活性炭在綜合治理燒結煙氣中的應用發展現狀
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根據2017年中國生態環境狀況公報的統計，在338個地級及以上城市中，有239個城市環境空氣質量超標，占70.7%。其中PM2.5平均濃度為43μg/m3，超標天數比例為12.4%。PM10平均濃度為75μg/m3，超標天數比例為7.1%。在463個城市(區、縣)開展了降水監測，酸雨城市比例、頻率分別為18.8%、10.8%，其中酸雨面積約62萬平方千米，占國土面積的6.4%。酸雨污染主要分布在長江以南、云貴高原以東地區，主要有浙江、上海的大部分地區、江西中北部、福建中北部、湖南中東部、廣東中部、重慶南部、江蘇南部、安徽南部的少部分地區。經以上數據可知，我國大氣治理仍然面臨嚴峻的挑戰。
我國鋼鐵產量據世界前列，是鋼鐵制造大國。但推動工業發展的同時，也伴隨著嚴重的環境污染。據統計，鋼鐵企業排放的煙氣中SO2、NOx、粉塵占全國污染物總量的11.4%、4.2%、14.7%。燒結作為鋼鐵制造工藝單元之一，其排放的煙氣中SO2、NOX、粉塵分別占鋼鐵排放總量的40%～60%、50%～55%、15%～20%，因此燒結煙氣治理已迫在眉睫。
2018年我國制定了《鋼鐵企業超低排放改造工作方案(征求意見稿)》，方案中明確規定：燒結排放的煙氣中SO2<35mg/m3;NOX<50mg/m3;顆粒物<10mg/m3。在《中華人民共和國大氣污染防治法》中第43條明確規定了鋼鐵等企業在生產過程中排放的硫化物、氮氧化物、粉塵應采用清潔生產工藝，配套建設除塵、脫硫、脫硝等裝置，或者采取技術改造等其他控制大氣污染物排放的措施。因此，加強燒結煙氣的綜合治理是鋼鐵企業發展和生存的必要條件。
針對燒結煙氣的綜合治理，目前有三種治理鋼鐵企業燒結煙氣的技術方案，分別是SCR 法、氧化法、活性炭法。其中據國內外大量研究表明，唯一可以實現同時脫除煙氣中多種污染物只有活性炭法。為了探究活性炭應用在燒結煙氣治理的未來趨勢，本文以活性炭吸附原理為基礎，介紹了目前工業上活性炭工藝和改性活性炭在處理煙氣時的特點，指出了目前活性炭工藝和改性活性炭存在的問題，提出活性炭技術用于鋼鐵廠燒結煙氣脫硫脫硝技術仍屬探索階段，各種設計工藝的脫硝效率、運行成本、二次污染、裝備設施的合理性等都需進一步研究。
1 活性炭工藝治理現狀
1.1 活性炭的吸附原理
活性炭擁有較大的比表面積和發達的孔結構，在其表面上含有豐富的官能團，既可以作為吸附劑又可以作為催化劑載體。
研究表明，當溫度在20～100℃時，SO2被活性炭吸附在表面，此時主要以物理吸附為主;隨著溫度的升高，吸附過程也隨之改變，當溫度在100～160℃時，吸附在活性炭表面上的SO2被進一步催化氧化為SO3，此時主要是以化學吸附為主;當溫度大于250℃時，完全為化學吸附，SO3與H2O 反應生成的H2SO4存儲進了微孔內。其反應方程式為：
1.2 活性炭吸附工藝
工業上利用活性炭凈化煙氣中的污染物，設計了活性炭工藝法，主要有：單級活性炭法、兩級活性炭法、以及逆流式活性炭法。
單級活性炭法由吸附系統、解吸再生系統、副產物回收利用系統三部分構成，應用最廣泛。有文獻表明，寶鋼湛江某鋼鐵基地單臺燒結機上采用了單級活性炭法，其治理效果見表1。
由表1可知，單級活性炭法的脫硝效率并不高，只有62.6%。這是由于當SO2和NOX同時存在時，當SO2濃度高于NH3時，NH3會與SO2反應生成銨鹽被消耗。針對NOX的脫除率低的問題，設計了改進的活性炭法，主要有兩級活性炭法和逆流式活性炭法。
兩級活性炭法工藝主要由煙道系統、兩級吸附系統、解吸系統、活性炭儲運系統組成。其中兩級吸附系統是由一級、二級吸附塔串聯組成，每級吸附塔由4個吸附單元組成，每個單元由左右對稱的六個反應室組成，分別為前室、中室、后室，其凈化效果為：燒結工序產生的SO2濃度為430.50mg/Nm3;NOX濃度為277.50mg/Nm3。經兩級活性炭工藝處理后，排放的SO2濃度為0.75mg/Nm3，凈化效率為99.83%;NOX濃度為30.25mg/Nm3;凈化效率為89.10%。
該法與單級活性炭吸附法相比，可以有效的脫除SO2和NOX，特別是對于NOX，其脫除率可以達到89.10%，遠遠高于單級活性炭吸附法。這是由于燒結煙氣經前室和中室脫硫除塵后，再經后室，導致煙氣中SO2的濃度降低，使得NH3可以直接與煙氣中NOX發生反應形成N2。
逆流式活性炭法工藝的特點在于將脫硫和脫硝功能分開，脫硫段在上、脫硝段在下，通過活性炭自上而下，燒結煙氣自下而上的運動，使得活性炭可以充分吸附煙氣中的污染物，這樣解決了活性炭法交叉運動中飽和程度不一致的問題，又有利于NOX被氨氣還原為N2。河鋼集團的邯鋼公司采用了此工藝，脫硫、脫硝效率達到了99.3%和91.1%。
綜上可知，改進后的活性炭工藝是遵循先脫硫后脫硝的原理來凈化煙氣，在脫硝方面有明顯的提高，但可能需要采用大量的活性炭作為吸附劑以及催化劑，導致了運行費用可能偏高，且容易產生大量的固廢，因此不利于推廣。
1.3 改性活性炭
改性活性炭法是通過化學的方法來改變活性炭上的官能團、比表面積等，從而提高多種污染物的脫除效率和有針對性的提高某種污染物脫除率。目前，主要改性的方法有酸堿法、負載金屬法等。工業上采用的活性炭為直徑9mm 的圓柱形活性炭，但對于改性活性炭的運用則很少，主要停留在研究階段。
黃幫福等人采用硝酸鎳浸漬法制備載鎳活性炭，并模擬燒結煙氣開展了脫硫實驗。研究表明，普通活性炭在30℃時，可以保持19min的脫硫率在80%以上，硫容為4.22mg/g;改性后活性炭在60℃時，可以保持147min的脫硫率在80%以上，硫容為54.18mg/g。同時利用HNO3對載鎳活性炭進行改性研究表明，在HNO3的作用下，溫度為60℃時，載鎳活性炭的脫硫效率可以保持132min在在80%以上，硫容為62.21mg/g。
劉越等人制備了一種以氮摻雜活性炭為載體的低溫SCR 催化劑。該催化劑通過氨氣灼燒法制備的氮摻雜活性炭為載體，結合Mn、V、Fe、Co、Cu等金屬氧化物。通過氨氣灼燒法制備，改性活性炭的表面增加了堿位點數量，使得NO 和O2的吸附量增大，導致了更多的NO 氧化為NO2。且經金屬氧化物負載處理后的催化劑，在其表面形成了大量的酸位點，因此有助于提高了對NH3的吸附性能，從而提高對NO的吸附。研究表明，在80～180℃范圍內可以達到55%～90%的氮氧化物去除效率。
張訊等人制備了一種蜂窩狀活性炭。經研究表明，制備的蜂窩狀活性炭具有比表面積大、機械強度高等優點。通過在蜂窩活性炭上負載活性組分，在低溫時脫硝效率能夠達到80%以上。不同改性活性炭脫除效率見表2。
由表2可知，與普通活性炭相比，改性后活性炭的耐溫性能明顯的提高，同時80%以上脫除效率可以保持的更久。這是由于通過對活性炭的改性，使得活性炭的比表面積、活性炭表面基團數量及種類發生改變，從而使得改性后活性炭在脫除煙氣中的污染物的效率明顯提高。
與前面介紹的活性炭工藝相比較，兩種方法的作用原理、工藝方法和各自的優缺點各有不同。對于不同污染物種類和含量的煙氣處理過程需要進行針對性的選擇，表3中對兩種活性炭處理煙氣過程中的作用原理、方法和各自的優缺點進行了總結。
由表3可知，活性炭工藝中兩級活性炭法工藝、逆流式活性炭法工藝等改進工藝更加有利于凈化煙氣，但活性炭的用量較大;改性活性炭可以根據具體要脫除的污染物來設計，而且在高溫下不影響脫除效果，但生產成本較高。因此選擇合適的方法脫除煙氣中的有害物質還需根據實際的需要。
2 結論
活性炭的內部具有高度發達的孔隙結構和巨大的比表面積，其化學穩定性和熱穩定性好，表面含有多種含氧官能團，具有很強的吸附能力。目前，活性炭工藝在治理燒結煙氣上主要有：單級活性炭法、兩級活性炭法、逆流式活性炭法等。在凈化燒結煙氣時，兩級活性炭法和逆流式活性炭法可以有效地去除煙氣中的SO2、NOX等污染物，但相對的活性炭用量變大，可能導致二次污染。而改性活性炭雖然可以達到同時處理多種污染物，但目前依然停留在實驗探究階段，還未實際應用在工業上。因此，活性炭技術用于鋼鐵廠燒結煙氣脫硫脫硝技術仍屬探索階段，各種設計工藝的脫硝效率、運行成本、二次污染、裝備設施的合理性等都需進一步研究。
