烟气脱硫脱硝活性炭的研究进展(5)
2.2 机械强度优化
将活性炭进行大规模的工业应用,对强度的要求是必不可少的。刘少俊[25]选取了几种来自不同产地的市场上常见的活性炭,研究发现煤质活性炭的机械强度明显优于椰壳活性炭。Baran[26]以土耳其沥青质(含40%灰分)为碳源,经高温加压膨胀预炭化和三步升温炭化,制备了平均孔径150μm的泡沫碳,其密度为800 kg/m3,经1323K炭化后,抗压强度由沥青原材料的10 MPa提高到了18 MPa,沥青中高含量的灰分为泡沫碳的机械强度提供了支持。将其与煤质、煤焦油沥青质、石油沥青质[27-29]以及三井公司的AR沥青质泡沫碳[30](萘经过催化聚合得到)进行了密度和抗压强度的对比,此四种碳材料密度分别在160~800、560~670、340和200~600kg·m-3,相应的抗压强度分别为2.5~18.7、8~18.2、3.9和1~4MPa。
发达的孔隙结构会导致碳骨架脆弱,机械强度降低。目前工业上主要使用粉末状原料通过添加粘结剂经挤压成型、高温炭化制得所需形状的活性炭。此方法主要通过添加粘结剂来达到成型和强度要求,关键在于粘结剂的选择和炭化活化工艺条件的控制。无机粘结剂容易提高活性炭的强度,但是添加过多容易导致比表面积的降低,降低脱硫脱硝性能。而有机粘结剂在后续煅烧过程中碳化变为疏松的无定型碳,对机械强度的提高程度有限。乔文明[31]发现椰壳活性炭的抗压强度很难达到5MPa以上,而焦油活性炭则比较容易,以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂,邻苯二甲酸二丁酯(DBP)为增塑剂,通过混合、成型、硬化及900℃炭化处理,发现高的成型压力下得到的活性炭的抗压强度也相应的较高,在400MPa的成型压力下,焦油活性炭的抗压强度可达到6.02MPa(密度0.55g·cm-3),而相应的椰壳活性炭的抗压强度为其比表面积为4.50 MPa(密度0.59 g·cm-3)[32]。丁佳丽[33]以太西煤为原料,添加了15%的天然粘结剂NPA,200 kN成型压力下成型,经炭化和水蒸气活化制得活性炭,800℃下活化,当活化时间由90min延长至180 min时,活性炭的机械强度由93.04%减小到88.32%。郑亚旭[34]使用陕西榆林废弃的半焦,以煤焦油为粘结剂,经600℃碳化,800℃下使用CO2活化制备了耐压强度在11.21MPa的柱状活性焦,相应的平均脱硫率达到90%。
3 孔结构对脱硫脱硝性能的影响
3.1 比表面积
有关孔容和比表面积对活性炭的脱硫性能及硫容的影响的研究很多,其影响结果也不尽相同。李阳[35]使用水蒸气在850~950℃下活化制备了一系列比表面积的煤质活性焦,使用含SO ppm的模拟烟气,在5000 h-1的空速下进行脱硫研究,发现硫容与总比表面积和孔容均没有关联,但是与微孔比表面积呈现良好的相关性,微孔比表面积最大的活性焦的硫容也呈现出最大值;作者认为微孔是发生脱硫反应的主要场所,脱硫后活性焦微孔容积相比原活性焦减少0.0115 cm3/g,证明脱硫之后SO2被氧化成SO3储存在微孔中。张立强[36]发现在微波再生过程中C与生成的H2SO4反应造成的碳烧失使得比表面积及孔容增大,300W和400W再生功率下循环17次后碳烧失率分别为19%和27.8%(质量分数),比表面积由最初的524.9m2·g-1上升到721.2 m2·g-1,硫容由70 mg·g-1上升到了85 mg·g-1。黄贵杰[37]发现在较高的进气浓度和较低的吸附温度下,活性炭的微孔比表面积与SO2吸附量的线性相关系数较大,说明在此条件下SO2的吸附量主要受到微孔的影响,而在低进气浓度和较高的吸附温度下,SO2吸附量不仅与微孔相关,还与SO2进气浓度和床层反应温度有关。
3.2 孔体积及孔分布
活性炭的孔结构与比表面积可以对脱硫脱硝起到一定的影响。在活性炭的吸脱附过程中,中孔作为传质通道,微孔作为储存场所。石磊[38]使用椰壳活性炭在30℃下同时吸附H2S(体积分数2%)和SO2(体积分数1%),空速237.7 h-1,出口的总硫量可以降低至10 mg/m3,吸附的气体量折合成单质硫来计算,在此条件下每克活性炭可吸附64.27 mg硫单质,研究发现0.5 nm左右的微孔是吸附的主要活性位,中孔对深度脱硫并没有太大贡献。刘少俊[25]分别使用椰壳和煤制备了一系列孔隙结构的活性炭并于120℃下进行脱硫,整体上看来,孔隙结构发达的样品具有较高硫容,但是硫容与孔容并不呈线性关系,而在500~800 m2/g区间内,比表面积与硫容呈一定的线性关系,作者认为在活性位的数量相当的情况下,大的比表面积有利于活性位的均匀分布,也增加了反应物的扩散区域,因而更能有效利用作为存储空间的孔容。Daley[39]使用活性炭纤维(ACF)探究了孔分布对活性炭脱硫的影响,发现ACF初始吸附速率与孔径成反比,而总吸附量是由孔径和孔体积共同决定的;高温处理可以增大孔体积,从而提高SO2的吸附量,其中1000℃热处理的ACF表现出了最高的吸附量。张彬[40]使用ZnCl2活化法制备了一系列废茶活性炭,具有最大的比表面积(1485 m2/g)的样品吸附脱硫性能反而最差,微孔孔径增加降低了微孔的吸附势能,不利于活性炭对SO2的吸附,相对而言孔径在0.7 nm左右的样品脱硫效果更好,与李兵[41]和Raymundo[42]的结论一致。黄贵杰[37]指出在较高进气浓度和低吸附温度时,活性炭的总孔容与吸附量呈较好的线性关系,吸附温度298K,进气浓度 mg/m3时,线性相关系数达到最大值0.9578。而进气浓度较低,吸附温度较高时,活性炭孔容的利用率相对较低,总孔容与SO2吸附量的线性相关系数较小。
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2021/0217/452.html