技術論壇

煙氣吸附脫硫用活性焦著火原因及影響因素

2019/09/23

煙氣吸附脫硫用活性焦著火原因及影響因素

時間:2019-09-18 10:16

來源:《中國環保產業》

作者:樊騰飛 邢德山等

本文簡述了活性焦煙氣吸附脫硫過程中活性焦升溫乃至著火的原因,從物理化學性質、制備工藝方面分析了活性焦著火影響因素,提出降低活性焦著火風險的相應對策。

引言

活性焦煙氣脫硫技術是一種脫硫效率高、無廢水廢渣排放、可實現硫資源化利用的先進干法脫硫技術,在鋼鐵和有色金屬冶煉等行業已廣泛應用,在電力行業煙氣多污染物協同控制領域有廣闊的應用前景?;钚越刮矫摿蚬に嚵鞒倘鐖D1所示,煙氣在穿過吸附塔時SO2被緩慢向下移動的活性焦床層吸附,吸附后的活性焦通過在脫附塔中將所吸附的SO2析出而恢復吸附能力,析出的高濃度SO2氣體在后續流程中得到資源化利用。吸附塔運行溫度高、粉塵濃度大,活性焦床層吸附脫硫反應后放出大量熱量,惡劣的運行環境導致吸附塔中的活性焦顆粒存在溫度急劇升高甚至著火的危險,對系統穩定安全運行造成極大威脅。因此有必要明確活性焦煙氣吸附脫硫過程中熱量的來源,分析活性焦物理化學性質及制備工藝各參數對著火的影響,降低活性焦著火風險。

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1 活性焦著火過程及原因

“著火”,是指活性焦被快速氧化而失去吸附脫硫的功能,具體表現為活性焦床層局部溫度快速升高甚至發生明火燃燒現象。與煤和活性炭等炭基材料類似,在一定的環境條件下,活性焦顆粒溫度大于某個臨界溫度后,其快速氧化過程將可自發進行,溫度迅速升高不受控制,出現“著火”現象。該臨界溫度被稱為活性焦的著火點溫度。

吸附脫硫過程中,在吸濕、吸附過程放熱及化學反應放熱與向環境散熱共同作用下,吸附塔內的活性焦顆粒溫度穩定在一定范圍內;當由于某種原因導致放熱量高于散熱量,活性焦溫度升高,吸附放熱反應速率加快,放熱量進一步增大,活性焦溫度迅速升高而達到著火點溫度,在合適的條件下活性焦將出現著火現象。

因此,熱量產生、熱量積聚、溫度達到著火點是活性焦著火的必要條件。其中影響熱量積聚的因素涉及吸附塔結構設計和運行調節,本文僅在分析明確熱量主要來源的基礎上,綜述活性焦著火影響因素。

2 熱量來源

在不考慮活性焦從周圍環境吸熱的前提下,熱量主要是由于活性焦自身的物理化學變化而產生,類比于活性炭和煤等炭基材料,活性焦吸附過程產生的熱量主要有物理吸附熱、化學吸附熱和化學反應熱三種類型。

氣體的物理吸附與氣體在固體表面上的凝結很相似,其吸附熱數值與氣體的液化熱相近。如氧氣的液化熱為6.8kJ/mol,故可近似認為氧原子物理吸附到活性焦表面放熱量為3.4kJ/mol[6]。相關氣體的液化熱數據見下表。

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化學吸附熱不大于下文指出的化學反應放熱量。

煙氣中SO2被活性焦吸附并轉化為硫酸存儲在活性焦微孔中,其反應式為:

SO2+ O2+H2O→H2SO4 ΔH=-275.4kJ/mol

活性焦中的炭與氧發生如下反應:

C+ O2→CO ΔH=-110.5kJ/mol

C+O2→CO2 ΔH=-393.5kJ/mol

CO+ O2→CO2 ΔH=-283.0kJ/mol

比較SO2被活性焦吸附并轉化為硫酸過程中各物質以上三種熱量的大小,總的物理吸附放熱量遠小于化學吸附及化學反應放熱量,活性焦吸附脫硫過程熱量產生主要來自化學吸附和化學反應。下文對著火影響因素的討論也主要限于各影響因素對活性焦吸附脫硫化學吸附與反應的影響。

3 活性焦著火影響因素

現有的研究大都從活性焦的物理和化學性質對著火點溫度、吸附過程及化學反應過程的影響角度討論活性焦著火影響因素?;钚越故且悦簽樵现苽涞囊环N特殊活性炭,因此對煤和活性炭著火影響因素的研究也有重要的參考價值。

3.1 物理性質的影響

3.1.1 粒徑

從化學熱力學和反應動力學的角度看,減小顆粒粒徑,可增大比表面積,氣體分子更容易擴散到固體顆粒表面發生吸附,從而促進活性焦表面吸附及氧化放熱反應的進行,活性焦著火危險因此增加。煤和活性炭的相關研究可得出類似的結論。

薛永強理論分析認為,減小煤顆粒的粒徑,可降低燃燒和熱解的表觀活化能,氧化反應更容易發生。劉劍的熱重實驗表明,煤粒越細,TG曲線和DSC曲線顯示的反應起始溫度(著火點溫度)越低。黃庠永認為減小煤樣平均粒徑導致的煤粒表面羥基官能團含量增大是煤粒著火溫度降低的原因。栗娜[10]的實驗表明樣品粒度越小,比表面積越大,活性炭著火點溫度越低。

3.1.2 孔隙結構

活性焦的孔隙結構性質是指顆粒表面孔的形狀、孔隙容積、孔徑分布、比表面積等物理參數?;钚越?、活性炭和煤顆粒的孔隙結構越發達,越有利于吸附過程和氧化過程的發生和深入,同時其熱傳導性能越差,熱量越容易產生和積聚,因此著火點溫度越低。

Jastrzab[11]指出活性焦對SO2的吸附活性在一定范圍內與其比表面積呈線性關系;Martyniuk發現煤熱解所得半焦的比表面積越大,其脫硫效果越好;Rubio和Iaqueierdo研究了半焦脫硫能力與其比表面積大小的關系,發現活化后的半焦比表面積增大,脫硫能力得到提高。從吸附脫硫反應放熱角度看,活性焦孔隙結構越發達,脫硫反應造成著火的危險越大。Jastrzab的活性焦吸附—再生循環實驗中發現,隨著循環次數的增加,活性焦樣品著火點溫度逐漸下降,比表面積增加,微孔孔容也逐漸增大;徐凡認為,孔隙結構越發達的活性炭,越有利于吸附、氧化過程的發生和深入,也越容易著火自燃;許滿貴的BET吸附實驗與程序升溫實驗結果表明,煤樣的中微孔比例越大,越容易發生煤氧放熱反應;董憲偉通過壓汞試驗和煤氧化試驗表明煤粒內部結構越致密,發生煤氧反應的溫度越高。

3.2 活性焦制備工藝與化學組成的影響

原料、炭化工藝、活化工藝等制備工藝決定了活性焦的元素組成、孔隙結構、表面官能團等特性?;钚越沟闹苽涔に嚵鞒桃妶D2。本文將從制備流程各階段分別討論對活性焦化學組成及著火特性的影響。

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3.2.1 原料煤組成與成分

活性焦制備時原料煤的大部分揮發分在高溫炭化過程中逸出,殘存揮發分含量越高,制備所得活性焦的著火點溫度越低?;钚越?炭和煤的灰分組成十分復雜,SiO2和Al2O3等惰性氧化物對吸附及氧化反應作用很小,其含量增大會提高著火溫度;堿金屬、堿土金屬及一些過渡金屬元素氧化物可能會對孔隙結構有改善作用,對吸附氧化反應可能有催化作用,從而降低活性焦著火溫度。

韓露[19]指出SiO2和Al2O3對吸附及氧化反應沒有促進作用,而Fe、Ca、Mg等金屬氧化物可能會對吸附氧化反應有催化作用。徐凡[20]的熱重實驗表明活性炭灰分中的Fe元素促進了活性炭的低溫氧化反應,增加Fe元素含量可能會降低活性炭著火溫度。類似的針對Na、K、Ca、Mg等元素的實驗研究表明],堿金屬及堿土金屬元素對活性炭氧化放熱過程有催化作用,導致樣品著火點溫度降低。

制備活性焦時調節原料煤種的比例是改變活性焦孔隙結構的有效手段,因此也可以改變活性焦著火特性。

3.2.2 化學試劑浸洗

在有些活性焦制備工藝中,要對預處理過的原料煤用硫酸、氯化鋅、磷酸、氫氧化鈉等化學試劑進行浸洗處理,目的是脫除原料中大部分非碳元素,在活性焦表面形成一定的官能團,然后通過后續的炭化、水洗過程除去可溶性化學試劑,形成發達的孔隙結構。根據浸洗液種類、浸洗時間、反應機理的不同,浸洗過程對活性焦的結構和化學組成影響不同,從而改變了活性焦的著火特性。文獻中活性炭的浸洗研究較常見,活性焦的浸洗過程對其著火溫度的影響較少。

3.2.3 炭化

在惰性氣氛下將原料配煤持續加熱至較高溫度的炭化干餾過程可去除大部分揮發分,形成活性焦發達的孔隙結構。提高炭化溫度會降低揮發分含量,減少表面官能團種類和數量,使活性焦在有氧環境下的熱穩定性提高,著火點提高[27、28]。也有研究[29]指出較高的炭化溫度下制備的活性焦孔徑較小,不利于吸附和氧化反應的發生與深入,造成活性焦著火點提高。

3.2.4 成型

成型過程參數對活性焦/炭的著火傾向研究較少,目前文獻主要從成型對吸附性能的影響入手。吸附性能提高有助于吸附氧化反應的進行,活性焦著火危險也更大。趙紅陽[30]實驗發現提高制備活性焦的成型壓力會明顯減弱其吸附性能。李懷珠[24]建議成型壓力為22~35MPa。林業科學研究院通過添加著火點溫度較高的新型黏合劑來提高活性炭著火點。

3.2.5 活化

炭化后的原料在900℃~1000℃的條件下,在活化氣體(如水蒸汽、二氧化碳、煙道氣或空氣等)參與下完成活化過程?;罨瘻囟群突罨瘹夥湛筛淖兓钚越贡砻婵紫督Y構和官能團種類,影響活性焦在脫硫吸附過程中的著火特性。

3.2.6 表面官能團

活性焦孔隙結構發達,表面存在著豐富的含氧官能團。過多的酸性含氧官能團(主要有羧基、羧酸酐、內酯基、羰基等)不利于對SO2的吸附與氧化反應,但堿性含氧官能團促進脫硫反應發生。從熱量產生的角度看,較多的堿性含氧官能團會導致反應放熱量增加,活性焦著火危險增加。

Jastrzab[14]在對活性焦進行的多次吸附—再生循環實驗中觀測到活性焦著火點溫度逐漸下降,同時檢測到含氧官能團數量增加。許偉[32]的高溫重整實驗發現活性炭表面含氧官能團減少,活性炭著火點明顯提高。張永奇發現活性焦表面較高濃度的羧基官能團會抑制SO2的吸附,而堿性的吡喃酮或類吡喃酮結構促進脫硫反應發生。Lizzio[34]等發現脫硫能力較高的半焦脫硫劑的表面pH值呈堿性,堿性含氧基團對SO2吸附有利。

4 結語

煙氣吸附脫硫過程中,熱量產生、熱量積聚和達到活性焦著火點溫度是活性焦溫度升高直至著火的原因。通過對比分析確定活性焦吸附脫硫的化學吸附過程和氧化放熱過程是熱量的主要來源。從活性焦物理性質、制備工藝和化學組成等方面分析了影響活性焦著火的主要因素。減小活性焦粒徑、改善孔隙結構可促進脫硫氧化反應的進行,但會增大著火風險;制備過程對活性焦著火點溫度有重要影響,既要考慮改善活性焦孔隙結構和表面官能團種類與數量,提高吸附性能,又要考慮提高活性焦顆粒的機械強度,減少磨損?;钚越刮矫摿蚬に囋陔娏π袠I的應用方興未艾,今后將結合脫硫運行過程調節,進一步降低活性焦著火的風險。

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文章分享來源轉自:來源:《中國環保產業》作者:樊騰飛 邢德山等


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