活性炭法烟气多污染物深度净化技术分析

1 中冶长天活性炭法烟气多污染物净化技术研究历程

2009年中冶长天联合清华大学进行了实验室试验和小型工业试验，完成了脱硫脱硝脱二噁英的机理研究、活性炭吸附剂及工艺流程的研究，获得了重大理论突破和丰富成果。随后，中冶长天又联合宝钢进行中试和工业性应用试验，研制了一套30000Nm3/h小型工业应用装置，运行结果表明，各项指标达到或超过日本同类技术指标。这项技术首先应用于宝钢湛钢，各项指标全面优于设计值，为宝钢对湛江践行水净天蓝的绿色承诺作出了贡献，继而研发的双级活性炭烟气净化技术在宝钢本部实现首次应用，达到了超低排放水平，使宝钢本部烧结厂成为了绿色制造的示范工厂。目前，这项技术已广泛应用于安钢、武钢、永洋、晋南、中天、永锋等钢铁企业，并被列入工信部发布的《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录》中大气防治类首位，且获得冶金科学技术奖一等奖及中国专利银奖。

2 活性炭法烟气多污染物净化装备系统及工艺特点

2.1预酸化分级分段喷氨的串联双级吸附技术及装备

针对单级活性炭法SO2吸附能力强但脱硝效率不高的难题，研究发现，烧结烟气在高硫状态时，NH3优先与SO2反应，影响脱硝效果；在低硫或无硫状态时，活性炭脱硝活性高；活性炭经酸化处理后表面酸性位增多，脱硝效率提高；有SO2状态下，在集中吸附塔上部喷氨比上下均匀喷氨脱硝效率高。据此，中冶长天开发了预酸化分级分段喷氨的串联双级吸附技术及装备。

一级吸附塔少量喷氨，并构建了与烟气污染物浓度相适应的喷氨方式及烟道结构，使氨偏析于吸附塔上部，实现脱硫+除尘+辅助脱硝；二级吸附塔加强喷氨，研制了与气流流场分布相适应的喷氨装置，使氨自上而下、由多到少梯级分布于全塔，实现脱硝+抑尘。该技术减少了氨的用量，脱硝效率由单塔的30%-40%提高到80%-90%，实现了NOx的超低排放。

另外，中冶长天检测了活性炭双级烟气净化系统出口烟气中二噁英的含量，结果为 0.05ng-TEQ/Nm3，远低于当前的环保指标0.5ng-TEQ/Nm3，说明活性炭床层对二噁英的去除作用显著。

2.2分层可控错流高效吸附技术及装备

中冶长天开发的分层可控错流高效吸附技术，其原理是：根据不同污染物不同的吸附特征，在同一个塔内以不同的最佳工艺参数来高效脱除特定的污染物。其中，SO2被活性炭吸附最快，同时放热；NOx和SO2之间有竞争吸附的现象。要脱除的粉尘分为两部分：一是原烟气中带来的包括PM2.5细颗粒的粉尘；二是活性炭在运行过程中因表面磨损而产生的粉尘。针对这些污染物的不同吸附特征，中冶长天将活性炭料层分成多层，下面用长轴形的排料结构，活性炭像幕布一样整体往下移动，整体流下料，烟气垂直均匀经过活性炭层。第一级的第一层活性炭流速最快，大部分SO2和烟气中的粉尘被吸附掉并带出吸附放出的热量，避免热量积聚，减少系统中飞温现象；第二层活性炭放慢速度经过，吸附低浓度SO2及其他部分污染物；第三层活性炭流速非常慢，前两层漏 的SO2及其他部分污染物在最后一层被吸附。同样第二级的前层活性炭流速快，以高孔隙结构、高表面官能团的活性炭提高NOx催化还原效率；后层的活性炭移动速度慢，捕集粉尘及检查吸附二噁英、粉尘及其他污染物，同时速度慢，颗粒之间的磨损少，可以尽量减少产生粉尘，确保烟气粉尘达到超低排放。如此，运用不同的工艺参数，在同一组塔内高效吸附脱除多种污染物，降低了活性炭循环量，增强了系统对烟气参数波动的适应性，实现了大烟气量多污染物的协同高效净化。

2.3整体流高效解吸塔装置

吸附了污染物的活性炭需要进行再生后循环使用，为提高解吸效率，中冶长天研究了活性炭再生过程中温度与时间对SO2深度解吸规律，开发了顺流与逆流、温度与时间耦合的解吸技术，强化了污染物的分解，提高了解吸气体纯度及SO2资源化利用效率。为实现再生过程中热量均匀，研究了气固传热的多相流模型，研制了再生反应塔内强制性导流结构，开发了复杂温度场控制技术，实现了高效的热量传递及余能利用。针对活性炭在解吸塔内靠重力排料时易形成漏斗流，导致活性炭受热不均匀、解吸不彻底的难点，研究了散粒体活性炭流动特性，开发了整体流排料技术，实现了活性炭在同一水平面呈现均匀排料。

2.4副产物资源化利用技术及装备

活性炭烟气净化系统中产生的粉末、酸性洗涤废水、高硫气体属于三大副产物，均需要进行资源化处理。

2.4.1碳粉资源化

吸附、解吸过程产生的副产物活性炭粉中含有部分重金属及碱金属，因含量低，满足高炉喷煤要求，如表1所示，可直接用作高炉燃料，但经济价值不高。中冶长天开发了利用炭粉作为主原料，制备了不同配比的脱硫脱硝活性炭，性能测试结果满足工程应用要求，证明了以炭粉为主原料制备的大颗粒活性炭产品的可行性。

2.4.2富硫气体资源化

活性炭解吸过程中产生了高浓度的SO2气体，为实现资源化利用，中冶长天解吸了高浓度SO2气体成分，研究了影响SO2制酸的影响因素，明确了影响制酸工艺顺行的毒化机制，分析了制酸吸收塔中污染物特征，实现了98%浓硫酸的精制，并满足国家一级标准；同时针对部分地区硫酸需求量低的情况，开发了富硫气体高值化制备焦亚硫酸钠和SO2催化歧化回收单质硫工艺，实现了SO2回收硫产品的多元化。

2.4.3废水资源化

制酸过程中对高浓度SO2气体进行洗涤去杂时产生了少量的废水，中冶长天研究了制酸废水中污染物迁移及浓度分布规律，开发了炭粉和单质硫胶体协同去除技术、高浓度氨氮废水重金属脱除技术、余氨循环利用-废水蒸发补偿烟温控制等梯级废水处置技术及装备，实现了重金属富集微量化处理及废水“零排放”，突破了SO2资源化利用技术瓶颈。

3 活性炭法与半干法+SCR法的比较

活性炭法双级烟气净化工艺与半干法+SCR组合式烟气净化工艺在烧结烟气治理领域实现了广泛应用，并均能达到超低排放目标，其综合指标对比如表2所示。

从表2中可知，活性炭法与半干法+SCR技术相比，污染物脱除效率更高、运行成本低、工序能耗更低、并可实现硫的资源化利用；而半干法+SCR技术存在难以资源化利用、易产生二次污染、难以实现多污染物的高效治理，如二噁英、重金属等。

图2中比较了活性炭法与半干法+SCR的综合投资。可知，若计半干法脱硫副产物处理费用，3.7年后活性炭法的综合费用较低；若不计半干法脱硫副产物处理费用，6.8年后活性炭法的综合费用较低。总之，双级活性炭工艺综合性价比更高。

4 活性炭法技术选择注意事项

活性炭法烟气多污染物净化技术主要有分层错流、不分层错流和逆流三条技术路线，在烧结烟气净化领域市场上均实现了多套工业化应用。从市场反馈情况看，不同活性炭工艺在实际运行中存在较大差距，有运行状态良好的，也有经常飞温、污染物脱除效果不理想、作业率低的现象，显著影响了业主的使用及活性炭技术的发展。因此，业主在选择活性炭烟气净化技术时，建议多方面考察技术提供方的整体水平，综合起来需要满足如下四点要求：在活性炭烟气净化领域，具有丰富良好的工程业绩；具有强大的研发和装备制造能力；具有长期运营的考验；能提供适宜的副产物方案和制酸废水治理方案。

5 活性炭法烟气净化技术发展方向

活性炭法烟气净化技术在满足低资源能源消耗、低污染物排放和副产物高度资源化的目标后，还需要向高性能炭基材料研制、系统智能化方向发展。

5.1研制高性能炭基材料

活性炭作为多污染物净化工艺的吸附剂与催化剂，其品质的好坏（如耐压强度、耐磨强度、硫容、脱硝值等）影响着工程设计及投资运行成本。未来将进行炭基材料制备原料的优选与预处理，建立原料优选-预处理工艺-成型工艺-炭化活化工艺-成品综合性能关系数据库，制备出骨架强、低损耗、高吸附催化性能的炭基吸附材料。

5.2系统智能化运行

不同烧结厂外排烟气中的污染物成分、浓度、流量差异较大，其配套的活性炭烟气净化技术工艺参数相对固定，较难实时反馈最佳运行参数匹配，因此深入研究活性炭自身特性与其对不同污染物吸附/解吸规律，建立活性炭对SO2的吸附/解吸速率数学模型，厘清工程现场中存在的问题及解决措施，开发活性炭烟气净化智能化运行软件，是实现吸附-再生高效、稳定运行的基础。

科技创新永无止境，在当前烧结烟气常规污染物已经要求超低排放的背景下，CO排放污染问题（4000-10000mg/Nm3）日益凸显。在2018年全国两会期间，有代表提出应尽早制定钢铁行业CO排放标准，有效控制污染源排放，并出台污染治理技术指南；我国河北唐山地区、山西临汾地区明确出台了CO限排措施，但目前无成熟的治理方案。在此背景下，中冶长天研发团队开展了CO治理的研究工作，完成了CO催化材料的配方研制及成型催化剂的制备工作，并在宝钢湛江建立了15000Nm3/h的CO治理中试线，计划于2021年10月开展中试工作。