「创刊25周年专刊论文推荐」碳材料对燃煤烟气硫

 新闻资讯     |      2020-04-26 11:20

本文综述了基于碳材料的燃煤烟气硫脱除及资源化的研究进展,分析了碳材料内SO2多相反应机制及其影响因素,讨论了碳材料再生及硫资源化路径。在此基础上,提出了高性能煤基活性焦的低成本宏量制备的技术需求。

中国发电煤耗每年近20亿t,虽然传统湿法脱硫工艺能够实现燃煤污染物SO2的有效控制,但由于存在水耗高、副产劣质石膏量大难用等缺点,面临可持续发展困境。相比之下,基于多孔碳材料的SO2脱除技术由于具备水耗少、无二次污染、污染物可资源化回收、吸附剂可再生利用等优点,是重要的发展方向。笔者综述了目前基于碳材料吸附、催化过程的燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展,论述了碳材料资源化脱硫工艺的关键技术环节,最后提出了燃煤烟气硫脱除及资源化的未来科学和技术方向。碳材料内SO2吸附-催化反应机制及产物迁移路径,重点讨论了碳材料孔结构、官能团、金属氧化物负载对SO2吸附转化及副产物迁移的影响。

研究表明,碳材料分级孔结构内存在SO2吸附转化以及产物硫酸的迁移过程;在碳材料中掺杂以氮和氧为代表的非碳元素能改变碳平面的电子结构,调控SO2在碳材料中的吸附和催化氧化过程。因此,碳材料孔隙与功能性官能团的协同定向构筑是强化碳材料吸附转化SO2、提升脱硫性能的有效方式。脱硫饱和碳材料再生及硫资源化回收技术路径,重点讨论了碳热还原方法将SO2资源化转化为硫磺的影响因素。热再生能耗高、活性焦质量损失严重;水洗再生效率低,活性焦循环脱硫能力差,高效再生需要活性焦不同尺度孔隙结构的有效配组,以强化物质输运扩散;在各种脱硫副产物中,硫磺物质量小、价值高、便利储运,是理想的资源化回收目标;碳基还原剂活性与选择性的调控是实现高效硫磺生成的关键。论述了高性能煤基活性焦的低成本宏量制备方法,重点讨论了强化脱硫过程的分级孔活性焦低成本制备方法。传统柱状活性焦制备工艺复杂、成本高且孔隙结构呈微孔分布,存在内扩散阻力大、内表面利用率低、SO2脱除及再生脱附性能差等问题。破碎或颗粒状活性焦有望降低活性焦制备成本且实现活性焦孔隙的深度调控,但结构稳定性(强度)的提升是关键。通过催化活化、配煤、催化石墨化方法,可望实现兼具高活性和高结构稳定性的脱硫活性焦制备。

燃煤造成的SO2污染与高值硫资源的迫切需求形成了尖锐的对比,利用煤基纳米碳材料资源化回收SO2是解决这一矛盾的有效途径。

1)SO2的高效吸附脱除及硫的资源化回收均需要碳材料具有合适的物理化学功能单元。为进一步揭示碳材料物理化学结构与硫元素吸附、转化、迁移、回收各个环节的匹配关系,未来需通过模型碳材料制备结合理论计算,单因素探究碳材料孔隙结构、官能团种类及分布对硫元素吸附、转化、迁移、回收的影响,为制备具有合适物理化学功能单元的高性能碳材料提供理论指导。

2)目前商用柱状脱硫活性焦存在制备成本高、与目标污染物匹配性差、脱硫效率低等问题,限制了活性焦烟气脱硫技术的大规模推广应用。针对这一问题,未来需从活性焦的制备工艺出发,优化工艺流程、耦合强化活化介质与粒煤初始孔隙间扩散过程与反应过程并发展活性焦内类石墨微晶结构,实现兼具高活性和结构稳定性的煤基活性焦低成本宏量制备。

曲智斌,孙飞,皮信信,等.碳材料对燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展[J].洁净煤技术,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.

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