CN112158840B - 高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统及方法 - Google Patents

高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统及方法，系统，包括：第一反应器，其原料进口分别与碳材料源和高硫高氧烟气源连接，用于提供氧气与碳材料在低温下生成CO的空间；第一气固分离器，其气体进口与第一反应器的气体出口连通；第二反应器，进口与第一气固分离器的气体出口连通，用于提供二氧化硫还原生成硫磺的空间；第二气固分离器与第二反应器的气体出口连通，其固体出口与硫磺回收装置连接；第三反应器，其进口分别与第一气固分离器的固体出口、第二气固分离器的气体出口连通，提供碳材料活化的空间。通过控制温度，不仅可以除去烟气中的O2、SO2等成分，还可以获得硫磺和活性碳，实现了烟气中SO2污染气体的资源化利用。

Description

高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统及方法
技术领域
本发明属于活性碳材料制备领域，具体涉及一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
活性碳是将一些含碳物质进行碳化活化处理而制得，是一种常见的多孔碳质吸附材料，因其具有孔隙结构发达、比表面积巨大、化学性质稳定、表面性质可调和再生后可重复利用等优点，被广泛应用于化工、环保、冶金、材料等领域。随着科技的进步和活性碳应用领域的不断拓展，人们对活性碳的使用要求也越来越高。一般来说，制备活性碳的原料可分为三类：(a)植物类原料活性碳：木材、椰壳、核桃壳、杏核、竹材、稻草等；(b)矿物类原料活性碳：煤、石油焦、油、煤沥青、石油残渣、石油沥青等；(c)其他原料活性碳：塑料类、纸浆废液、旧轮胎、动物骨、蔗糖、糖蜜等，使用的原料不同，活性碳的制备工艺、产品的吸附性能、催化性能也不尽相同。传统的活性碳活化方法有物理法、化学法和物理化学法等，物理活化法高温下是利用CO2、水蒸气等活化剂与前驱体内部的碳原子反应，通过开孔、扩孔和创造新孔的途径形成丰富微孔的方法，具有无污染，无腐蚀性的优点。
用于碳材料气化活化的气化剂常用的有二氧化碳、水蒸气、空气(氧气)等，研究表明，水蒸气的气化反应速率要明显高于CO2的气化速率，氧气作为气化剂时要严格控制反应条件。
工业废气，是指企业厂区内燃料燃烧和生产工艺过程中产生的各种排入空气的含有污染物气体的总称。这些物质通过不同的途径进入人的体内，有的直接产生危害，有的还有蓄积作用，会更加严重的危害人的健康，不同物质会有不同影响。所以说探究行之有效的处理工业废气的方法意义重大。
工业废烟气的处理一直是研究重点，现在已经有很多技术进行烟气脱硫脱硝，干、湿法脱硫+SCR/SNCR脱硝技术都已经很成熟。湿法脱硫技术具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次污染等问题；干法脱硫技术具有无污水废酸排出、设备腐蚀程度较轻，烟气在净化过程中无明显降温、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散、二次污染少等优点，但存在脱硫效率低，反应速度较慢、设备庞大等问题。现在半干法脱硫收到广泛关注，因为它既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点，又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的优势。但是现有的烟气脱硫方法中都无法对烟气中的硫进行回收利用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统及方法。
为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，包括：
第一反应器，其原料进口分别与碳材料源和高硫高氧烟气源连接，用于提供氧气与碳材料在低温下生成CO的空间；
第一气固分离器，其气体进口与第一反应器的气体出口连通；
第二反应器，进口与第一气固分离器的气体出口连通，用于提供二氧化硫还原生成硫磺的空间；
第二气固分离器与第二反应器的气体出口连通，其固体出口与硫磺回收装置连接；
第三反应器，其进口分别与第一气固分离器的固体出口、第二气固分离器的气体出口连通，提供碳材料活化的空间。
第二方面，本发明提供一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，包括如下步骤：
碳材料和高硫高氧烟气在第一反应器内，在300-550℃下反应，烟气中的氧气与碳材料反应，生成CO，碳材料实现初步活化；
反应后的烟气将初步活化后的碳材料携带至第一气固分离器中进行气固分离，分离后的气体进入第二反应器中，在500-750℃下，烟气中的CO与SO2反应，生成CO2和硫单质；
来自第二反应器的乏气和来自第一气固分离器的初步活化的碳材料进入第三反应器中，在700-1000℃下，进行碳材料的再次活化。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
结合碳热还原工艺和活性碳的活化工艺，通过控制温度的高低控制不同反应的进行，不仅可以除去烟气中的O2、SO2等成分，还可以获得硫磺和活性碳，实现了烟气中SO2污染气体的资源化利用，缓解我国烟气中SO2污染问题。该工艺简单，无二次污染，市场前景广阔。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
其中，1、碳材料储仓，2、第一反应器，3、第一气固分离器，4、第二反应器，5、第二气固分离器，6、第三反应器，7、第三气固分离器，8、活性碳储仓，9、精除尘装置，10、硫磺回收装置，11、硫磺储罐。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，包括：
第一反应器，其原料进口分别与碳材料源和高硫高氧烟气源连接，用于提供氧气与碳材料在低温下生成CO的空间；
第一气固分离器，其气体进口与第一反应器的气体出口连通；
第二反应器，进口与第一气固分离器的气体出口连通，用于提供二氧化硫还原生成硫磺的空间；
第二气固分离器与第二反应器的气体出口连通，其固体出口与硫磺回收装置连接；
第三反应器，其进口分别与第一气固分离器的固体出口、第二气固分离器的气体出口连通，提供碳材料活化的空间。
在一些实施例中，在烟气流通管线上设置引风机或送风机。为烟气的流动提供动力。
在一些实施例中，第一反应器中，碳材料进料口位于高硫高氧烟气进口的上方。通过控制碳材料的粒径和加入量，以及高硫高氧烟气的流速，使得烟气可以将碳材料顺利携带至下游的气固分离器中。
进一步的，碳材料源为碳材料储仓，碳材料储仓的出口处设置锁气给料机。可以精确控制输料量的同时保证系统的密封性。
在一些实施例中，第一反应器、第二反应器和第三反应器的底部均设置有燃烧器。
进一步的，第一反应器、第二反应器和第三反应器的外部设置有保温层。有助于维持反应炉内的温度，促进反应的进行。
在一些实施例中，第一气固分离器、第二气固分离器和第三气固分离器为为重力沉降器或惯性分离器。
进一步的，第三气固分离器的气体出口连接有精除尘装置。
更进一步的，精除尘装置为金属网过滤器或陶瓷过滤器。
进一步的，第三气固分离器的固体出口设置有硫磺回收装置。
第二方面，本发明提供一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，包括如下步骤：
碳材料和高硫高氧烟气在第一反应器内，在300-550℃下反应，烟气中的氧气与碳材料反应，生成CO，碳材料实现初步活化；
反应后的烟气将初步活化后的碳材料携带至第一气固分离器中进行气固分离，分离后的气体进入第二反应器中，在500-750℃下，烟气中的CO与SO2反应，生成CO2和硫单质；
来自第二反应器的乏气和来自第一气固分离器的初步活化的碳材料进入第三反应器中，在700-1000℃下，进行碳材料的再次活化。
在一些实施例中，碳材料的粒径60μm-3mm。
进一步的，碳材料为煤粉、生物质半焦、兰炭或石油焦。
在一些实施例中，高硫高氧烟气中的SO2浓度为2％-30％。
进一步的，每升高硫高氧烟气与0.5-2g碳材料混合反应。
实施例
一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，包括：
第一反应器2，其原料进口分别与碳材料储仓1和高硫高氧烟气源连接，碳材料储仓1的出口处设置锁气给料机，用于提供氧气与碳材料在低温下生成CO的空间；碳材料进料口位于高硫高氧烟气进口的上方。通过控制碳材料的粒径和加入量，以及高硫高氧烟气的流速，使得烟气可以将碳材料顺利携带至下游的气固分离器中。
第一气固分离器3，其气体进口与第一反应器2的气体出口连通；
第二反应器4，进口与第一气固分离器3的气体出口连通，用于提供二氧化硫还原生成硫磺的空间；
第二气固分离器5与第二反应器4的气体出口连通，其固体出口与硫磺回收装置连接；
第三反应器6，其进口分别与第一气固分离器3的固体出口、第二气固分离器4的气体出口连通，提供碳材料活化的空间。第三气固分离器7的固体出口设置有硫磺回收装置。
第一反应器2、第二反应器4和第三反应器6的底部均设置有燃烧器，其外部均设置有保温层。有助于维持反应炉内的温度，促进反应的进行。
第一气固分离器3、第二气固分离器5和第三气固分离器7为为重力沉降器或惯性分离器，第三气固分离器7的气体出口连接有精除尘装置9，精除尘装置9为金属网过滤器。
高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，包括如下步骤：
碳材料和高硫高氧烟气在第一反应器内，在450℃下反应，烟气中的氧气与碳材料反应，生成CO，碳材料实现初步活化；
反应后的烟气将初步活化后的碳材料携带至第一气固分离器中进行气固分离，分离后的气体进入第二反应器中，在650℃下，烟气中的CO与SO2反应，生成CO2和硫单质；
来自第二反应器的乏气和来自第一气固分离器的初步活化的碳材料进入第三反应器中，在800℃下，进行碳材料的再次活化。
碳材料为煤粉，粒径60μm-3mm。高硫高氧烟气中的SO2浓度为8-15％。
碳材料储存在碳材料储仓中，由给料机控制给料量并输送至第一反应器，在第一反应器中与高硫高氧烟气混合，由第一反应器底部设置燃烧器提供反应所需热量，在低温环境下碳材料首先与氧气发生反应，对碳材料进行初步活化，因缺氧生成CO，然后经过分离器进行气固分离，气体进入第二反应器，CO与SO2发生碳热还原反应，还原出单质硫蒸气，反应后的乏气经硫磺回收装置后同第一反应器分离出来的乏碳一起进入第三反应器，乏气中的CO2对乏碳进一步活化，进一步造孔增加比表面积，出来的乏气首先进入精除尘装置过滤掉乏气中粒径较细的粉尘，固体粉尘返回碳热还原塔燃烧器作为燃料，除尘后的乏气进入烟气净化系统后排出。
从第一反应器分离出来的乏气成分主要是N2、CO、SO2，少量CO2等；
从第二反应器出来的气体主要有N2、硫蒸气、CO2等。
制备的活性炭的比表面积为1300m2/g左右。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：包括：
第一反应器，其原料进口分别与碳材料源和高硫高氧烟气源连接，用于提供氧气与碳材料在低温下生成CO的空间；
第一气固分离器，其气体进口与第一反应器的气体出口连通；
第二反应器，进口与第一气固分离器的气体出口连通，用于提供二氧化硫还原生成硫磺的空间；
第二气固分离器与第二反应器的气体出口连通，其固体出口与硫磺回收装置连接；
第三反应器，其进口分别与第一气固分离器的固体出口、第二气固分离器的气体出口连通，提供碳材料活化的空间；
烟气中的氧气与碳材料在所述第一反应器内进行反应，生成CO，碳材料实现初步活化，烟气中的CO与SO2在第二反应器内进行反应，生成CO2和硫单质，来自第二反应器的乏气和来自第一气固分离器的初步活化的碳材料在所述第三反应器中，进行碳材料的再次活化。
2.根据权利要求1所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：在烟气流通管线上设置引风机或送风机。
3.根据权利要求1所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：第一反应器中，碳材料进料口位于高硫高氧烟气进口的上方。
4.根据权利要求3所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：碳材料源为碳材料储仓，碳材料储仓的出口处设置锁气给料机。
5.根据权利要求1所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：第一反应器、第二反应器和第三反应器的底部均设置有燃烧器。
6.根据权利要求5所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：第一反应器、第二反应器和第三反应器的外部设置有保温层。
7.根据权利要求1所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：第一气固分离器、第二气固分离器和第三气固分离器为重力沉降器或惯性分离器。
8.根据权利要求7所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：第三气固分离器的气体出口连接有精除尘装置。
9.根据权利要求8所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：精除尘装置为金属网过滤器或陶瓷过滤器。
10.根据权利要求7所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的系统，其特征在于：第三气固分离器的固体出口设置有硫磺回收装置。
11.一种高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，其特征在于：包括如下步骤：
碳材料和高硫高氧烟气在第一反应器内，在300-550℃下反应，烟气中的氧气与碳材料反应，生成CO，碳材料实现初步活化；
反应后的烟气将初步活化后的碳材料携带至第一气固分离器中进行气固分离，分离后的气体进入第二反应器中，在500-750℃下，烟气中的CO与SO2反应，生成CO2和硫单质；
来自第二反应器的乏气和来自第一气固分离器的初步活化的碳材料进入第三反应器中，在700-1000℃下，进行碳材料的再次活化。
12.根据权利要求11所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，其特征在于：碳材料的粒径60µm-3mm。
13.根据权利要求11所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，其特征在于：碳材料为煤粉、生物质半焦、活性碳或石油焦。
14.根据权利要求11所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，其特征在于：高硫高氧烟气中的SO2浓度为2%-30%。
15.根据权利要求11所述的高硫高氧冶炼烟气调质协同碳材料活化的方法，其特征在于：每升高硫高氧烟气与0.5-2g碳材料混合反应。
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