浸渍法制备天然气活性炭脱硫剂实验研究

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　　摘 要：制备脱硫剂的方法多种多样，选择等体积浸渍法制备脱硫剂，利用一定的溶液浸渍活性炭，可以显著改善其脱硫性能。分析浸渍法制备天然气活性炭脱硫剂实验的具体过程和相关影响因素，具有现实的理论意义和实践价值。
　　关键词：浸渍法 天然气活性炭脱硫剂 实验
　　活性炭孔径分布广，比表面积大，对许多污染物都有吸附作用。活性炭本身有催化氧化作用，在脱硫方面的应用已有几十年的历史。活性炭类脱硫剂常用于无氧、高湿度天然气氛中脱除H2S。传统活性炭脱硫由于吸附和反应速率低，难达到工业脱硫要求。浸渍活性炭脱硫克服了上述缺点，利用活性炭材料的特殊表面结构，在浸渍剂的协同作用下通过吸附、催化氧化实现H2S的净化。该过程具有脱硫反应速度快、硫容高等特点，倍受研究者青睐。
　　一、实验装置设计
　　首先根据设计的脱硫剂制备工艺和脱硫剂的配方情况，确定了所需制备原料和试剂。实验中用到的主要化学药品包括活性炭、硝酸镍、硝酸铜、硫化氢以及羰基硫等。实验中需要的仪器和实验设备包括：电子天平、定时电动搅拌器、电热恒温鼓风干燥箱、箱式电阻炉以及质量流量计等。
　　二、天然气活性炭脱硫剂制备
　　首先以不同活性炭作为载体，以钠、铜、铁盐为活性组分促进剂的前驱体，采用浸渍法制备吸附剂，选择适宜的制备方法。空白活性炭对天然气中的含硫化合物有一定的吸附功能， 但其吸附基本上属于物理吸附， 吸附过程极易达到平衡， 穿透硫容低，而不能实现对含硫化合物的深度脱除。为改善脱硫效果， 需要对其进行改性。用0.9mol/l铜、锌、铁金属盐溶液， 等体积浸渍24小时，以天然气和H2S为原料（其中H2S含量5000mg/m3），在脱硫温度20℃，压力常压，气空速1000h-1，吸附剂装量20 ml，吸附剂粒度现场用量是Φ1.25-1.5×5～10mm和Φ3×5～10mm的条件下进行实验，考察活性炭的脱硫性能，脱硫穿透实验中，将反应器出口脱硫天然气硫含量达到5mg/m3作为硫的穿透点，测量以此为基础的硫穿透能力，此时吸附剂所用吸附时间定义穿透时间，100克新鲜吸附剂所吸收的硫容量定义为吸附剂的穿透硫容。
　　图1为20℃相对湿度下，入口体积浓度为5000mg/m3的H2S在改性活性炭上的穿透曲线。未改性活性炭实验刚开始几个小时就被穿透，并很快达到饱和，即不再具有脱硫能力。活性炭的催化氧化活性很低， 硫的脱除很大程度上依赖于吸附作用。改性后活性炭穿透曲线明显变缓， 改性剂增强了H2S 在活性炭表面上液膜内的富集和解离， 有效地增强了催化氧化作用。添加助剂后， 实验开始检测不到H2S，脱硫曲线变得陡峭，脱硫效果明显改善。助剂改善了活性炭孔内液膜分布， 降低了气体在液膜中的传质阻力。有效扩散系数增大， 穿透曲线变陡， 穿透时间延长， 穿透硫容增大。
　　三、各相关因素对脱硫性能影响的实验分析
　　1.浸渍时间
　　将活性炭在0.9mol/l铜盐溶液中等体积浸渍，100～120℃干燥， 然后在氮气保护下350℃下焙烧2h。在脱硫温度20℃，压力常压，气空速1000h-1，吸附剂装量20ml，吸附剂粒度为Φ3×5～10mm的条件下进行实验，考察了上述改性活性炭的脱硫性能，脱硫穿透实验中，将反应器出口脱硫天然气硫含量达到5mg/m3作为硫的穿透点，测量以此为基础的硫穿透能力，此时吸附剂所用吸附时间定义穿透时间，100克新鲜吸附剂所吸收的硫容量定义为吸附剂的穿透硫容。随着浸渍时间的延长，脱硫剂的穿透时间增加，当浸渍时间大于12小时后，脱硫剂的穿透时间基体不变，穿透时间均在21小时以上， 效果明显。其中浸渍时间为12和24小时，脱硫剂的穿透时间相差不大， 所以选择脱硫剂的浸渍时间为12小时。
　　2.焙烧时间
　　焙烧是制备脱硫剂过程中重要的一步，焙烧法活化脱硫剂的目的在于使载体中的活性组分促进剂分解，得到具有一定孔结构、比表面积和压碎强度的脱硫剂前驱体，使脱硫剂具有催化活性，保持结构的稳定性。焙烧过程中在吸附剂内部形成大量的微孔，不同的焙烧的条件对反应吸附剂的性能影响很大，焙烧条件能够改变促进剂。当在活性炭上负载5.0%的铜金属，焙烧温度为350℃时，考察焙烧时间对穿透时间的影响。与活性组分含量和焙烧温度相比较，焙烧时间对穿透时间的影响较小。当焙烧时间1.0 h和2.0 h 时， 其穿透时间分别为21.90小时和22.7小时，焙烧时间5.0 小时， 穿透时间为19.8小时，随着焙烧时间的延长， 穿透时间略有下降。焙烧时间长而吸附性能下降的原因可能为活性炭的吸附孔穴在过长的焙烧时间下发生坍塌，使其孔容减小，从而影响了其吸附脱硫性能。
　　3.焙烧温度
　　在焙烧过程中会发生许多化学变化，如温度升高会促进分解反应的进行，热分解后在吸附剂上留下许多孔隙，使比表面增加，但温度的提高又会引起脱硫剂的烧结现象，使比表面降低；在焙烧过程中随温度的升高和时间的延长，脱硫剂颗粒的粒径会减小，从而孔隙结构也会发生变化。温度过低，脱硫剂中的活性组分转化不完全；温度过高又会引起脱硫剂的烧结。因此，必须严格控制焙烧温度和时间，才能获得良好的与吸附剂性能密切相关的物相、晶粒度、孔结构和比表面等。当焙烧温度为300℃、350℃和400℃时， 其穿透时间分别为19.9小时， 22.7小时和18.1小时，由此说明焙烧温度不宜太高，否则穿透时间反而降低。可能因为在350℃负载在活性炭上铜金属盐已完全分解，当温度进一步升高，发生部分聚集，不利于天然气中硫化物的脱除。
　　四、结语
　　综上所诉，当含硫气体经过活性炭床层时，气体中的硫化物先扩散后被吸附在活性炭表面，经表面催化作用，加速硫化物与工艺气中微量氧的反应，生成单体硫和其它化合物。以活性炭为载体，采用浸渍法制备了天然气脱硫脱硫剂，能够取得理想的实验效果。通过浸渍可以改善活性炭的孔径分布和表面化学环境，增大硫容量，提高催化性能和转化效率。在活性炭中添加适当改性剂或活性剂后或者采用某种改性技术处理活性炭，可显著增强其吸附和催化活性，将物理吸附、化学吸附和催化反应有机地结合在一起，脱硫效率大大提高。
　　参考文献
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