活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭吸附处理含汞废气

　　看不见的“汞”危机

　　汞，这种在常温下即可挥发的液态金属，正以一种隐蔽而持久的方式威胁着生态环境与人体健康。燃煤电厂、氯碱行业、危废焚烧、金矿焙烧……无数工业烟囱向大气中排出的汞蒸气，具有高神经毒性、强迁移性和生物累积性，一旦进入环境便难以消除-4-6。在众多汞控制技术中，活性炭吸附法凭借其高效、灵活、适应性强等优势，已成为工业含汞废气处理的主流选择。从传统燃煤电厂的粉末喷射到氯碱行业的新型净化工艺，从常温吸附到中高温脱汞的技术突破，活性炭正在书写一部与汞“角力”的技术演进史。

　　吸附机理：物理捕获与化学固定的双重奏

　　活性炭对气态汞的去除并非简单的“筛分”过程，而是一场物理与化学协同作用的精密反应。

　　物理吸附是基础。活性炭发达的微孔结构(比表面积可达1000m²/g以上)为汞蒸气提供了巨大的附着空间。当含汞烟气穿过活性炭层或与喷射的炭粉接触时，汞分子通过范德华力被捕获于孔隙内部。然而，仅靠物理吸附远不足以应对复杂的工业烟气——温度升高会显著削弱物理吸附作用，而烟气中的单质汞(Hg⁰)具有高挥发性和化学惰性，普通活性炭对其亲和力有限。

　　化学吸附才是点睛之笔。研究者发现，对活性炭进行改性处理——无论是载硫、注氯还是其他浸渍工艺——能大幅提升其汞捕获能力。以载硫活性炭为例，硫与汞具有极强的亲和力，可在炭表面生成稳定的HgS;氯改性则使汞转化为HgCl₂并牢牢附着于活性炭基体。实验表明，硫质量分数高达11.46%的改性活性炭，其汞吸附以表面微孔吸附为主导，颗粒内扩散作用微弱，吸附效率显著优于普通活性炭。这一机理揭示了一个关键规律：在工程应用中，高比表面积与高硫含量是选型的两大核心指标。

　　关键影响因素：从实验室到工程的“放大镜”

　　将活性炭从实验室烧杯搬至数百兆瓦的燃煤机组烟道，是一场充满变量的挑战。研究与实践共同勾勒出影响脱汞效率的几个关键维度：

　　1.烟气温度

　　温度是物理吸附的“天敌”。固定床实验显示，随着反应温度升高，活性炭对Hg⁰的吸附能力明显下降。这也是为什么长期以来活性炭喷射(ACI)技术主要适用于低温烟气段(如除尘器入口)，而高温烟气脱汞曾是行业公认的技术盲区。

　　2.烟气组分

　　烟气从来不是纯净的。SO₂会导致活性炭吸附效率下降，因为其竞争吸附位点或与汞反应生成更难捕集的形态;而HCl的存在则出人意料地促进汞吸附——它帮助将单质汞氧化为更易被炭表面结合的HgCl₂。当SO₂与HCl共存时，活性炭的吸附性能介于二者单独作用之间。这一复杂的气相化学互动，使得脱汞工艺必须“一厂一策”。

　　3.活性炭粒径与停留时间

　　粒径越小，比表面积越大，膜传质与内扩散速率越高。但过细的粉末可能带来输送困难或除尘器压降上升。更微妙的是，在静电除尘器(ESP)前置喷射场景中，炭粉粒径直接影响其在电场中的运动轨迹与停留时间。模型研究表明，细小颗粒缓慢沉降、电荷驱动对流传质的强化效应，使活性炭在ESP内的实际汞容量远超早期“150μg/g”的经验估算——实测可达4314μg/g甚至8823μg/g。

　　喷射量与“平台现象”

　　直觉上，活性炭喷得越多，除汞效果越好。但多个电站的现场数据揭示了一个反常现象：当喷射率超过某一阈值(如10–20lb/MMacf)，汞去除效率不再随炭量增加而上升，形成明显的“平台”。关于这一现象，学界尚无定论：氯贫乏假说认为过量活性炭优先吸附含氯物种，反而抑制汞的氧化;团聚假说则指向高注入量下炭粉团聚、等效粒径变大导致传质恶化。无论哪种解释，都在提醒工程师：盲目增加活性炭用量并非良策。

　　应用场景：从燃煤电厂到氯碱车间的技术迁移

　　燃煤电厂：ACI技术的成熟与精进

　　煤电行业是汞减排的主战场，也是活性炭喷射(ACI)技术应用最成熟的领域。在美国MACT标准推动下，ACI已成为具备专门、可验证的汞控制能力的重要手段。技术路线通常为：在除尘设备(ESP或布袋除尘器)前烟道喷入粉末活性炭，炭粉吸附气态汞后随飞灰被下游设备捕集。然而，静电除尘器与布袋除尘器对ACI的适配性截然不同——ESP内气固传质受电场、粒径分布等因素强烈约束，其汞捕集存在理论传质上限;而布袋除尘器因炭粉在滤袋表面形成吸附层，往往效率更高。

　　氯碱行业：从“老大难”到示范标杆

　　电石法PVC生产依赖含汞催化剂，汞的挥发与流失曾是行业痼疾。内蒙古宜化化工的突破性实践给出了另一种路径：在废气治理端，通过上百次实验优化烟气净化工艺，汞排放实测平均值低至0.0072mg/m³，远低于国标限值;配合源头低汞催化剂与废水深度处理，企业近三年减少汞用量1710余吨。这一案例证明，活性炭吸附技术完全可以在高要求工业场景下实现“近零排放”。

　　危废焚烧与黄金冶炼：不可忽视的战场

　　城市固废焚烧、医疗废物处理、金矿石焙烧等过程同样释放高浓度汞蒸气。这些场景往往烟气成分更复杂、汞浓度波动更大。特制粉末活性炭以其经济、便捷、可应对低浓度污染物的特点，成为烟气净化系统的标配单元。

　　技术前沿：突破温度禁区与精准改性的竞赛

　　活性炭脱汞技术正站在升级迭代的门槛上。

　　高温烟气脱汞：从不可能到可能

　　长期以来，中高温烟气(>150℃)段缺乏经济可行的活性炭脱汞手段。2026年初，中国兵器工业集团防化装备研究院宣布了一项关键突破：依托自主研发的载硫改性活性炭及优化工艺，成功推出烟气脱汞专用活性炭，脱汞精度可达≤0.01μg/Nm³，填补了国内中高温脱汞领域的技术空白。这一进展意味着活性炭的应用场景有望从“尾部治理”前移至“高温段拦截”，为工艺布局提供更大自由度。

　　模型指导工程：从经验到科学

　　传统ACI系统调试高度依赖“试错”与经验绩效带。近年来，基于气固传质理论的ESP汞捕集模型逐步成熟，能够根据烟气参数、ESP结构、炭粉物性等输入，预测特定喷射率下的理论汞去除上限。这类工具的价值不在于替代试验，而在于帮助工程师识别瓶颈——是传质受限、烟气化学干扰，还是喷射系统设计缺陷?当现场数据明显低于模型预测时，优化的方向便豁然清晰。

　　吸附剂再生与资源化：尚未闭合的循环

　　与废水处理不同，用于废气吸附的载汞活性炭目前多以“一次性使用+固化填埋”为主。随着汞排放标准收紧和活性炭用量攀升，如何实现载汞炭的安全处置与潜在汞资源回收，将是下一个必须面对的课题。

　　看不见的吸附，看得见的进步

　　从固定床实验到千兆瓦级电站应用，从常温喷射到中高温脱汞，活性炭与汞的这场“吸附竞赛”已持续数十年。每一步技术跨越，都源于对微观机理的更深刻理解——粒径分布的细微差异、烟气中痕量SO₂的干扰、炭粉在电场中的沉降轨迹，这些看似琐碎的参数，最终汇聚成烟囱出口那行不断下降的监测数据。

　　今天的活性炭，已不仅是多孔碳材料，而是一个可设计、可优化、可预测的功能平台。面对日益刚性的汞排放约束和更加复杂的工业场景，活性炭吸附技术仍将继续演进。但有一点可以肯定：在工业废气治理的技术谱系中，活性炭从未退场，也远未抵达极限。

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