能源与环境问题是当今世界各国关心的重大发展战略问题,由经济发展带来的能源消耗、能量需求和污染物排放越来越不容忽视。中国每年发电用煤近20亿吨,多采用石灰石-石膏湿法脱硫。每年至少开采优质石灰石1.25亿吨,破坏生态环境;副产劣质石膏2.15亿吨,量大质低,难于利用;耗水量大,脱硫废水难零排放,现行脱硫工艺将引发严重生态问题。中国是天然硫资源贫乏国家,2019年进口硫磺超过1100万吨,对外依存度高达71%,且呈逐年增加趋势。因此,开发基于电力生产过程的环境友好型烟气净化及高值硫资源回收技术是国家战略需求。煤基固体碳材料具有来源广、制备成本低、结构可控性强等优点,基于燃煤电力生产过程中制备碳基材料用于烟气中硫资源回收,是目前硫资源回收技术的重要发展方向。厘清碳基材料多尺度结构内脱硫产物的形成及赋存机制,是实现硫高值资源化回收的前提;相比于湿法脱硫副产物Ca SO4,硫资源以H2SO4或硫磺回收更具价值。基于上述考虑,本文首先研究了碳基材料内SO2吸附、催化转化及产物赋存的机制;在此基础上分别针对H2SO4和硫磺的高值化回收路径开展研究;在上述研究基础上提出并实现可应用于SO2高效脱除及硫资源回收的煤基活性焦规模化制备方法。针对现有实验研究无法实现单因素、定量探究含氧官能团对SO2吸附的问题。本文采用机械化学方法,首次从实验角度定向揭示了碳材料边缘含氧官能团对SO2吸附作用机制。研究结果表明,碳基面边缘羧基官能团主导了SO2的物理吸附,而边缘不饱和位点主导了SO2的化学吸附。针对制约脱硫产物迁移和赋存的关键问题,本文制备了孔隙分级度渐变的模型碳材料,探究了孔隙结构配组对脱硫产物迁移和赋存的影响。研究结果表明,分级孔结构强化了活性焦内脱硫产物的迁移及赋存。该部分研究从基团尺度上探究了含氧官能团对碳材料内SO2吸附过程的影响;从孔隙结构尺度探究了碳材料内H2SO4迁移和赋存所需要的孔隙结构配组。上述研究工作的揭示为下一步燃煤烟气SO2高值资源化奠定了理论基础。脱硫产物H2SO4直接高效回收的关键在于活性焦孔隙配组的合理设计。传统水洗再生工艺中硫酸再生解吸效率低的原因在于活性焦单一的微孔分布,本文提出通过活性焦孔隙分级构筑策略,实现脱硫活性焦内硫酸的高效解吸。研究结果表明,兼具等体积的微孔和中大孔的分级孔型活性焦具有最佳的H2SO4循环解吸性能。经过10个循环,仍可保持70 mg g-1的高硫容和90%的水洗再生效率。结合分子动力学模拟证明了H2SO4在中大孔中的自扩散系数约为微孔中的2倍。为解决水洗再生工艺水耗高、产酸浓度低问题,本文提出了水蒸气吹扫强化活性焦内硫酸直接解吸的方法。研究结果表明,水蒸气吹扫可将活性焦内的H2SO4直接以硫酸蒸汽形式携带出来。为进一步强化活性焦内硫酸的直接定向解吸,本文探究了场协同对活性焦内产物硫酸直接定向解吸的影响。研究结果表明,微波再生活性焦脱硫产物以SO2和硫磺快速解吸,其作用机理主要是微波对极性H2SO4分子的选择性加热的“热点效应”,强化了H2SO4的直接还原。以上工作的研究为活性焦内脱硫产物的直接定向解吸提供了可行方法。碳热还原SO2是单质硫磺回收的重要途径,碳材料理化结构对副产物伴生路径和硫磺选择性具有重要影响。本文采用碳材料理化结构定向调控和动力学实验等方法,分析了碳材料自身理化性质对碳热还原SO2反应的关键影响特性。研究结果表明,石墨化度增加,碳热反应活性和硫磺生成选择性均降低。兼具微孔和中大孔结构的分级孔型活性焦具有较高的反应活性和硫磺生成选择性。另外,含氧基团的引入,促进了碳热还原SO2反应活性的提高,也促进了非目标副产物CO和COS的产生。以上工作的研究为实现碳基材料高效还原SO2资源化回收硫磺提供了理论指导。针对制约低成本碳热还原SO2资源化回收硫磺中反应活性和硫磺生成选择性难以协同的问题,本文提出了基于催化组分强化碳热还原SO2资源化回收硫磺的策略。采用动力学实验和DFT理论计算方法,深入探究了催化组分对碳热还原SO2制取硫磺反应活性及硫磺生成选择性的影响机制。研究结果表明,合适比例的钙源担载可协同强化活性焦还原SO2反应活性和硫磺生成选择性（80.2%）。其作用机理为C-O-Ca结构削弱了碳热还原反应中间体中的C-O键,从而降低了O转移过程所需的能量,使整体碳热还原SO2反应路径更容易发生。活性焦担载钙源回收工艺简单,具有良好的循环可利用性。以上研究工作为碳热还原SO2资源化回收硫磺技术提供了可行方案。最后,基于碳基硫资源回收工艺对碳材料多尺度结构的需求,提出了基于原煤一步催化活化制备不定型分级孔型煤基活性焦的技术路线。利用原煤中固有矿物组分,采用一步催化活化工艺在回转窑上可实现公斤级不定型煤基活性焦的制备,所制备的不定型活性焦具有高比表面积和分级孔结构特征。针对其在硫资源回收工艺应用中涉及的关键问题,在水洗再生和固定床反应系统对其进行了SO2脱除实验、水洗再生实验以及碳热还原SO2资源化回收硫磺的技术验证。研究结果表明,采用一步催化活化工艺制备的不定型煤基活性焦具有优异的SO2脱除、水洗再生和还原SO2制硫磺性能。