對硫容和活性炭得率的影響
在碳化溫度為600℃、碳化時間為1.0h、活化溫度為900℃、水蒸氣流量為406mL/min的條件下，活化時間對硫容和活性炭得率的影響見圖4。
由圖4可見：隨活化時間的增加，活性炭得率下降；活化時間為1.5h時，硫容大；綜合考慮，本實驗碳化產(chǎn)物的較佳活化時間為1.5h。
2.1.5 水蒸氣流量對硫容和活性炭得率的影響
在碳化溫度為600℃、碳化時間為1.0h、活化溫度為900℃、活化時間為1.5h的條件下，水蒸氣流量對硫容和活性炭得率的影響見表2。由表2可見，隨水蒸氣流量增加，活性炭得率下降,，硫容增加；水蒸氣流量為406 mL/min時，硫容很大；繼續(xù)增加水蒸氣流量，水蒸氣繼續(xù)與活性炭反應(yīng)，使活性炭部分孔結(jié)構(gòu)坍塌，致使硫容減小。因此，較佳水蒸氣流量為406mL/min。
表2 水蒸氣流量對活性炭得率和硫容的影響
| 水蒸氣流量/（mL·min-1） | 活性炭得率，% | 硫容/（mL·min-1） |
| 156 | 66.4 | 48.1 |
| 288 | 58.5 | 60.2 |
| 406 | 53.2 | 65.8 |
| 528 | 37.2 | 64.1 |
2.2 脫硫工藝條件對硫容的影響
2.2.1 SO2體積分數(shù)對硫容的影響
在反應(yīng)器床層溫度為100℃、水蒸氣體積分數(shù)為12%、O2體積分數(shù)為5%、N2為載氣的條件下，SO2體積分數(shù)對硫容的影響見圖5。由圖5可見，隨SO2體積分數(shù)增加，硫容增加，因為煙氣中SO2的體積分數(shù)越大，其擴散推動力就越大，從氣相向活性炭表面的擴散速率也越快，從而增加了活性炭的硫容。
2.2.2 O2體積分數(shù)對硫容的影響
在反應(yīng)器床層溫度為100℃、SO2體積分數(shù)為0.5%、水蒸氣體積分數(shù)為12%、N2為載氣的條件下，O2體積分數(shù)對硫容的影響見圖6。由圖6可見，硫容隨O2體積分數(shù)的增加而增大加。當(dāng)O2體積分數(shù)較低時，O2在活性炭表面吸附的推動力較低， 吸附速率較低，被吸附的O2量較少，SO2的催化氧化就會受到限制，從而導(dǎo)致硫容相對較小，而當(dāng)O2體積分數(shù)升高時，促進了SO2在活性炭表面的催化氧化，硫容相應(yīng)增加。
2.2.3 水蒸氣體積分數(shù)對硫容的影響
在反應(yīng)器床層溫度為100℃、SO2體積分數(shù)為0.5%、O2體積分數(shù)為5%、N2為載氣的條件下，水蒸氣體積分數(shù)對硫容的影響見圖7。由圖7可見，隨水蒸氣體積分數(shù)增加，硫容增加。一般而言，在活性炭的干燥表面上有利于SO2與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成SO3，而活性炭微孔中吸附的水分有利于產(chǎn)物H2SO4的生成及轉(zhuǎn)移，即活性炭微孔中的水分有助于SO，從其表面活性位上解離，使活性位釋放出來，從而使吸附得以繼續(xù)。當(dāng)水蒸氣體積分數(shù)較低時，將導(dǎo)致活性炭表面干燥過快，影響產(chǎn)物H2SO2的生成和轉(zhuǎn)移；當(dāng)水蒸氣體積分數(shù)增加時，活性炭微孔表面吸附水的濃度增加，因此生成H2SO，的速率加快，當(dāng)生成的H2SO4較多時，被吸附的水同時作為一種洗脫劑將吸附的H2SO4洗掉，并將其儲存在活性炭的孔內(nèi)，從而釋放活性位，促進脫硫反應(yīng)的進行，提高活性炭的硫容。
2.2.4 反應(yīng)器床層溫度對硫容的影響
在SO2、O2和水蒸氣體積分數(shù)分別為0.5%、5%和12%，N2為載氣的條件下，反應(yīng)器床層溫度對硫容的影響見圖8。
由圖8可見：隨反應(yīng)器床層溫度升高，硫容先增大后減小。這是因為，各組分在活性炭上的吸附首先是物理吸附，然后才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附，較高的床層溫度不利于物理吸附。床層溫度為80℃時的硫容很大，達到72.3 mg/g，60℃次之，因為60℃時的水蒸氣容易冷卻形成水膜，附著在活性炭表面而阻礙氣體向活性炭內(nèi)部的擴散，從而導(dǎo)致硫容減小。
3 結(jié)論
a) 以煙煤為原料，采用氣體活化法制備活性炭的較佳工藝條件為：碳化溫度600℃、碳化時間1.0h、活化溫度900℃、活化時間1.5h、水蒸氣流量406mL/min。
b) 將所制備的活性炭用于煙氣脫硫?qū)嶒�，活性炭的硫容隨SO2體積分數(shù)、O2體積分數(shù)和水蒸氣體積分數(shù)的增加而增加；隨反應(yīng)器床層溫度升高，硫容先增加后減小。在床層溫度為80℃，SO2、O2和水蒸氣體積分數(shù)分別為0.5%、5%和12%，N2為載氣的條件下，活性炭的硫容大，為72.3mg/g。