高炉煤气精脱硫工艺中活性炭的应用

刘家麟

（唐钢国际工程技术有限公司，河北 唐山 063000）

引言

高炉煤气是高炉冶炼过程当中所产生的一种可燃气体，该气体含有大量的污染物。高炉煤气在排入大气的过程中会对大气造成严重的污染，随着我国环保要求的不断提升，对于钢铁行业中所产生的高炉煤气也有着严格的要求。因为高炉煤气中含有的成分主要包括CO、CO2、N2、H2及烃类，但最为主要的是它里面所含有的硫成分，不但包含有机硫，也包括了无机硫这些成分对于大气会造成严重的污染，这对于人们的身体健康是十分有害的，因此国家对此进行了严格的整治，而高炉煤气脱硫技术也因此而兴起。该脱硫技术主要是将所排出的气体中有效减少二氧化硫的成分，从而使生产达到环保的要求。通常情况下在高炉煤气中所含有的有机硫成分主要是COS，而无机硫则是硫化氢。按照国家统一的钢铁排放气体标准要求，所排放的气体中要求二氧化硫质量浓度小于35mg/m3，可采用精脱硫的方式来进行操作。

1 活性炭脱硫化氢机理

目前所采用的高炉煤气说有机硫的方法是水解转换法。即，利用水解催化剂引发COS、CS2与煤气中微量的H2O反应，待转化成硫化氢后再脱除。这里又可分为两种工艺类型：湿法和干法两大类。所谓湿法处理工艺，就是将所排放的气体中含有的硫化氢进行分离处理。这样，气体中的硫成份就便可作为单独成分脱离出来，从而降低其排放到大气中的危害性。该方法适用于排放气量大，并且硫化成分高的作业要求，该方法属于粗略脱硫法，并不适用于精化程度较高的作业方式。而干法是利用吸附剂、催化剂的作用效果，通过化学反应将所排放的气体硫化物进行脱除。在所使用的脱硫剂中，主要的成分包括氧化铁，氧化锌等。这种脱硫技术能够达到较为精准的脱硫程度，适用于排放气体较少且精度要求较高的作业方式。该方式简便易行并且极易控制，作业成本也较低，因此在所进行生产过程中经常被使用。本文主要阐述活性炭在高炉煤气脱硫化氢中的应用[1]。

由于活性炭的化学性能比较稳定，并且其结构极其容易吸附，因此，在脱除硫化氢的过程中，它的性能更是得到了极大的发挥。活性炭作用机理如图1所示。

在具体操作中，所使用的活性炭脱硫剂，具有严格的规制，通常情况下所使用的规格如图2所示。

活性炭脱硫剂的作用反应形式为：当硫化氢在活性炭表面上时会发生催化氧化反应，这也是工业生产中用于硫化氢脱除选择的主要方式。

主要原因在于，活性炭在进行吸附硫化氢容量时较小，为了能够达到更好的效果，因此，往往会选择在活性炭表面发生催化氧化反应这种作业方式。而最终在氧化反应后所产生的单质硫会存留在活性炭的空隙中。具体反应公式为：

目前学术界关于对活性炭脱硫所进行的反应原理有各种各样的说法，其中最具有权威性的当属Klein的溶解吸附反应机理，在所剖析的反应过程中具体过程原理为：首先，活性炭会将所排出的气体中的水成分进行吸附，进而形成一种水膜状态。这时硫化氢和氧气便可通过活性炭中的孔隙进入到水膜，这时便发生了化学反应，从而将硫化氢进行电解分离，形成HS-和H+，氧气分子被活化，生成活性氧原子。当活性氧原子与HS-发生反应时，这时所生成的单质硫便可留在活性炭的空隙中，随即完成了活性炭脱硫反应[2]。

2 活性炭脱硫化氢的影响因素

2.1 脱硫反应空速

由于活性炭的生产厂家不同，因此活性炭在作用反应时所形成的化学反应效果也会有所差异，当活性炭在反应中，它的空速如果会在1 200 h-1左右，那么活性炭它的脱硫性能便会达到最佳状态，而随着气速的不断降低，活性炭在脱硫反映出也会发生相应的变化。活性炭的变化轨迹为先增大，后减小。问题就在于最大程度的将活性炭硫进行脱除。增大的目的是为了提升脱硫的作用效率，而降低则是由于硫化氢与脱硫剂的接触时间进行延长，从而使活性炭与脱硫剂更大面积的接触，增大了传质阻力，从而导致了脱硫效率下降。因此，在进行脱硫反应时，所选择的活性炭规格也是十分关键的。此外，在进行在脱硫反应时，所操作使用的气速同样不容忽视[3]。

2.2 脱硫反应温度

在使用活性炭进行脱硫反应时，所反映设定的温度最佳为30~50℃，如果温度降低便需要进行中跟随着温度的升高，脱硫反应的能力也会随之增强。当温度设定在30~50℃时，它是保持活性炭进行脱硫反应的最佳温度，该温度能够激发活性炭中脱硫剂的活性炭反应，进而增强脱硫的效果，当温度高于50℃时。由于硫化氢在活性炭中会受到脱硫剂的影响而被活性炭吸附，因此较高的温度，并不能保证活性炭对于脱硫反应的高效形成，反而会降低过脱硫剂的活性反应。

不得不强调的是，在高炉煤气系统中，应重视余压透平发电装置（TRT）的设置，它是有效保证活性炭进行脱硫反应的最佳温度装置。因此在使用活性炭进行高炉煤气脱硫反应时，应将其设置在TRT之后，以此来保证活性炭的活性反应能力。

2.3 煤气中的水含量

如果脱硫反应中的作用原理脱离不开水蒸气，就要保证水蒸气即湿度的设定，它能够有效提升活性炭的硫容量。如果没有水蒸气，活性炭的吸附作用就会不断降低，在进行脱硫反应时也不能激发活性炭的活性作用力。相反，有了水蒸气的存在，活性炭表面就会形成水膜的存在，在释放的气体中，活性炭中水膜的存在，将会与硫化氢进行有效的反应，进而将硫化氢脱离成单独的硫离子。这种作用的方式是形成催化、氧化反应的作用效果，也是脱硫剂在活性炭表面所形成的反应结果。换言之，水蒸气在进行脱硫反应时是十分重要的，如果不能保证足够的湿度，那么就不能形成水膜，而活性炭的吸附能力也会大大降低。只有保持足够的湿度，脱硫率才能不断地提升。但需要注意的是，湿度同样不能过于饱和，过于饱和的湿度，水膜会过厚，从而影响脱硫的能力，如图3所示。

由此可见，控制高炉煤气时，需要保持一定的湿度，但湿度要控制在恰当的范围内，否则水膜过后也会形成冷凝水，因此要有效避免冷凝水的出现，只有这样才能取得最佳的脱硫效果。

2.4 煤气中的氧含量

在进行脱硫反应时，需要氧气，氧气中的分子会在活性炭进行脱硫反应时被活化成活性氧原子，氧原子会在活性炭进行脱硫反应后将所形成的硫单质滞留在活性炭孔隙中，氧气有助于脱硫反应的形成。它如果当它的化学计量不断增大，当达到最大容量值340%，这时硫容量就会固定在一定区域值内，而不再增加。通常情形下，进行高炉煤气脱硫反应时所需要的氧含量应保持在0~0.8%，如果当所需要的氧含量不够进行反应时，可通过添加适量的空气来满足对于氧含量的需要[4]。

2.5 煤气中硫化氢的含量

在进行脱硫反映时，硫化氢的含量的参照作用性并没有直接性的影响。但如果含硫量较高，那么这种作业方式便不再适用，因为所涉及到的成本也会较高。换言之，该方式只适合含硫化氢浓度较低的气体净化中。如果当煤气中的含硫量比较高时，便可结合应用活性炭法与湿法。通过这样二级脱硫的方法，来保证精准脱硫，脱硫的彻底。但究竟采用何种方式要根据具体情况来定。如果高炉煤气中总硫含量（质量浓度）在200 mg/m3以下，便可使用活性炭法进行直接脱硫。

因此活性炭高炉煤气进行精准脱硫，它的适用条件具有一定的规格。需要满足：空速1 200 h-1，可根据不同厂家不同规格的活性炭来进行微调；温度30~50℃；含饱和水、最小氧硫比为1∶1。

3 工艺流程

通过以上分析，关于活性炭的作用原理，最终笔者设计高炉煤气系统装置，以及它与TRT出口装置的位置关系，以及温度、水蒸气含量等（具体如图4所示）可根据相应的需要，设置多台脱硫反应器并联[5]。

脱硫反应器的固定，可采用固定床反应器，也可采用移动床反应器固定床反应器，两者可进行交替性使用。当使用固定床反应器时，煤气切换至备用设备，而采用移动床时，既可运用煤气，也可运用活性炭。但需要注意的是，要防止煤气泄漏的危险，因此在进行作用装置安装时，要考虑涉及安装气体密封操作处理装置。

4 结语

活性炭脱硫技术已经成为当下进行脱硫反应时的一种改进优化方式而进行普遍使用。在实际的生产需要中，由于原材料性质的不同，以及对脱硫反应要求的不同，所使用的脱硫工艺也会有所不同。高炉煤气进行脱硫技术是迎合了国家对钢铁行业进行环保整改的要求而使用的，它是活性炭脱硫法在高炉煤气领域的具体应用，操作简单而方便。