硫磺是磷肥生产的重要原料,也可用于其他几乎所有含硫产品的生产。我国硫磺资源匮乏,对外依存度在60%以上。与此同时,我国以煤炭为主的能源结构,导致严重的SO2污染。当前的资源化脱硫技术,硫元素多以液态SO2、硫酸和硫酸盐等形式加以回收利用,但含硫副产品或用途有限,或利用价值低,或储存运输困难,因此开发以硫磺为回收产品的硫资源化技术,有利于缓解我国SO2污染严重和硫磺资源短缺的现状。活性炭干法脱硫作为绿色可资源化的脱硫技术,可实现SO2的富集,活性炭及其制备过程中产生的热解气均有较强的还原性能,同时活性炭由于具备丰富的孔隙结构和表面官能团,可作为化学反应的催化剂。因而,本文提出了以活性炭材料和热解气为原料,耦合还原SO2使之转化为单质S的资源化、高值化硫回收技术。本文进行了 SO2还原反应的热力学计算研究,在固定床反应系统中对活性炭-CO还原SO2的反应机理进行了研究,探讨了 C、CO、H2三种还原性物质还原SO2的耦合机制和竞争机制,并在沉降炉反应系统中,对气固两相流动状态下还原SO2的反应进行了研究,为该技术进一步的研究和工业化应用提供了基础。运用factsage6.4软件,对C、CO、H2还原SO2反应及其主要副反应的化学反应热力学进行了计算,进行了不同温度、还原剂/SO2摩尔比下的热力学平衡计算,研究了 CO2及H2O对反应体系平衡转化的影响,并同实验结果进行对照,为机理试验研究提供了依据。研究认为C、CO及H2还原SO2的反应均为放热反应,且在0-1000℃下均可自发进行。温度及还原剂/SO2摩尔比对反应热力学平衡影响显著,较低温度和符合化学当量比的还原剂/SO2摩尔比有利于SO2向单质S的转化,温度升高、还原剂/S02摩尔比超过化学当量比,含S副产物增加,单质S选择性降低。当CO/SO2>3时,含S产物以COS为主;当H2/SO2>3时,SO2几乎完全转化为H2S。实验对比表明,低温下由于动力学因素限制,CO与H2还原SO2的反应较难发生,而随着温度升高,反应到达平衡所需时间缩短。CO2及H2O的加入会抑制SO2还原反应的正向进行,但CO2的抑制作用较低,而H2O的加入导致Claus反应高温下平衡逆向移动,造成H2S生成量增加;反应过程中加入与H2O等量的H2S气体,可有效抑制平衡移动。CO是活性炭制备过程中热解气的主要成分,因此对碳材料性质、反应温度、CO/SO2摩尔比、载气停留时间对C-CO耦合还原SO2反应效率的影响进行了研究。并通过研究S元素在气体产物和碳表面的迁移规律,探讨了活性炭催化CO还原SO2的反应机理。研究表明,随着反应温度、CO/SO2摩尔比和停留时间的增加,SO2转化率均显著提高,而当SO2完全转化后,此反应温度和CO/SO2摩尔比的继续增加会导致COS生成量增加,但停留时间的增长不会降低单质S产率。碳材料较发达的孔隙结构和灰分中较高的过渡金属氧化物含量,也有利于SO2的还原。CO在活性炭催化下还原SO2的反应符合COS中间产物机理:反应初期,炭表面形成的砜型硫和R-O-S-S-R’型硫,在CO的作用下发生转换,形成COS;COS与炭表面结合形成含-2价S的噻吩型硫和金属硫化物,与SO2反应形成单质S。热解气中除CO外,还含有H2、CO2、H2O等气体,因而进行了热解气与活性炭耦合还原SO2反应规律的研究。研究了反应温度、停留时间、CO/SO2摩尔比等因素对H2还原SO2的影响规律。进行了活性炭层内CO/H2混合气体还原SO2的研究,探讨了 C、CO和H2还原SO2的耦合机制与竞争机制,和CO2及H2O浓度对CO/H2混合气体还原SO2的影响。研究表明H2在600℃以上可还原SO2,而在活性炭的催化下,反应起始温度降低约100℃,反应温度、H2/SO2摩尔比和气体在碳层内停留时间的影响规律与CO基本一致,但停留时间的增长会导致H2S生成量增加,进而影响单质S选择性。CO/H2混合气体还原SO2过程中,SO2优先同CO发生反应,而在还原气体足量的情况下,S02优先与气态还原剂反应,活性炭还原优先级最低,主要体现为催化作用。CO2及H2O对SO2还原的影响与热力学分析结果一致,二者加入分别导致COS及H2S生成量增加,但CO2的影响较小,反应效率变化在5%以内,而H2O则导致Claus反应逆向进行,显著降低单质S的产率及选择性。建立了沉降炉反应系统,对气固两相流动状态下的SO2还原进行了分析,研究了反应温度、C/SO2摩尔比、CO浓度、H2浓度及CO2和H2O对反应的影响。研究表明,较高的反应温度和C/SO2摩尔比有利于SO2的转化,且反应过程中含S副产物生成量较低,CO和H2浓度的提高对SO2转化率有所促进,特别是对初始反应速率的提高较为明显,但是由于生成较多的COS或H2S,不利于单质S的生成。CO2和H2O的加入导致CO和H2的生成,同时抑制平衡转化,也不利于SO2向单质S的定向转化。分别对颗粒活性炭-热解气固定床SO2还原方法和粉末活性炭气固两相SO2方法进行工艺路线设计,前者宜采用移动床颗粒层还原工艺,而后者宜通过循环流化床还原工艺实现。以300MW机组为例进行了两种工艺路线的经济性分析,其运行过程均可实现收支平衡甚至部分盈利。