低成本、长寿命活性焦脱硫关键技术基础

我国燃煤造成的二氧化硫污染严重与硫资源短缺、大量进口形成尖锐对比。我国内陆的煤炭主产区往往同时也是干旱缺水地区，节水型脱硫技术是迫切需求。活性焦脱硫技术可实现污染物资源化利用、且节水无害，前景广阔。降低活性焦制备成本、提高使用寿命对于推动活性焦脱硫技术的产业应用具有重大意义。脱硫过程活性焦内S元素迁移及赋存机理研究是活性焦脱硫技术开发和工艺优化基础；通过研究孔结构参数、孔结构类型对吸附质赋存形态及吸附能力的影响，提出理想的孔结构类型和孔径分布模式；在单一活化气体活化成孔机制研究的基础上，研究不同活化气体混合活化或者分阶段复合活化机制，提出基于复合气体活化的微观孔结构设计方法；通过考察活性焦质量损失对活性衰减速度的影响，研究活性位在脱硫-再生过程中的微观作用机理及衍变规律。上述机理研究和设计方法的提出，可为开发低成本、高性能活性焦制备技术以及先进再生技术提供理论支撑。

活性焦脱硫技术可实现污染物资源化利用、节水无害，是烟气净化技术的发展方向。项目针对活性焦制备成本高、使用寿命短、废焦难利用等应用瓶颈，凝练出制约技术进步的三个关键科学问题：“脱硫过程活性焦内S转化、迁移及赋存机理”、“气体活化过程活性焦孔结构特征及活化机制”、“再生过程孔结构和活性位演变规律及吸附质解析机理”。项目围绕科学问题完成了三方面的机理研究；提出了一种采用粉状活性焦的流态化烟气脱硫工艺，并在循环流化床反应器上进行了实验研究；在山东神华山大能源环境有限公司等单位支持下建立了小型试验系统，并完成调试。项目研究取得的具体成果如下：.（1）采用具有典型孔结构和官能团梯级分布的多孔碳材料（活性碳/焦、碳纳米管、模板碳）进行吸附特性实验，结合密度泛函（DFT）理论计算揭示了分级孔结构内含S物种转化、迁移及赋存机理，创新性提出了吸附质H2SO4/SO3的极性致迁移机制；认为在活性焦脱硫过程中，分布在中孔内的极性官能团具有重要作用，可成为极性分子的吸附中心，是形成吸附质迁移动力的关键。.（2）提出“中孔通达、微孔发达”的分级孔结构是适宜脱硫的理想结构。通过气体组合活化实验研究，揭示了活化过程碳结构烧失机制，发现活化过程中存在两种孔结构发展机制的协调与竞争，是影响得碳率和制备成本的关键。提出了“复合气体活化的活性焦孔结构控制方法”，可为低成本、高性能不定型活性焦制备提供技术指导。.（3）通过对活性焦脱硫/再生过程中质量损失与脱硫性能进行关联分析，发现H2SO4与周围碳基质的反应使活性焦的中孔、大孔比例降低，从而使活性焦循环脱硫能力迅速衰减，揭示了“烧失反应”对脱硫性能影响的微观本质。提出了采用水蒸气吹扫和洗脱的复合再生工艺；发现采用微波再生，可对极性吸附质H2SO4进行选择性加热，是实现活性焦低损耗再生的理想手段。.（4）在不定型焦制备及脱硫性能研究的基础上，提出了一种采用粉状活性焦的流态化烟气脱硫工艺，并在循环流化床反应器上进行了实验研究。结果表明：粉状活性焦具有较高的初始吸附速率，循环流化床吸附系统可以实现对烟气中SO2的高效脱除。.（5）为加速技术转化和应用，燃煤污染物减排国家工程实验室与山东神华山大能源环境有限公司、山东大学等单位合作在山东曲阜建立了“1500Nm3/h原位制焦及烟气综合净化小型试验系统”，相关试验结果可为工业性示范提供设计依据。