碳材料对燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展 论文

随着全球对能源需求的不断增长，煤炭作为能源使用依旧广泛。然而，燃煤发电所产生的烟气中含有大量的硫氧化物（SOx），特别是二氧化硫（SO2），对环境造成了严重的污染。因此，对燃煤烟气中的硫进行有效的脱除，成为当前研究的重要课题。本文主要探讨了基于碳材料技术在燃煤烟气硫脱除及硫资源化方面的研究进展，并对孔结构和官能团在其中的作用进行了分析。传统的湿法脱硫（Wet Flue Gas Desulfurization, WFGD）技术，尽管可以有效控制SO2的排放量，但是存在高水耗和低值副产石膏难以处理的问题，限制了其可持续发展。而基于碳材料的脱除技术，因其具有低水耗、无二次污染、可回收污染物、可再生利用等优点，被视为重要的发展方向。碳材料由于其独特的孔结构和表面官能团，使得其在吸附和催化方面表现出了卓越的性能。碳材料孔隙的大小、形状以及官能团的种类和分布都会对SO2的吸附和转化产生重要影响。碳材料的孔结构可以分为微孔、中孔和大孔，而具有分级孔结构的碳材料能够有效强化SO2的吸附和转化，以及产物硫酸的迁移过程。研究发现，在碳材料中掺杂非碳元素（如氮和氧），可以改变碳平面的电子结构，从而影响碳材料在吸附和催化氧化过程中的性能。因此，孔隙结构与功能性官能团的协同定向构筑，成为调控和提升脱硫性能的有效方式。通过这种方式可以达到更高的脱硫效率和更低的能耗。然而，脱硫后的碳材料需要进行再生处理，以便回收利用。目前，热再生和水洗再生是主要的再生技术。热再生能耗较高且活性焦的质量损失较大，而水洗再生效率相对较低，活性焦循环脱硫能力较差。高效再生的关键在于活性焦不同尺度孔隙结构的有效配组，以强化物质输运扩散。在所有的脱硫副产物中，硫磺由于物质量小、价值高、便于储运，被视为理想的资源化回收目标。为了实现高效的硫磺生成，碳基还原剂的活性与选择性调控是关键。文章还论述了高性能煤基活性焦的低成本宏量制备方法，尤其是强化脱硫过程的分级孔活性焦低成本制备方法。传统的柱状活性焦制备工艺复杂、成本高且孔隙结构呈微孔分布，存在内扩散阻力大、内表面利用率低、吸附性能差等问题。破碎或颗粒状活性焦有望降低制备成本且实现活性焦孔隙的深度调控，但结构稳定性的提升是关键。通过催化活化、配煤、催化石墨化等方法，可以实现兼具高活性和高结构稳定性的脱硫活性焦的制备。碳材料在燃煤烟气脱硫及资源化方面的应用具有明显的优势和潜力。通过进一步的研究与技术进步，有望在降低能耗、提高资源回收效率、减少环境污染等方面取得突破，为可持续发展的清洁能源技术提供有力支持。