活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究

第36卷第2期 北京科技大学学报 Vol.36 No.2 2014年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2014 活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究 刘应书，王海鸿，张辉四，范菲，刘文海 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhanghuis56@ustb.cdu.cn 摘要针对活性炭烟气脱硫过程，以吸附质浓度沿床层分布曲线实验为基础，对活性炭脱除S0,的催化反应速率的影响因 素进行了探讨.研究发现S02质量浓度和C02体积分数对活性炭催化反应速率有显著影响.S02质量浓度对活性炭催化反 应速率影响最大，随着S02质量浓度升高催化反应速率将显著增加，但高S02质量浓度下催化反应速率将不再增加：体积分 数在15%以内的C02对催化反应速率呈线性抑制，使得活性炭催化反应速率降低约30%：烟气线速度在0.14-0.3m·s·之 间变化时对催化反应速率的影响效果不大， 关键词烟气：脱硫：活性炭；催化作用：反应速率：二氧化硫 分类号X701.3:TQ424.1 Experiment study on the catalytic rate of activated carbon for flue gas desulfurization LIU Ying-shu,WANG Hai-hong,ZHANG Hui,FAN Fei,LIU Wen-hai School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhanghui56@ustb.edu.cn ABSTRACT According to flue gas desulfurization processes with activated carbon,several factors affecting the catalytic reaction rate of activated carbon for flue gas desulfurization were investigated on the basis of the experiment of adsorbate concentration curves along the bed.It is found that SO concentration and CO volume fraction have significant influences on the catalytic reaction rate,and SO concentration is the primary factor.With increasing SO,concentration,the catalytic reaction rate increases significantly,but it does not increase at high SO,concentration.While the CO,volume fraction increases from 0 to 15%,the catalytic reaction rate decreases by 30%linearly,indicating that CO plays a linear inhibition role in the catalytic reaction.The flue gas velocity between 0.14msand 0.3ms has no significant effect on the catalytic reaction rate. KEY WORDS flue gases:desulfurization:activated carbon:catalysis:reaction rate:sulfur dioxide 随着S0,排放控制日益严格，众多中小型燃煤 力.水洗再生工艺简单可靠，能耗低，综合成本低， 锅炉减排SO,也将成为重点.在众多的脱硫技术 吸附装置可随开随停，且能够适应不断变化的烟气 中，炭法脱硫技术具有脱硫效率高、工艺流程简单可 处理量和烟气含硫量，非常适合中小型锅炉应用. 靠、运行及维护费用低、无二次污染、吸附剂可再生 但是，采用水洗再生时，由于再生不彻底，活性炭内 等优点，逐渐成为中小型燃煤锅炉脱硫技术未来的 部孔隙被硫酸占据，导致其催化反应速率有所下降， 发展方向.吸附S02后的活性炭，其内外表面的活 且脱硫性能也会发生变化。有文献认为，在炭床出 性中心被硫酸覆盖，使得活性炭吸附能力下降，需要 口未穿透前，碱性活性中心和表面催化活性中心同 采用一定的手段对其再生来恢复活性炭的吸附能 时与S02发生反应，当出口浓度达到稳定后，认为碱 收稿日期：2012-1206 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(FRF-SD-12O13A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.02.015:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 2 期 2014 年 2 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 2 Feb． 2014 活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究 刘应书，王海鸿，张 辉，范 菲，刘文海 北京科技大学机械工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: zhanghui56@ ustb． edu． cn 摘 要 针对活性炭烟气脱硫过程，以吸附质浓度沿床层分布曲线实验为基础，对活性炭脱除 SO2 的催化反应速率的影响因 素进行了探讨． 研究发现 SO2 质量浓度和 CO2 体积分数对活性炭催化反应速率有显著影响． SO2 质量浓度对活性炭催化反 应速率影响最大，随着 SO2 质量浓度升高催化反应速率将显著增加，但高 SO2 质量浓度下催化反应速率将不再增加; 体积分 数在 15% 以内的 CO2 对催化反应速率呈线性抑制，使得活性炭催化反应速率降低约 30% ; 烟气线速度在 0. 14 ～ 0. 3 m·s － 1之 间变化时对催化反应速率的影响效果不大． 关键词 烟气; 脱硫; 活性炭; 催化作用; 反应速率; 二氧化硫 分类号 X 701. 3; TQ 424. 1 Experiment study on the catalytic rate of activated carbon for flue gas desulfurization LIU Ying-shu，WANG Hai-hong，ZHANG Hui ，FAN Fei，LIU Wen-hai School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zhanghui56@ ustb． edu． cn ABSTＲACT According to flue gas desulfurization processes with activated carbon，several factors affecting the catalytic reaction rate of activated carbon for flue gas desulfurization were investigated on the basis of the experiment of adsorbate concentration curves along the bed． It is found that SO2 concentration and CO2 volume fraction have significant influences on the catalytic reaction rate，and SO2 concentration is the primary factor． With increasing SO2 concentration，the catalytic reaction rate increases significantly，but it does not increase at high SO2 concentration． While the CO2 volume fraction increases from 0 to 15% ，the catalytic reaction rate decreases by 30% linearly，indicating that CO2 plays a linear inhibition role in the catalytic reaction． The flue gas velocity between 0. 14 m·s － 1 and 0. 3 m·s － 1 has no significant effect on the catalytic reaction rate． KEY WOＲDS flue gases; desulfurization; activated carbon; catalysis; reaction rate; sulfur dioxide 收稿日期: 2012--12--06 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助( FＲF--SD--12--013A) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 02． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 随着 SO2 排放控制日益严格，众多中小型燃煤 锅炉减排 SO2 也将成为重点． 在众多的脱硫技术 中，炭法脱硫技术具有脱硫效率高、工艺流程简单可 靠、运行及维护费用低、无二次污染、吸附剂可再生 等优点，逐渐成为中小型燃煤锅炉脱硫技术未来的 发展方向． 吸附 SO2 后的活性炭，其内外表面的活 性中心被硫酸覆盖，使得活性炭吸附能力下降，需要 采用一定的手段对其再生来恢复活性炭的吸附能 力． 水洗再生工艺简单可靠，能耗低，综合成本低， 吸附装置可随开随停，且能够适应不断变化的烟气 处理量和烟气含硫量，非常适合中小型锅炉应用． 但是，采用水洗再生时，由于再生不彻底，活性炭内 部孔隙被硫酸占据，导致其催化反应速率有所下降， 且脱硫性能也会发生变化． 有文献认为，在炭床出 口未穿透前，碱性活性中心和表面催化活性中心同 时与 SO2 发生反应，当出口浓度达到稳定后，认为碱

·236 北京科技大学学报 第36卷 性活性中心被完全占据，此时大量存在的表面催化 实验装置图见图1.当打开球阀1，关闭球阀2时， 活性中心将持续与SO发生反应，从而表现出炭床 经过配比后的模拟烟气不通过吸附柱，直接通过球 出口浓度曲线在穿透后一段时间保持较为稳定平缓 阀1进入排气管，此时烟气分析仪测量的是进口烟 的现象1习.即随着$0，穿透炭床后，其出口浓度并 气S02质量浓度：测得进口S02质量浓度后，关闭球 没有逐渐增大，直至接近进口浓度，而是稳定在某一 阀1，打开球阀2，经过配比和加热后的模拟烟气通 出口浓度后并保持较长时间，其穿透曲线上有一段 过球阀2后进入吸附柱，反应后烟气经过吸附柱后 较长的平缓区，本文所测出口浓度即为穿透曲线达 从上部进入排气管，此时烟气分析仪测量的是出口 到平衡时的浓度，而不考虑吸附初始时出口浓度上 烟气S02质量浓度.吸附柱内活性炭床层内径100 升阶段.因此本文认为所研究的反应速率为活性炭 mm,高度400mm,项部设有淋水喷头和可拆卸的法 表面催化活化中心对$02的催化反应速率. 兰，可以采取喷淋和浇灌两种方法，本实验采用浇灌 在前人的实验研究中，对于烟气线速度对活性 方式再生，水洗前打开顶部法兰，用烧杯装清水并从 炭脱除SO,的影响研究大都集中在停留时间与脱硫 炭床顶部浇灌，总水洗量均为10L,所用时间约3 率的关系上，针对反应速率与烟气线速度之间的关 min.测量部分所用仪器包括德国MRU增强型烟气 系研究很少；对于烟气中$02质量浓度对脱硫效率 分析仪，S02量程0~0.5%，精度±5%测量值，分辨 的影响研究，大都集中在对吸附硫容的影响上，并没 率1×10-6，GXH-105红外线分析仪，C02量程0~ 有指出SO,质量浓度与催化反应速率及反应速率变 100%,精度2.5% 化率之间的关系：对于C02体积分数对活性炭脱硫 9 性能的影响研究，众多文献也集中于其对吸附硫容 的影响上B0.本文针对水洗后活性炭的吸附特性 进行实验设计和安排，得到了不同烟气线速度和 C02体积分数下S02质量浓度沿床层分布曲线，从 而得到不同烟气线速度、S02质量浓度和C02体积 16 分数下活性炭吸附SO2的速率以及速率变化规律. 1314 1 实验部分 1一空压机：2一旋转阀：3一S02气瓶：4一C02气瓶：5一微调阀： 6一流量计：7一缓冲罐：8一流量计：9一球阀1：10一球阀2：11一 1.1实验装置 加热器：12一吸附塔：13一储酸罐：14一酸泵：15一温度计：16一球 在固定床水洗再生工艺中，由于水洗不彻底，部 阀3：17一喷头：18一S02检测仪：19一C02检测仪 分硫酸填充在活性炭孔隙中，使$02和O2分子很难 图1实验过程流程图 Fig.1 Flow chart of the experimental process 充分到达活性炭孔隙内部，从而降低了活性炭对 S0,的吸附和氧化速率，烟气在进入水洗后的活 1.2实验过程和内容 性炭后，会形成一个较长的传质吸附区，利用实验得 实验所用活性炭经过了多次吸附水洗后，其吸 到不同条件下传质区内吸附质浓度随床层高度分布 附性能达到稳定.通过前期大量实验表明，水洗后 曲线，通过研究所得曲线变化率可以得到不同工况 的活性炭吸附开始后出口SO,质量浓度会持续升 对水洗脱附活性炭催化氧化SO2效率的影响效果. 高，在3h内达到稳定，此时脱硫率会保持一定水平 实验采用某煤基柱状颗粒活性炭，该活性炭颗 并持续20h以上，因此本实验将反应达到稳定后的 粒为多孔材料，颗粒直径5mm,比表面积为104.5 出口质量浓度作为实验所得出口质量浓度.以进口 m2·g,总孔容为0.08596mL·g,颗粒内以0.8nm S02质量浓度为3139mg·m3的气体以确定的烟气 的微孔为主，平均孔径为3.291nm回.实验装置包 线速度通过厚度为400mm的活性炭床层，当出口质 括供气部分、脱硫反应部分、再生部分及测量部分. 量浓度达到稳定后，以该稳定值作为下一步实验的 供气部分包括空压机、二氧化硫气源、二氧化碳气 进口S0,质量浓度，依次类推，直到出口质量浓度到 源、混合罐及加热罐，由于烟气中的氧气体积分数在 达300mg'm-3以下停止实验，此时得到的一组数据 8%左右，再增加含氧量对脱硫效率影响不大回，因 可作一条曲线。改变烟气线速度或其他条件，重复 此为了简化实验过程，配气部分采用在空气中配比 上述步骤，可得到另一条曲线. 一定的S02和C02来模拟烟气，烟气温度为50℃. 本实验总共包括六组实验，每组实验的内容及 脱硫反应部分主要过程发生在有机玻璃吸附柱内， 条件如表1所示

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 性活性中心被完全占据，此时大量存在的表面催化 活性中心将持续与 SO2 发生反应，从而表现出炭床 出口浓度曲线在穿透后一段时间保持较为稳定平缓 的现象［1--2］． 即随着 SO2 穿透炭床后，其出口浓度并 没有逐渐增大，直至接近进口浓度，而是稳定在某一 出口浓度后并保持较长时间，其穿透曲线上有一段 较长的平缓区，本文所测出口浓度即为穿透曲线达 到平衡时的浓度，而不考虑吸附初始时出口浓度上 升阶段． 因此本文认为所研究的反应速率为活性炭 表面催化活化中心对 SO2 的催化反应速率． 在前人的实验研究中，对于烟气线速度对活性 炭脱除 SO2 的影响研究大都集中在停留时间与脱硫 率的关系上，针对反应速率与烟气线速度之间的关 系研究很少; 对于烟气中 SO2 质量浓度对脱硫效率 的影响研究，大都集中在对吸附硫容的影响上，并没 有指出 SO2 质量浓度与催化反应速率及反应速率变 化率之间的关系; 对于 CO2 体积分数对活性炭脱硫 性能的影响研究，众多文献也集中于其对吸附硫容 的影响上［3--10］． 本文针对水洗后活性炭的吸附特性 进行实验设计和安排，得到了不同烟气线速度和 CO2 体积分数下 SO2 质量浓度沿床层分布曲线，从 而得到不同烟气线速度、SO2 质量浓度和 CO2 体积 分数下活性炭吸附 SO2 的速率以及速率变化规律． 1 实验部分 1. 1 实验装置 在固定床水洗再生工艺中，由于水洗不彻底，部 分硫酸填充在活性炭孔隙中，使 SO2 和 O2 分子很难 充分到达活性炭孔隙内部，从而降低了活性炭对 SO2 的吸附和氧化速率［11］，烟气在进入水洗后的活 性炭后，会形成一个较长的传质吸附区，利用实验得 到不同条件下传质区内吸附质浓度随床层高度分布 曲线，通过研究所得曲线变化率可以得到不同工况 对水洗脱附活性炭催化氧化 SO2 效率的影响效果． 实验采用某煤基柱状颗粒活性炭，该活性炭颗 粒为多孔材料，颗粒直径 5 mm，比表面积为 104. 5 m2 ·g － 1，总孔容为 0. 08596 mL·g － 1，颗粒内以 0. 8 nm 的微孔为主，平均孔径为 3. 291 nm［12］． 实验装置包 括供气部分、脱硫反应部分、再生部分及测量部分． 供气部分包括空压机、二氧化硫气源、二氧化碳气 源、混合罐及加热罐，由于烟气中的氧气体积分数在 8% 左右，再增加含氧量对脱硫效率影响不大［4］，因 此为了简化实验过程，配气部分采用在空气中配比 一定的 SO2 和 CO2 来模拟烟气，烟气温度为 50 ℃ ． 脱硫反应部分主要过程发生在有机玻璃吸附柱内， 实验装置图见图 1． 当打开球阀 1，关闭球阀 2 时， 经过配比后的模拟烟气不通过吸附柱，直接通过球 阀 1 进入排气管，此时烟气分析仪测量的是进口烟 气 SO2 质量浓度; 测得进口 SO2 质量浓度后，关闭球 阀 1，打开球阀 2，经过配比和加热后的模拟烟气通 过球阀 2 后进入吸附柱，反应后烟气经过吸附柱后 从上部进入排气管，此时烟气分析仪测量的是出口 烟气 SO2 质量浓度． 吸附柱内活性炭床层内径 100 mm，高度 400 mm，顶部设有淋水喷头和可拆卸的法 兰，可以采取喷淋和浇灌两种方法，本实验采用浇灌 方式再生，水洗前打开顶部法兰，用烧杯装清水并从 炭床顶部浇灌，总水洗量均为 10 L，所用时间约 3 min． 测量部分所用仪器包括德国 MＲU 增强型烟气 分析仪，SO2 量程 0 ～ 0. 5% ，精度 ± 5% 测量值，分辨 率 1 × 10 － 6，GXH--105 红外线分析仪，CO2 量程 0 ～ 100% ，精度 2. 5% ． 1—空压机; 2—旋转阀; 3—SO2 气瓶; 4—CO2 气瓶; 5—微调阀; 6—流量计; 7—缓冲罐; 8—流量计; 9—球阀 1; 10—球阀 2; 11— 加热器; 12—吸附塔; 13—储酸罐; 14—酸泵; 15—温度计; 16—球 阀 3; 17—喷头; 18—SO2 检测仪; 19—CO2 检测仪 图 1 实验过程流程图 Fig． 1 Flow chart of the experimental process 1. 2 实验过程和内容 实验所用活性炭经过了多次吸附水洗后，其吸 附性能达到稳定． 通过前期大量实验表明，水洗后 的活性炭吸附开始后出口 SO2 质量浓度会持续升 高，在 3 h 内达到稳定，此时脱硫率会保持一定水平 并持续 20 h 以上，因此本实验将反应达到稳定后的 出口质量浓度作为实验所得出口质量浓度． 以进口 SO2 质量浓度为 3139 mg·m － 3的气体以确定的烟气 线速度通过厚度为 400 mm 的活性炭床层，当出口质 量浓度达到稳定后，以该稳定值作为下一步实验的 进口 SO2 质量浓度，依次类推，直到出口质量浓度到 达 300 mg·m － 3以下停止实验，此时得到的一组数据 可作一条曲线． 改变烟气线速度或其他条件，重复 上述步骤，可得到另一条曲线． 本实验总共包括六组实验，每组实验的内容及 条件如表 1 所示． · 632 ·

第2期 刘应书等：活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究 ·237· 将每组实验获得的数据连起来，便可获得吸附 化剂的宏观反应包括以下几个过程：(1)气相反应 质浓度沿床层高度分布曲线，结果如图2和图3 物从气体主体扩散到颗粒表面对流边界层：(2)反 所示 应物分子突破边界层，扩散到颗粒表面的液相膜： 表1实验条件 (3)反应物分子从颗粒表面液相膜扩散到颗粒内部 Table 1 Experimental conditions 孔隙.SO,先以物理吸附的方式被吸附到活性中 序号 烟气线速度/(ms)C02体积分数% 温度/℃ 心，然后发生化学吸附，$02分子被活性炭表面的官 1 0.14 0 能团催化氧化为S0,生成的S03被液态水吸收，变 2 0.20 0 50 为硫酸富集在活性炭孔隙中.在活性炭孔隙被液态 0.25 0 50 硫酸占满前，化学吸附可以持续进行，从而物理吸附 0.30 0 50 平衡被打破，使活性炭能够不断地吸附S02.由于 5 0.14 10 50 残留的硫酸充实于催化剂颗粒内部孔隙，阻碍了反 6 0.14 15 50 应物分子在活性炭内部与活化中心的反应，导致活 性炭催化反应速率下降，吸附床传质区长度相对干 3500 活性炭而言显著增加) 3000 C0,体积分数：0% 1烟气线速度0.14m·” 2.2催化反应速率的定义 2500 2一烟气线速度020m·1 3一烟气线速度025m· 2.2.1宏观动力学反应级数 2000 4一烟气线速度0.30m·。 在图2和图3中选择若干组点，以出口质量浓 1500 度稳定时的值作为实验所需出口质量浓度值，由以 1000 下公式计算本反应的宏观反应速率： 500 R-） 10 00.40.81.21.62.02.42.83.2 床层厚度m 式中：Rso,为宏观反应速率，mgh-g;F。为进口 图2烟气线速度对S02质量浓度在床层中的分布的影响 烟气流量，m3h-1y。和y1分别为进、出口S02质量 Fig.2 Effect of flue gas velocity on SO,concentration distribution at 浓度，mgm-3:w为催化剂质量，g. the fixed bed 在实际工况中，烟气反应温度在60℃左右，C02 体积分数为5%~15%，烟气中氧气体积分数在6% 3500 左右，因此我们认为影响实际工况下催化反应速率 3000 烟气线速度0.14m· 日2500 1一C0,体积分数0% 的因素为进口烟气S02和CO2含量.根据上述公式 2C0.体积分数10% 计算出一定进口S02质量浓度、CO2体积分数和烟 2000 3C0,体积分数15% 气线速度下的反应速率，由动力学方程 1500 T,=kCso2C82’ 1000 500 根据最小二乘法，可得出k、a和B分别为0.014、 0.6和-0.0665，则 0 0.40.81.21.62.02.4 =0.014CC0. 床层厚度/m 式中：T,为SO2在单位体积活性炭下的反应速率， 图3C02含量对S02质量浓度在床层中分布的影响 mgh1·g;k为反应速率常数，Cso,为S02浓度， Fig.3 Effect of CO,volume fraction on SO,concentration distribu- tion at the fixed bed mgm3:Ccw,为C0,体积分数，%：aB分别为S02、 C02的反应级数.为了方便计算，其中C02浓度仍 然取体积分数，不影响反应级数的值，k的值为S02 2实验结果及分析 和C02反应速率常数的乘积. 2.1S02质量浓度沿吸附床分布曲线 当吸附达到稳定后，我们认为活性炭颗粒内部 图2和图3中每条曲线最后点所在的横坐标即 C02吸附量达到饱和，气相组分中C0,体积分数不 为将S0,脱除到300mg·m-3以下所需床层高度，该 再变化，因此 床层高度也即为吸附床传质区长度.活性炭颗粒催 =KCoog

第 2 期 刘应书等: 活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究 将每组实验获得的数据连起来，便可获得吸附 质浓度沿床层高度分布曲线，结果如图 2 和图 3 所示． 表 1 实验条件 Table 1 Experimental conditions 序号 烟气线速度/( m·s － 1 ) CO2 体积分数% 温度/℃ 1 0. 14 0 50 2 0. 20 0 50 3 0. 25 0 50 4 0. 30 0 50 5 0. 14 10 50 6 0. 14 15 50 图 2 烟气线速度对 SO2 质量浓度在床层中的分布的影响 Fig． 2 Effect of flue gas velocity on SO2 concentration distribution at the fixed bed 图 3 CO2 含量对 SO2 质量浓度在床层中分布的影响 Fig． 3 Effect of CO2 volume fraction on SO2 concentration distribu￾tion at the fixed bed 2 实验结果及分析 2. 1 SO2 质量浓度沿吸附床分布曲线 图 2 和图 3 中每条曲线最后点所在的横坐标即 为将 SO2 脱除到 300 mg·m － 3以下所需床层高度，该 床层高度也即为吸附床传质区长度． 活性炭颗粒催 化剂的宏观反应包括以下几个过程: ( 1) 气相反应 物从气体主体扩散到颗粒表面对流边界层; ( 2) 反 应物分子突破边界层，扩散到颗粒表面的液相膜; ( 3) 反应物分子从颗粒表面液相膜扩散到颗粒内部 孔隙． SO2 先以物理吸附的方式被吸附到活性中 心，然后发生化学吸附，SO2 分子被活性炭表面的官 能团催化氧化为 SO3，生成的 SO3被液态水吸收，变 为硫酸富集在活性炭孔隙中． 在活性炭孔隙被液态 硫酸占满前，化学吸附可以持续进行，从而物理吸附 平衡被打破，使活性炭能够不断地吸附 SO2 ． 由于 残留的硫酸充实于催化剂颗粒内部孔隙，阻碍了反 应物分子在活性炭内部与活化中心的反应，导致活 性炭催化反应速率下降，吸附床传质区长度相对干 活性炭而言显著增加［13］． 2. 2 催化反应速率的定义 2. 2. 1 宏观动力学反应级数 在图 2 和图 3 中选择若干组点，以出口质量浓 度稳定时的值作为实验所需出口质量浓度值，由以 下公式计算本反应的宏观反应速率: ＲSO2 = F0 ( y0 － y1 ) w ． 式中: ＲSO2为宏观反应速率，mg·h － 1·g － 1 ; F0 为进口 烟气流量，m3 ·h － 1 ; y0 和 y1 分别为进、出口 SO2 质量 浓度，mg·m － 3 ; w 为催化剂质量，g． 在实际工况中，烟气反应温度在 60 ℃左右，CO2 体积分数为 5% ～ 15% ，烟气中氧气体积分数在 6% 左右，因此我们认为影响实际工况下催化反应速率 的因素为进口烟气 SO2 和 CO2 含量． 根据上述公式 计算出一定进口 SO2 质量浓度、CO2 体积分数和烟 气线速度下的反应速率，由动力学方程 rv = k·Cα SO2 ·Cβ CO2 ， 根据最小二乘法，可得出 k、α 和 β 分别为 0. 014、 0. 6 和 － 0. 0665，则 rv = 0. 014C0. 6 SO2 ·C － 0. 0665 CO2 ． 式中: rv 为 SO2 在单位体积活性炭下的反应速率， mg·h － 1·g － 1 ; k 为反应速率常数，CSO2 为 SO2 浓度， mg·m － 3 ; CCO2为 CO2 体积分数，% ; α、β 分别为 SO2、 CO2 的反应级数． 为了方便计算，其中 CO2 浓度仍 然取体积分数，不影响反应级数的值，k 的值为 SO2 和 CO2 反应速率常数的乘积． 当吸附达到稳定后，我们认为活性炭颗粒内部 CO2 吸附量达到饱和，气相组分中 CO2 体积分数不 再变化，因此 rv = K·C0. 6 SO2 ． · 732 ·

·238· 北京科技大学学报 第36卷 式中，K=kC说2 用拟合方程对其求导，可得同一$0，质量浓度、不同 由于残留在活性炭孔隙内部的硫酸阻碍了S02 烟气线速度下的反应速率，如图4所示. 分子从颗粒表面到颗粒内部孔隙之间的扩散，降低 1.6 了S02的物理吸附速率，使得活性炭催化氧化S02 的反应级数从1降为0.6左右，接近S02在气、固、 >15 S0,质量浓度1000mg·m 液三相催化反应中的反应级数®.在本文中，近 14 似认为S0,在活性炭上的催化反应为一级反应. CO,对反应起到抑制作用，反应级数近似为0.这表 1.3 明在低温下，烟气中C02体积分数范围在0~15% 这124 之间时对催化反应速率的抑制影响呈线性关系 2.2.2催化反应速率 1}0 0.150.200.250.30035 根据以上实验结果，本文认为实验具有以下 烟气线速度m· 特征： 图4烟气线速度对反应速率的影响 Fig.4 Effect of flue gas velocity on the catalytic reaction rate ①$O2在活性炭内部催化反应近似认为是一 级不可逆反应： 由图4可以看出，烟气线速度从0.15ms1增 ②催化反应无外扩散影响： 加到0.3ms-时，催化反应速率随着线速度的增加 ③在反应过程中活性炭床层温度和湿度保持 先增大后减小，但变化幅度不大.此外，空速过高或 一致，即催化反应速率只与S0,质量浓度和CO,体 者过低都会导致催化反应速率下降.一些文献认为 积分数有关： 活性炭吸附SO,是利用分子间的范德华力形成的势 ④由于S0,的含量非常少，因此认为沿吸附床 能场，烟气线速度过大会导致该势能场捕捉$02分 轴向气体流量不发生变化： 子的能力下降，使得S02与活性炭表面接触不够充 ⑤轴向压力降及偏流忽略不计： 分，没有被充分吸附，从而导致催化反应速率下 ⑥吸附达到稳定后，认为吸附床内CO,吸附饱 降的.此外，S02分子到达活性炭内部的活化中心 和，C02体积分数不随轴向变化 需要从吸附质中扩散至活性炭颗粒表面的对流边界 根据以上结论，对于催化反应的反应速率，有 层，穿过边界层后，到达颗粒内部做自由扩散运动， 小，=0 在一定范围内增大烟气线速度，则有利于减小对流 边界层厚度，因而线速度过低不利于吸附质分子的 其中：V为反应器体积，m3;n.为反应物的质量，mg. 传热传质效率，从而导致反应速率降低6 在图2中，纵坐标y为S02质量浓度(mg·m-3),横 2.3.2S02质量浓度对催化反应速率的影响 坐标H为床层高度(m),p为活性炭堆密度，值约为 选取图2中S0,线速度为0.2m·s-时的曲线， 700000gm-3,用v(m·s-1)表示S02线速度，则 对于曲线上的每一个点利用拟合方程对其求导，可 得到 得相同线速度下催化反应速率与SO2质量浓度的关 H=vxt; 系，催化反应速率与$0，反应质量浓度之间的关系 dH=vxdt; 如图5所示 (n)v=-x咖.u 3.0 =-0X dyso dt dt dH' ·-SiO,线速度0.2m/ 25 指数衰减型拟合曲线 dys23600 (r0,)g=-uXd旧Xp 2.0 式中：(rs,）v表示单位时间和单位体积催化剂吸附 15 S02反应量，mg°s-1·m3;(ro,)。表示单位时间和 1,0 单位质量催化剂吸附S02反应量，mgh-·g. 2.3催化反应速率的影响因素 500100015002000250030003500 2.3.1烟气线速度对催化反应速率的影响 S0,质量浓度(g·m》 对图2中的曲线进行拟合，得到拟合方程后，选 图5S02质量浓度对催化反应速率的影响 取图2中四条曲线在同一纵坐标值下的四个点，利 Fig.5 Effect of SO2 concentration on the catalytic reaction rate

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 式中，K = k·Cβ CO2 ． 由于残留在活性炭孔隙内部的硫酸阻碍了 SO2 分子从颗粒表面到颗粒内部孔隙之间的扩散，降低 了 SO2 的物理吸附速率，使得活性炭催化氧化 SO2 的反应级数从 1 降为 0. 6 左右，接近 SO2 在气、固、 液三相催化反应中的反应级数［8，14］． 在本文中，近 似认为 SO2 在活性炭上的催化反应为一级反应． CO2 对反应起到抑制作用，反应级数近似为 0． 这表 明在低温下，烟气中 CO2 体积分数范围在 0 ～ 15% 之间时对催化反应速率的抑制影响呈线性关系． 2. 2. 2 催化反应速率 根据以上实验结果，本文认为实验具有以下 特征: ① SO2 在活性炭内部催化反应近似认为是一 级不可逆反应; ② 催化反应无外扩散影响; ③ 在反应过程中活性炭床层温度和湿度保持 一致，即催化反应速率只与 SO2 质量浓度和 CO2 体 积分数有关; ④ 由于 SO2 的含量非常少，因此认为沿吸附床 轴向气体流量不发生变化; ⑤ 轴向压力降及偏流忽略不计; ⑥ 吸附达到稳定后，认为吸附床内 CO2 吸附饱 和，CO2 体积分数不随轴向变化． 根据以上结论，对于催化反应的反应速率，有 ( rA) V = － 1 V × dnA dt ， 其中: V 为反应器体积，m3 ; nA为反应物的质量，mg． 在图 2 中，纵坐标 y 为 SO2 质量浓度( mg·m － 3 ) ，横 坐标 H 为床层高度( m) ，ρ 为活性炭堆密度，值约为 700000 g·m － 3，用 v( m·s － 1 ) 表示 SO2 线速度，则 得到 H = v × t; dH = v × dt; ( rSO2 ) V = － 1 V × dnSO2 dt = － dySO2 dt = － v × dySO2 dH ; ( rSO2 ) g = － v × dySO2 dH × 3600 ρ ． 式中: ( rSO2 ) V 表示单位时间和单位体积催化剂吸附 SO2 反应量，mg·s － 1·m － 3 ; ( rSO2 ) g 表示单位时间和 单位质量催化剂吸附 SO2 反应量，mg·h － 1·g － 1 ． 2. 3 催化反应速率的影响因素 2. 3. 1 烟气线速度对催化反应速率的影响 对图 2 中的曲线进行拟合，得到拟合方程后，选 取图 2 中四条曲线在同一纵坐标值下的四个点，利 用拟合方程对其求导，可得同一 SO2 质量浓度、不同 烟气线速度下的反应速率，如图 4 所示． 图 4 烟气线速度对反应速率的影响 Fig． 4 Effect of flue gas velocity on the catalytic reaction rate 由图 4 可以看出，烟气线速度从 0. 15 m·s － 1增 加到 0. 3 m·s － 1时，催化反应速率随着线速度的增加 先增大后减小，但变化幅度不大． 此外，空速过高或 者过低都会导致催化反应速率下降． 一些文献认为 活性炭吸附 SO2 是利用分子间的范德华力形成的势 能场，烟气线速度过大会导致该势能场捕捉 SO2 分 子的能力下降，使得 SO2 与活性炭表面接触不够充 分，没有被充分吸附，从而导致催化反应速率下 降［15］． 此外，SO2 分子到达活性炭内部的活化中心 需要从吸附质中扩散至活性炭颗粒表面的对流边界 层，穿过边界层后，到达颗粒内部做自由扩散运动， 在一定范围内增大烟气线速度，则有利于减小对流 边界层厚度，因而线速度过低不利于吸附质分子的 传热传质效率，从而导致反应速率降低［16］． 2. 3. 2 SO2 质量浓度对催化反应速率的影响 图 5 SO2 质量浓度对催化反应速率的影响 Fig． 5 Effect of SO2 concentration on the catalytic reaction rate 选取图 2 中 SO2 线速度为 0. 2 m·s － 1时的曲线， 对于曲线上的每一个点利用拟合方程对其求导，可 得相同线速度下催化反应速率与 SO2 质量浓度的关 系，催化反应速率与 SO2 反应质量浓度之间的关系 如图 5 所示． · 832 ·

第2期 刘应书等：活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究 ·239· 由图5上述六个点可知$O,催化反应速率随 (2)催化反应速率随着S0,质量浓度的升高逐 SO,质量浓度的降低呈指数衰减，得到指数衰减拟 渐增大，但其增长率逐渐减小，高$02质量浓度下催 合曲线方程为y=-2.872e脑+3.171.其中x为 化速率将基本不再增加，因此活性炭不适合脱除高 S02质量浓度，y为催化反应速率.可以看出，S02 S02质量浓度下的烟气. 质量浓度从低浓度向高浓度增长时，催化反应速率 (3)C02对活性炭吸附S02存在竞争作用.当 是逐渐增大的，但其增长率在逐渐减小.根据上述 C02体积分数从0增加至15%时，不同S02质量浓 拟合曲线，当S02质量浓度超过8000mg·m-3后，催 度下的催化反应速率都下降大约30%，且C0,对催 化反应速率保持在3.2mgh-1·g1以内并基本不再 化反应速率的影响呈线性关系 增加，Karatepe等m的研究表明，当SO2质量浓度 超过0.3%后，活性炭吸附硫容和吸附速率将不再 参考文献 随$O2质量浓度的升高而增大，与拟合曲线结果基 [1]Li Y,Zhang X L,Xu D P,et al.Research on the mechanism of 本吻合.在床层高度不变的情况下，脱硫率呈缓慢 S02 removal by activated carbon.Coal Process Compr Util,2007 下降趋势，高继贤等对不同S0,质量浓度下的吸 (2):46 (李园，张香兰，徐德平，等.活性炭材料脱除烟气中S02的 附动力学研究也得出了类似的结论 机理研究.煤炭加工与综合利用，2007(2)：46) 2.3.3C02体积分数对催化反应速率的影响 Li Y L,Yin HQ,Huang P,et al.Study status of the mechanism 由图3可得同一S0,质量浓度下反应速率随 of flue gas desulphurisation by activated carbon.Sichuan Enriron, C02体积分数的变化关系.图6为三个不同S02质 2009,28(2):112 量浓度下的催化反应速率与C02体积分数变化关 (李月丽，尹华强，黄盼，等.炭法烟气脱疏机理的研究现状 四川环境，2009,28(2)：112) 系曲线 B] Fan H L,Zhang S Q.The influence factors on the activated car- 2.3f. 1一S0,质量浓度3000mg·m bon desulphurization.Chem Eng Equip,2011(3):171 2.1 2-S0,质量浓度1500mg·m (范恒亮，张双全·活性炭脱硫中影响脱硫效率因素的分析 619 1 化学工程与装备，2011(3)：171) 1 4 Su Y X,Chu Y H,Yin H Q,et al.The influence factors on the 3-S0,质量浓度750mgm3 activated carbon desulphurization performance.Carbon Tech, 1.5 2008,27(5):48 13 (苏艳霞，楚英豪，尹华强，等.活性炭脱硫性能的影响因素 1.14 研究.碳素技术，2008,27(5)：48) 0.9 5]Zhang Y.Experimental Study and Mechanism Discuss of Actirated 0.7 0 5 10 Carbon Desulphurization [Dissertation].Beijing:North China 15 C0,体积分数% Electric Power University,2002 图6C02体积分数对催化反应速率的影响 (张月.活性炭法烟气脱硫的实验研究与机理探讨[学位论 Fig.6 Effect of CO,volume fraction on the catalytic reaction rate 文].北京：华北电力大学，2002) 回 Liu ZZ,Chuan Y Q,Yin H Q,et al.The new development of 由图6可以看出，CO2体积分数增大会抑制 FGD techniques by use of activated carbon.Sichuan Enriron, S02的催化反应速率，当C02体积分数从0到15% 1993,12(4):9 时，S02催化速率呈线性下降，且在不同S02质量浓 (刘中正，串亚权，尹华强，等.活性炭烟气脱硫技术研究新 度下下降都约等于30%.图6也验证了C02反应级 进展.四川环境，1993,12(4)：9) 数为0时其对催化反应速率的影响呈线性关系.这 ] Zhang Y,Yuan B,Yan W P,et al.Experimental study on factors affecting desulfurizing efficiency of activated carbon.Boiler 表明低温下体积分数在15%以内的C02对活性炭 Manf,2006(1):28 吸附S02起到竞争作用，CO2扩散到活性炭颗粒表 (张月，袁斌，阀维平，等。活性炭烟气脱硫效率影响因素的 面的水膜中时，形成了带酸度的水膜，从而抑制了 实验研究.锅炉制造，2006(1)：28) S02分子在水膜中的扩散，C02体积分数越大，抑制 8] Tao H,Jin BS,Piao G L,et al.Static experiment and technology 效果越明显9 parameter study of flue gas desulphurization and denitrification by active coke.J Southeast Univ Nat Sci Ed,2009,39(3):635 3结论 (陶贺，金保升，朴桂林，等.活性焦烟气脱硫脱硝的静态实 验和工艺参数选择.东南大学学报：自然科学版，2009,39 (1)烟气线速度在0.14~0.3m"s1之间变化 (3):635) 时对催化反应速率影响较小. [9]Lizzio AA,DeBarr J A.Mechanism of S02 removal by carbon

第 2 期 刘应书等: 活性炭烟气脱硫催化反应速率实验研究 由图 5 上述六个点可知 SO2 催化反应速率随 SO2 质量浓度的降低呈指数衰减，得到指数衰减拟 合曲线方程为 y = － 2. 872e － x 1885. 625 + 3. 171． 其中 x 为 SO2 质量浓度，y 为催化反应速率． 可以看出，SO2 质量浓度从低浓度向高浓度增长时，催化反应速率 是逐渐增大的，但其增长率在逐渐减小． 根据上述 拟合曲线，当 SO2 质量浓度超过 8000 mg·m － 3后，催 化反应速率保持在 3. 2 mg·h － 1·g － 1以内并基本不再 增加，Karatepe 等［17］的研究表明，当 SO2 质量浓度 超过 0. 3% 后，活性炭吸附硫容和吸附速率将不再 随 SO2 质量浓度的升高而增大，与拟合曲线结果基 本吻合． 在床层高度不变的情况下，脱硫率呈缓慢 下降趋势，高继贤等［18］对不同 SO2 质量浓度下的吸 附动力学研究也得出了类似的结论． 2. 3. 3 CO2 体积分数对催化反应速率的影响 由图 3 可得同一 SO2 质量浓度下反应速率随 CO2 体积分数的变化关系． 图 6 为三个不同 SO2 质 量浓度下的催化反应速率与 CO2 体积分数变化关 系曲线． 图 6 CO2 体积分数对催化反应速率的影响 Fig． 6 Effect of CO2 volume fraction on the catalytic reaction rate 由图 6 可 以 看 出，CO2 体积分数增大会抑制 SO2 的催化反应速率，当 CO2 体积分数从 0 到 15% 时，SO2 催化速率呈线性下降，且在不同 SO2 质量浓 度下下降都约等于30% ． 图6 也验证了 CO2 反应级 数为 0 时其对催化反应速率的影响呈线性关系． 这 表明低温下体积分数在 15% 以内的 CO2 对活性炭 吸附 SO2 起到竞争作用，CO2 扩散到活性炭颗粒表 面的水膜中时，形成了带酸度的水膜，从而抑制了 SO2 分子在水膜中的扩散，CO2 体积分数越大，抑制 效果越明显［19］． 3 结论 ( 1) 烟气线速度在 0. 14 ～ 0. 3 m·s － 1之间变化 时对催化反应速率影响较小． ( 2) 催化反应速率随着 SO2 质量浓度的升高逐 渐增大，但其增长率逐渐减小，高 SO2 质量浓度下催 化速率将基本不再增加，因此活性炭不适合脱除高 SO2 质量浓度下的烟气． ( 3) CO2 对活性炭吸附 SO2 存在竞争作用． 当 CO2 体积分数从 0 增加至 15% 时，不同 SO2 质量浓 度下的催化反应速率都下降大约 30% ，且 CO2 对催 化反应速率的影响呈线性关系． 参 考 文 献 ［1］ Li Y，Zhang X L，Xu D P，et al． Ｒesearch on the mechanism of SO2 removal by activated carbon． Coal Process Compr Util，2007 ( 2) : 46 ( 李园，张香兰，徐德平，等． 活性炭材料脱除烟气中 SO2 的 机理研究． 煤炭加工与综合利用，2007( 2) : 46) ［2］ Li Y L，Yin H Q，Huang P，et al． Study status of the mechanism of flue gas desulphurisation by activated carbon． Sichuan Environ， 2009，28( 2) : 112 ( 李月丽，尹华强，黄盼，等． 炭法烟气脱硫机理的研究现状． 四川环境，2009，28( 2) : 112) ［3］ Fan H L，Zhang S Q． The influence factors on the activated car￾bon desulphurization． Chem Eng Equip，2011( 3) : 171 ( 范恒亮，张双全． 活性炭脱硫中影响脱硫效率因素的分析． 化学工程与装备，2011( 3) : 171) ［4］ Su Y X，Chu Y H，Yin H Q，et al． The influence factors on the activated carbon desulphurization performance． Carbon Tech， 2008，27( 5) : 48 ( 苏艳霞，楚英豪，尹华强，等． 活性炭脱硫性能的影响因素 研究． 碳素技术，2008，27( 5) : 48) ［5］ Zhang Y． Experimental Study and Mechanism Discuss of Activated Carbon Desulphurization ［Dissertation］． Beijing: North China Electric Power University，2002 ( 张月． 活性炭法烟气脱硫的实验研究与机理探讨［学位论 文］． 北京: 华北电力大学，2002) ［6］ Liu Z Z，Chuan Y Q，Yin H Q，et al． The new development of FGD techniques by use of activated carbon． Sichuan Environ， 1993，12( 4) : 9 ( 刘中正，串亚权，尹华强，等． 活性炭烟气脱硫技术研究新 进展． 四川环境，1993，12( 4) : 9) ［7］ Zhang Y，Yuan B，Yan W P，et al． Experimental study on factors affecting desulfurizing efficiency of activated carbon． Boiler Manuf，2006( 1) : 28 ( 张月，袁斌，阎维平，等． 活性炭烟气脱硫效率影响因素的 实验研究． 锅炉制造，2006( 1) : 28) ［8］ Tao H，Jin B S，Piao G L，et al． Static experiment and technology parameter study of flue gas desulphurization and denitrification by active coke． J Southeast Univ Nat Sci Ed，2009，39( 3) : 635 ( 陶贺，金保升，朴桂林，等． 活性焦烟气脱硫脱硝的静态实 验和工艺参数选择． 东南大学学报: 自然科学版，2009，39 ( 3) : 635) ［9］ Lizzio A A，DeBarr J A． Mechanism of SO2 removal by carbon． · 932 ·

·240· 北京科技大学学报 第36卷 Energy Fuels,1997,11(2):284 四川：四川大学，2004) [10]Kisamori S,Kuroda K,Kawano S,et al.Oxidative removal of [15]Wang J W,Cao Z D,Zhang Z G.Investigation on the key pa- SO2 and recovery of H2SO over poly (acrylonitrile)-ased active rameters of flue gas desulfurization by activated carbon absorption carbon fiber.Energy Fuels,1994,8(6):1337 method.Boiler Technol,2004,35(5):67 [11]Liu Y,Cao Z D,Tang Q,et al.Importance of effective desorp- (王建伟，曹子栋，张智刚.活性炭吸附法烟气脱硫关键参 tion in desulfurization from flue gas.J Xian Jiaotong Univ, 数的研究.锅炉技术，2004,35(5)：67) 2003,37(1):96 [16]Fei X M,Zhang Y C,Zhang NS,et al.Removing low concen- (刘义，曹子栋，唐强，等.有效脱附在活性炭法烟气脱硫中 tration SO2 in the feed gas containing CO with modified active 的作用.西安交通大学学报，2003,37(1)：96) carbons.Guangzhou Chem,2006,31(4):7 [12]Gao J X,Wang T F,Shu Q,et al.Intraparticle diffusion mecha- (费小猛，张永春，张奴时，等.改性活性炭脱除含C02原 nism and kinetic models of adsorptive flue gas desulphurization by 料气中低浓度S02的研究.广州化学，2006,31(4)：7) ZL50 activated carbon.J Chem Eng Chin Unir,2010,24 (3): 17] Karatepe N,Orbak I,Yavuz R.Sulfur dioxide adsorption by ac- 402 tivated carbons having different textural and chemical properties. (高继贤，王铁峰，舒庆，等.50活性炭吸附烟气脱硫过 Fel,2008,87(15/16):3207 程的内扩散机制及其动力学模型.高效化学工程学报， [18]Gao J X,Wang T F,Wang J F.Effect of S0,volume fraction in 2010,24(3):402) flue gas on the adsorption behaviors adsorbed by Z150 activated [13]Liu Z Q,Yu H,Xia S L,et al.Modeling and calculation of dis- carbon and kinetic analysis.Enriron Sci,2010,31(5):1152 tribution of load and breakthrough curves for SO,adsorption on a (高继贤，王铁蜂，王金福.S02体积分数对ZL50活性炭吸 fixed bed of activated carbon.Nat Gas Chem Ind,2007,32(5): 附脱硫行为的影响和动力学分析.环境科学，2010,31(5)： 6 1152) (刘卓衢，余徽，夏素兰，等.烟气$02活性炭吸附床层负荷 19]Fei X M.Remoral of Lon Concentration S02 wih Actirated Car- 分布及透过曲线模型计算.天然气化工，2007,32(5)：36) bon [Dissertation].Dalian:Dalian University of Technology, [14]Chen J H.Kinetics Research of New Type Carbon Method FGD 2006 Process [Dissertation].Sichuan:Sichuan University,2004 (费小猛.用活性炭脱除低浓度S02的研究[学位论文].大 (陈军辉.新型炭法烟气脱硫过程动力学研究[学位论文] 连：大连理工大学，2006)

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