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本文綜述了基於碳材料的燃煤煙氣硫脫除及資源化的研究進展，分析了碳材料內SO2多相反應機制及其影響因素，討論了碳材料再生及硫資源化路徑。在此基礎上，提出了高性能煤基活性焦的低成本宏量製備的技術需求。
作者
曲智斌，孫 飛，皮信信，郄志鵬，高繼慧
作者單位
哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院
摘要
中國發電煤耗每年近20億t，雖然傳統溼法脫硫工藝能夠實現燃煤汙染物SO2的有效控制，但由於存在水耗高、副產劣質石膏量大難用等缺點，面臨可持續發展困境。相比之下，基於多孔碳材料的SO2脫除技術由於具備水耗少、無二次汙染、汙染物可資源化回收、吸附劑可再生利用等優點，是重要的發展方向。筆者綜述了目前基於碳材料吸附、催化過程的燃煤煙氣硫脫除及資源化研究進展，論述了碳材料資源化脫硫工藝的關鍵技術環節，最後提出了燃煤煙氣硫脫除及資源化的未來科學和技術方向。碳材料內SO2吸附-催化反應機制及產物遷移路徑，重點討論了碳材料孔結構、官能團、金屬氧化物負載對SO2吸附轉化及副產物遷移的影響。
研究表明，碳材料分級孔結構內存在SO2吸附轉化以及產物硫酸的遷移過程；在碳材料中摻雜以氮和氧為代表的非碳元素能改變碳平面的電子結構，調控SO2在碳材料中的吸附和催化氧化過程。因此，碳材料孔隙與功能性官能團的協同定向構築是強化碳材料吸附轉化SO2、提升脫硫性能的有效方式。脫硫飽和碳材料再生及硫資源化回收技術路徑，重點討論了碳熱還原方法將SO2資源化轉化為硫磺的影響因素。熱再生能耗高、活性焦質量損失嚴重；水洗再生效率低，活性焦循環脫硫能力差，高效再生需要活性焦不同尺度孔隙結構的有效配組，以強化物質輸運擴散；在各種脫硫副產物中，硫磺物質量小、價值高、便利儲運，是理想的資源化回收目標；碳基還原劑活性與選擇性的調控是實現高效硫磺生成的關鍵。論述了高性能煤基活性焦的低成本宏量製備方法，重點討論了強化脫硫過程的分級孔活性焦低成本製備方法。傳統柱狀活性焦製備工藝複雜、成本高且孔隙結構呈微孔分佈，存在內擴散阻力大、內表面利用率低、SO2脫除及再生脫附性能差等問題。破碎或顆粒狀活性焦有望降低活性焦製備成本且實現活性焦孔隙的深度調控，但結構穩定性(強度)的提升是關鍵。通過催化活化、配煤、催化石墨化方法，可望實現兼具高活性和高結構穩定性的脫硫活性焦製備。
文中插圖
圖1 活性焦對SO2脫除及資源化過程示意及具體的多相反應路徑
圖2 各類用於SO2脫除的碳材料及微觀本質
圖3 活性焦分級孔隙內SO2吸附轉化及H2SO4遷移過程
圖4 碳材料中的化學官能團及其對SO2吸附與催化氧化的影響
圖5 SO2在負載金屬氧化物的活性炭內的吸附轉化過程
圖6 各類硫資源化回收路線歸納
圖7 碳材料熱再生過程中化學反應造成的碳損耗
圖8 碳熱還原制硫磺的反應示意圖和具體反應路徑
圖9 應用於移動床的柱狀活性焦的製備流程及孔隙結構剖析
結語與展望
燃煤造成的SO2汙染與高值硫資源的迫切需求形成了尖銳的對比，利用煤基納米碳材料資源化回收SO2是解決這一矛盾的有效途徑。
1）SO2的高效吸附脫除及硫的資源化回收均需要碳材料具有合適的物理化學功能單元。為進一步揭示碳材料物理化學結構與硫元素吸附、轉化、遷移、回收各個環節的匹配關係，未來需通過模型碳材料製備結合理論計算，單因素探究碳材料孔隙結構、官能團種類及分佈對硫元素吸附、轉化、遷移、回收的影響，為製備具有合適物理化學功能單元的高性能碳材料提供理論指導。
2）目前商用柱狀脫硫活性焦存在製備成本高、與目標汙染物匹配性差、脫硫效率低等問題，限制了活性焦煙氣脫硫技術的大規模推廣應用。針對這一問題，未來需從活性焦的製備工藝出發，優化工藝流程、耦合強化活化介質與粒煤初始孔隙間擴散過程與反應過程並發展活性焦內類石墨微晶結構，實現兼具高活性和結構穩定性的煤基活性焦低成本宏量製備。
引文格式
曲智斌，孫飛，皮信信,等.碳材料對燃煤煙氣硫脫除及資源化研究進展[J].潔淨煤技術，2020，26(1):151-163.
QU Zhibin，SUN Fei，PI Xinxin,et al.Research progress of carbon materials on sulfur removal and resource utilization from coal-fired flue gas[J].Clean Coal Technology，2020，26(1):151-163.
END
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