劉家麟

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

引言

高爐煤氣是高爐冶煉過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w，該氣體含有大量的污染物。高爐煤氣在排入大氣的過(guò)程中會(huì)對(duì)大氣造成嚴(yán)重的污染，隨著我國(guó)環(huán)保要求的不斷提升，對(duì)于鋼鐵行業(yè)中所產(chǎn)生的高爐煤氣也有著嚴(yán)格的要求。因?yàn)楦郀t煤氣中含有的成分主要包括CO、CO2、N2、H2及烴類，但最為主要的是它里面所含有的硫成分，不但包含有機(jī)硫，也包括了無(wú)機(jī)硫這些成分對(duì)于大氣會(huì)造成嚴(yán)重的污染，這對(duì)于人們的身體健康是十分有害的，因此國(guó)家對(duì)此進(jìn)行了嚴(yán)格的整治，而高爐煤氣脫硫技術(shù)也因此而興起。該脫硫技術(shù)主要是將所排出的氣體中有效減少二氧化硫的成分，從而使生產(chǎn)達(dá)到環(huán)保的要求。通常情況下在高爐煤氣中所含有的有機(jī)硫成分主要是COS，而無(wú)機(jī)硫則是硫化氫。按照國(guó)家統(tǒng)一的鋼鐵排放氣體標(biāo)準(zhǔn)要求，所排放的氣體中要求二氧化硫質(zhì)量濃度小于35mg/m3，可采用精脫硫的方式來(lái)進(jìn)行操作。

1 活性炭脫硫化氫機(jī)理

目前所采用的高爐煤氣說(shuō)有機(jī)硫的方法是水解轉(zhuǎn)換法。即，利用水解催化劑引發(fā)COS、CS2與煤氣中微量的H2O反應(yīng)，待轉(zhuǎn)化成硫化氫后再脫除。這里又可分為兩種工藝類型：濕法和干法兩大類。所謂濕法處理工藝，就是將所排放的氣體中含有的硫化氫進(jìn)行分離處理。這樣，氣體中的硫成份就便可作為單獨(dú)成分脫離出來(lái)，從而降低其排放到大氣中的危害性。該方法適用于排放氣量大，并且硫化成分高的作業(yè)要求，該方法屬于粗略脫硫法，并不適用于精化程度較高的作業(yè)方式。而干法是利用吸附劑、催化劑的作用效果，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將所排放的氣體硫化物進(jìn)行脫除。在所使用的脫硫劑中，主要的成分包括氧化鐵，氧化鋅等。這種脫硫技術(shù)能夠達(dá)到較為精準(zhǔn)的脫硫程度，適用于排放氣體較少且精度要求較高的作業(yè)方式。該方式簡(jiǎn)便易行并且極易控制，作業(yè)成本也較低，因此在所進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常被使用。本文主要闡述活性炭在高爐煤氣脫硫化氫中的應(yīng)用[1]。

由于活性炭的化學(xué)性能比較穩(wěn)定，并且其結(jié)構(gòu)極其容易吸附，因此，在脫除硫化氫的過(guò)程中，它的性能更是得到了極大的發(fā)揮。活性炭作用機(jī)理如圖1所示。

在具體操作中，所使用的活性炭脫硫劑，具有嚴(yán)格的規(guī)制，通常情況下所使用的規(guī)格如圖2所示。

活性炭脫硫劑的作用反應(yīng)形式為：當(dāng)硫化氫在活性炭表面上時(shí)會(huì)發(fā)生催化氧化反應(yīng)，這也是工業(yè)生產(chǎn)中用于硫化氫脫除選擇的主要方式。

主要原因在于，活性炭在進(jìn)行吸附硫化氫容量時(shí)較小，為了能夠達(dá)到更好的效果，因此，往往會(huì)選擇在活性炭表面發(fā)生催化氧化反應(yīng)這種作業(yè)方式。而最終在氧化反應(yīng)后所產(chǎn)生的單質(zhì)硫會(huì)存留在活性炭的空隙中。具體反應(yīng)公式為：

目前學(xué)術(shù)界關(guān)于對(duì)活性炭脫硫所進(jìn)行的反應(yīng)原理有各種各樣的說(shuō)法，其中最具有權(quán)威性的當(dāng)屬Klein的溶解吸附反應(yīng)機(jī)理，在所剖析的反應(yīng)過(guò)程中具體過(guò)程原理為：首先，活性炭會(huì)將所排出的氣體中的水成分進(jìn)行吸附，進(jìn)而形成一種水膜狀態(tài)。這時(shí)硫化氫和氧氣便可通過(guò)活性炭中的孔隙進(jìn)入到水膜，這時(shí)便發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而將硫化氫進(jìn)行電解分離，形成HS-和H+，氧氣分子被活化，生成活性氧原子。當(dāng)活性氧原子與HS-發(fā)生反應(yīng)時(shí)，這時(shí)所生成的單質(zhì)硫便可留在活性炭的空隙中，隨即完成了活性炭脫硫反應(yīng)[2]。

2 活性炭脫硫化氫的影響因素

2.1 脫硫反應(yīng)空速

由于活性炭的生產(chǎn)廠家不同，因此活性炭在作用反應(yīng)時(shí)所形成的化學(xué)反應(yīng)效果也會(huì)有所差異，當(dāng)活性炭在反應(yīng)中，它的空速如果會(huì)在1 200 h-1左右，那么活性炭它的脫硫性能便會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)，而隨著氣速的不斷降低，活性炭在脫硫反映出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化?；钚蕴康淖兓壽E為先增大，后減小。問(wèn)題就在于最大程度的將活性炭硫進(jìn)行脫除。增大的目的是為了提升脫硫的作用效率，而降低則是由于硫化氫與脫硫劑的接觸時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)，從而使活性炭與脫硫劑更大面積的接觸，增大了傳質(zhì)阻力，從而導(dǎo)致了脫硫效率下降。因此，在進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)，所選擇的活性炭規(guī)格也是十分關(guān)鍵的。此外，在進(jìn)行在脫硫反應(yīng)時(shí)，所操作使用的氣速同樣不容忽視[3]。

2.2 脫硫反應(yīng)溫度

在使用活性炭進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)，所反映設(shè)定的溫度最佳為30~50℃，如果溫度降低便需要進(jìn)行中跟隨著溫度的升高，脫硫反應(yīng)的能力也會(huì)隨之增強(qiáng)。當(dāng)溫度設(shè)定在30~50℃時(shí)，它是保持活性炭進(jìn)行脫硫反應(yīng)的最佳溫度，該溫度能夠激發(fā)活性炭中脫硫劑的活性炭反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)脫硫的效果，當(dāng)溫度高于50℃時(shí)。由于硫化氫在活性炭中會(huì)受到脫硫劑的影響而被活性炭吸附，因此較高的溫度，并不能保證活性炭對(duì)于脫硫反應(yīng)的高效形成，反而會(huì)降低過(guò)脫硫劑的活性反應(yīng)。

不得不強(qiáng)調(diào)的是，在高爐煤氣系統(tǒng)中，應(yīng)重視余壓透平發(fā)電裝置（TRT）的設(shè)置，它是有效保證活性炭進(jìn)行脫硫反應(yīng)的最佳溫度裝置。因此在使用活性炭進(jìn)行高爐煤氣脫硫反應(yīng)時(shí)，應(yīng)將其設(shè)置在TRT之后，以此來(lái)保證活性炭的活性反應(yīng)能力。

2.3 煤氣中的水含量

如果脫硫反應(yīng)中的作用原理脫離不開(kāi)水蒸氣，就要保證水蒸氣即濕度的設(shè)定，它能夠有效提升活性炭的硫容量。如果沒(méi)有水蒸氣，活性炭的吸附作用就會(huì)不斷降低，在進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)也不能激發(fā)活性炭的活性作用力。相反，有了水蒸氣的存在，活性炭表面就會(huì)形成水膜的存在，在釋放的氣體中，活性炭中水膜的存在，將會(huì)與硫化氫進(jìn)行有效的反應(yīng)，進(jìn)而將硫化氫脫離成單獨(dú)的硫離子。這種作用的方式是形成催化、氧化反應(yīng)的作用效果，也是脫硫劑在活性炭表面所形成的反應(yīng)結(jié)果。換言之，水蒸氣在進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)是十分重要的，如果不能保證足夠的濕度，那么就不能形成水膜，而活性炭的吸附能力也會(huì)大大降低。只有保持足夠的濕度，脫硫率才能不斷地提升。但需要注意的是，濕度同樣不能過(guò)于飽和，過(guò)于飽和的濕度，水膜會(huì)過(guò)厚，從而影響脫硫的能力，如圖3所示。

由此可見(jiàn)，控制高爐煤氣時(shí)，需要保持一定的濕度，但濕度要控制在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，否則水膜過(guò)后也會(huì)形成冷凝水，因此要有效避免冷凝水的出現(xiàn)，只有這樣才能取得最佳的脫硫效果。

2.4 煤氣中的氧含量

在進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)，需要氧氣，氧氣中的分子會(huì)在活性炭進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)被活化成活性氧原子，氧原子會(huì)在活性炭進(jìn)行脫硫反應(yīng)后將所形成的硫單質(zhì)滯留在活性炭孔隙中，氧氣有助于脫硫反應(yīng)的形成。它如果當(dāng)它的化學(xué)計(jì)量不斷增大，當(dāng)達(dá)到最大容量值340%，這時(shí)硫容量就會(huì)固定在一定區(qū)域值內(nèi)，而不再增加。通常情形下，進(jìn)行高爐煤氣脫硫反應(yīng)時(shí)所需要的氧含量應(yīng)保持在0~0.8%，如果當(dāng)所需要的氧含量不夠進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，可通過(guò)添加適量的空氣來(lái)滿足對(duì)于氧含量的需要[4]。

2.5 煤氣中硫化氫的含量

在進(jìn)行脫硫反映時(shí)，硫化氫的含量的參照作用性并沒(méi)有直接性的影響。但如果含硫量較高，那么這種作業(yè)方式便不再適用，因?yàn)樗婕暗降某杀疽矔?huì)較高。換言之，該方式只適合含硫化氫濃度較低的氣體凈化中。如果當(dāng)煤氣中的含硫量比較高時(shí)，便可結(jié)合應(yīng)用活性炭法與濕法。通過(guò)這樣二級(jí)脫硫的方法，來(lái)保證精準(zhǔn)脫硫，脫硫的徹底。但究竟采用何種方式要根據(jù)具體情況來(lái)定。如果高爐煤氣中總硫含量（質(zhì)量濃度）在200 mg/m3以下，便可使用活性炭法進(jìn)行直接脫硫。

因此活性炭高爐煤氣進(jìn)行精準(zhǔn)脫硫，它的適用條件具有一定的規(guī)格。需要滿足：空速1 200 h-1，可根據(jù)不同廠家不同規(guī)格的活性炭來(lái)進(jìn)行微調(diào)；溫度30~50℃；含飽和水、最小氧硫比為1∶1。

3 工藝流程

通過(guò)以上分析，關(guān)于活性炭的作用原理，最終筆者設(shè)計(jì)高爐煤氣系統(tǒng)裝置，以及它與TRT出口裝置的位置關(guān)系，以及溫度、水蒸氣含量等（具體如圖4所示）可根據(jù)相應(yīng)的需要，設(shè)置多臺(tái)脫硫反應(yīng)器并聯(lián)[5]。

脫硫反應(yīng)器的固定，可采用固定床反應(yīng)器，也可采用移動(dòng)床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器，兩者可進(jìn)行交替性使用。當(dāng)使用固定床反應(yīng)器時(shí)，煤氣切換至備用設(shè)備，而采用移動(dòng)床時(shí)，既可運(yùn)用煤氣，也可運(yùn)用活性炭。但需要注意的是，要防止煤氣泄漏的危險(xiǎn)，因此在進(jìn)行作用裝置安裝時(shí)，要考慮涉及安裝氣體密封操作處理裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

活性炭脫硫技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)的一種改進(jìn)優(yōu)化方式而進(jìn)行普遍使用。在實(shí)際的生產(chǎn)需要中，由于原材料性質(zhì)的不同，以及對(duì)脫硫反應(yīng)要求的不同，所使用的脫硫工藝也會(huì)有所不同。高爐煤氣進(jìn)行脫硫技術(shù)是迎合了國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行環(huán)保整改的要求而使用的，它是活性炭脫硫法在高爐煤氣領(lǐng)域的具體應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單而方便。