活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭在废气脱硫脱硝中的作用

　　提起活性炭，很多人脑海里浮现的是那个黑乎乎的小颗粒，新装修的房间里放几包，冰箱里塞一袋，净水器里装一截。但你不知道的是，同样黑乎乎的一堆颗粒，放在工业烟道里能干的事可比除甲醛复杂得多。

　　活性炭的原料来源非常广泛。把木材、果壳、煤炭、石油焦等含碳原料在高温下隔绝空气进行炭化，再通入水蒸气或二氧化碳进行活化处理，就能得到活性炭。这个过程会在碳材料内部“挖”出密密麻麻的微孔——1克活性炭的比表面积可以高达500到3000平方米。形象点说，一小把活性炭颗粒内部的孔隙面积，摊开了能铺满好几个篮球场。

　　根据原料不同，活性炭可分为木质活性炭、煤质活性炭、果壳类活性炭、石油焦活性炭等;按外观形状又可分为粉状、颗粒状、蜂窝状，还有活性炭纤维、活性炭布等形态。专门用于烟气治理的脱硫脱硝活性炭，通常选用优质无烟煤为主要原料，经过特殊工艺精制而成，具有机械强度高、灰分低、孔隙结构发达等特点。

　　正是这种发达的孔隙结构和巨大的比表面积，让活性炭成了废气治理领域的“多面手”。

　　脱硫吸附与催化双管齐下

　　活性炭脱硫，不是简单的“把二氧化硫吸进去就完事”。这是一个物理吸附与化学催化协同作用的过程。

　　烟道气中的二氧化硫首先被活性炭发达的微孔结构物理吸附到表面。但这只是第一步。活性炭表面含有丰富的官能团，在这些官能团的催化作用下，二氧化硫与烟气中的氧气反应生成三氧化硫，三氧化硫再与水蒸气结合变成硫酸，吸附在活性炭的微孔内。整个过程中，活性炭既是吸附剂，又是催化剂。

　　这种双重身份带来了一个关键优势：活性炭脱硫不是简单的“转移”——把气体污染物变成固体废弃物堆在那里。而是通过催化转化，把二氧化硫变成了可以回收利用的硫酸。通过加热再生活性炭，可以释放出高浓度的二氧化硫气体，用于生产浓硫酸、液体二氧化硫或硫磺。也就是说，活性炭把废气中的“污染物”变成了“资源”。

　　从效率上看，活性炭脱硫的表现相当出色。工业应用中二氧化硫的脱除率可以达到98%以上。在分段设计的净化装置中，脱硫段出口二氧化硫浓度甚至可以降到5毫克每立方米以下。

　　脱硝低温下的高效催化

　　脱硝是另一套机制。活性炭在这里扮演的是催化剂的角色——向烟气中喷入氨气，在活性炭表面，氮氧化物和氨发生选择性催化还原反应，生成无害的氮气和水。

　　活性炭脱硝最突出的优势在于“低温活性”。传统的选择性催化还原脱硝技术通常需要将烟气加热到300摄氏度以上才能有效工作，这意味着巨大的能源消耗。而活性炭在100到200摄氏度的温度区间就能高效催化还原氮氧化物。中国科学院的研究团队更进一步发现，在110到150摄氏度这个温度范围，活性炭就能把氮氧化物催化还原成氮气和水。

　　这意味着什么?很多工业窑炉排出的烟气温度正好落在这个范围，不需要额外消耗能源去升温。仅此一项，就能节省可观的运行成本。

　　在效率方面，活性炭脱硝同样可圈可点。通过合理的工艺设计和活性炭改性，脱硝效率可以达到80%以上，部分先进装置甚至能达到85%以上。分段设计的净化系统将脱硫和脱硝分开在不同功能区进行，避免了副反应的发生，进一步提升了脱硝效率。

　　一箭多雕协同治理多种污染物

　　活性炭在废气治理中最吸引人的地方，不是它能单独做好脱硫或者脱硝，而是它能同时做好很多事情。

　　一套活性炭净化装置，可以同步脱除烟气中的二氧化硫、氮氧化物、粉尘、汞、砷、二噁英、氟化物、氯化氢等多种有害物质。活性炭吸附层本身就像一层高效的颗粒物过滤器，烟气中的粉尘在惯性碰撞和拦截效应的作用下被大孔吸附截留。重金属和二噁英等微量污染物也能被活性炭一并捕获。

　　这种“一箭多雕”的能力带来的直接好处是：企业不需要为每一种污染物单独建设一套治理设施。脱硫塔、脱硝反应器、除尘器、除二噁英装置……这些原本需要串联建设的设备，现在可以集成到一套活性炭系统中。设备占地小了，投资省了，维护也简单了。

　　活性炭联合脱硫脱硝技术正是凭借这种“同时脱除多种污染物、脱除效率高、投资小”的综合优势，被认为比较适合我国的国情。

　　干法工艺没有二次污染

　　与传统的湿法脱硫工艺不同，活性炭法属于干法烟气净化技术。

　　湿法脱硫需要大量的水来制成浆液或溶液，处理过程中会产生废水、废渣等二次污染物，后续处理成本不低。活性炭法在整个脱硫脱硝过程中基本不消耗水——没有废水需要处理，没有废渣需要填埋。

　　没有二次污染，意味着不需要再为“治理污染的污染”花钱。这对于环保标准越来越严格、排污成本越来越高的工业企业来说，是一个实实在在的优势。

　　此外，活性炭本身具有良好的化学稳定性、热稳定性和疏水性。它不溶于水和有机溶剂，耐酸碱、耐热。在复杂的工业烟气环境中，这些特性保证了活性炭能够长期稳定运行。吸附饱和后的活性炭可以通过加热再生循环使用——不是一次性消耗品，而是可以反复利用的治理工具。

　　活性炭产品长什么样

　　说了这么多活性炭能干的事，你可能想知道专门用于脱硫脱硝的活性炭产品到底长什么样、性能怎么样。

　　市面上主流的脱硫脱硝活性炭通常是黑色柱状颗粒。以煤质柱状活性炭为例，其主要性能指标包括：水分含量一般不高于3%，耐磨强度在97%以上，耐压强度不低于40daN。脱硫值通常在20mg/g以上，部分优质产品可以达到22mg/g甚至更高;脱硝率要求不低于40%到50%。碘吸附值反映了活性炭的微孔发达程度，脱硫脱硝用活性炭的碘值通常在600mg/g以上。堆积密度一般在550到700kg/m³之间。

　　这些参数背后对应的是实际使用中的表现——强度高意味着在装置中反复移动和再生时不易破碎粉化;脱硫值和脱硝率直接决定了治理效果;碘值高说明孔隙发达、吸附能力强。

　　不同厂家、不同原料制备的活性炭产品在具体指标上会有所差异，但总体上都围绕“高吸附性能、高机械强度、长使用寿命”这三个方向优化。

　　为什么活性炭值得关注

　　回过头来看，活性炭在废气脱硫脱硝中的作用可以总结为几个关键词：高效、协同、资源化、无二次污染。

　　它用一个材料、一套设备，同时对付好几种污染物;它在低温下就能工作，不需要额外加热;它把二氧化硫变成了硫酸，把氮氧化物变成了氮气和水;它不消耗水、不产生废水和废渣;它可以再生、可以循环使用。

　　在“双碳”目标和超低排放标准不断加码的大背景下，工业企业面临的环保压力只会越来越大。活性炭法提供了一条既能达标排放、又能回收资源、还能控制综合成本的治理路径。这不是什么花哨的新技术，活性炭脱硫法从20世纪70年代就开始发展，经过半个多世纪的迭代和完善，已经是一套成熟可靠的工艺。

　　从原料到产品，从吸附到催化，从脱硫到脱硝，从治理到资源化，活性炭在废气治理中的角色，远远不止是“一包黑炭”那么简单。

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