第一章 文献综述
1.1 课题研究背景及内容
大气污染是人类社会生存和发展所面临的最严重问题之一，随着工业化和城市现代化的发展，废气排放量逐年上升，大量的污染物排放到人类赖以生存的大气环境中，污染大气环境，造成严重的后果。我国是一个能源消耗大国，煤炭在我国的能源结构占主导地位的状况已持续了几十年[1]。火力发电、工业锅炉、钢铁冶炼、供暖等均离不开对煤的使用。煤主要成分中含有的硫和氮元素，燃烧会生成大量的 SOX和 NOX。中国电力企业联合会统计数据显示：2010 年全国电力的二氧化硫排放总量为 926 万吨；同年 NOx 排放总量约为 900 万吨[2]；二氧化硫和氮氧化物这两种气体均会对环境和人体造成巨大危害。我国一次能源消费结构见表 1-1，“十二五”能源发展规划到 2015 年煤炭所占能源比例下调到 63%，依目前的发展趋势，即使到 2050 年，煤炭所占的消费比例仍在 50%以上。燃煤产生的 SO2和 NOx是大气污染物的主要来源，形成的酸雨、光化学烟雾等严重危害着生态环境。当今世界上最严重的大气污染是酸化污染，其具有污染物量大，污染范围广等特点，并造成了区域性环境酸化。环境酸化主要源自随废气排放的二氧化硫和氮氧化物，工业生产、交通运输、废弃物焚烧及民用燃烧等过程都会排放出 SO2和 NOX。酸雨就是大气受污染的一种直接表现。一般而论，酸雨是指 pH 值小于5.6 的雨雪或其他形式的大气降水。酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象。酸雨中含有多种有机酸和无机酸，其中绝大部分是硫酸和硝酸。而硫酸和硝酸是由人为排放的二氧化硫和氮氧化物转化而成的，这些污染物由当地排放和其他地方迁移来的。随着近现代工业化的发展，酸雨等现象开始出现，并且逐年增多，它已经开始影响到人类赖以生存的环境。在我国，酸雨污染的发展异常迅速。在 90 年代初期，酸雨污染区已由 80年代末的西南等少数地区扩展到长江以南、青藏高原以东的大部分地区以及四川盆地等，受酸雨危害的面积占国土总面积的 40%，且以每年 10 万平方千米的速度递增，严重的酸性降水和脆弱的生态系统给我国经济造成严重的损失。预计到2020 年，我国的东北、华北、东南地区以及四川盆地的 SO2排放量将达到 3060万吨[4]，NOX排放量达到 660 万吨[5]，这意味着环境问题将更为严峻。由此可见。SO2和 NOX的污染已成为制约我国经济发展及人类健康的重要因素，因此，对SO2和 NOX的排放进行控制已成为十分紧迫的任务。
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1.2 SO2与 NOX的性质及危害
SO2在常温下是有强烈刺激性气味的无色气体，是一种酸性氧化物且极易溶于水，其水溶液呈酸性称为亚硫酸(H2SO3)水溶液。亚硫酸水溶液暴露在空气中会被空气中氧逐渐氧化成硫酸，浓度越低氧化速度越快。在大气中 SO2会与水气和粉尘颗粒结合形成气溶胶，并逐渐被氧化成硫酸或硫酸盐。由于 SO2转化生成的硫酸雾对大气能见度的影响极大，当大气环境的相对湿度大于 70%时，它对大气能见度的影响尤为明显。近年由于大气中 SO2和悬浮颗粒物浓度的增加，我国一些城市硫酸雾出现频率也逐渐增高、强度加大。SO2污染具有严重的危害性，对人体的影响：SO2主要是通过呼吸道系统进入人体，与呼吸器官作用，引起或加重呼吸器官疾病。SO2对结膜和上呼吸道粘膜具有强烈辛辣刺激性，而长期接触 SO2浓度在 0.1 mg/m3以上的人群呼吸系统病症有明显的增加，吸入后可致支气管炎、肺炎，严重者可致肺水肿和呼吸麻痹。大气中的 SO2能被氧化形成 SO3，SO3遇水蒸汽形成硫酸雾(SO3+H2O→H2SO4)，硫酸雾再与微小尘粒反应可形成硫酸盐。这种硫酸盐的危害比 SO2的直接危害还大。硫酸与硫酸盐的粒子愈小，危害愈大。硫酸对皮肤、粘膜等组织有强烈刺激和腐蚀作用。硫酸雾吸入后可引起上呼吸道刺激症状，重者发生呼吸困难和肺水肿；高浓度时可致喉痉挛或声门水肿而致命。长期接触硫酸雾或蒸汽，可引起牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、支气管扩张等肺部病变。
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第二章 烟气脱硫脱硝固定床实验系统
2.1 实验原料、试剂及设备
本章主要系统的介绍了活性焦脱除实验所用材料，测量试剂及装置设备，实验研究的总体流程思路，固定床脱硫脱硝装置的评价。实验所用活性焦原料来自太原某厂商生产的5mm样，滤料采用上海市某工厂生产的HBT滤料、P84滤料和芳砜纶滤料三种，所用化学试剂及作用如表2-1所示，主要设备及作用如表2-2所示。
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2.2 实验材料的表征
本章主要针对实验所用活性焦和三种滤料的物理表面结构进行电镜扫描，分析其在实验过程中的整体影响因素。图2-1、2-2、2-3、2-4、2-5是三种不同性能滤料及活性焦的表征图，使用日本JEOL生产的JSM一5600LV型扫描电镜观察活性炭纤维的微观结构特征，该仪器主要用于固体样品表面微区结构观察；材料断口特征及其内部结构分析；颗粒或纤维形状扫描及其尺寸分析等。从图2-1中可以看出，芳砜纶滤料的表面纤维呈束状，表面呈现出较明显的沟壑，延伸于纤维整个表面，且纤维表面带有少量絮状物与孔隙。从图2-2中可以看出，P84纤维滤料与芳砜纶一样，表面纤维呈束状，且有明显的沟壑，相对芳砜纶来说P84表面纤维较光滑，没有絮状物但相对芳砜纶滤料有较大的孔隙结构。从图2-3中可以看出，HBT滤料表面纤维呈束状且表面有少量孔隙，但纤维表面之间附着有大量的短纤维，这是因为HBT滤料的表面结构中采用了常见的玻璃纤维和PTFE短纤维，使得HBT滤料对比其他两种滤料拥有更多的孔隙和吸附孔位。活性焦[72,73]是非结晶性物质，它由微细小的石墨状微晶和将其相互连接在一起的碳氧化合物构成，其固定结构之间的间隙形成孔隙，导致活性焦结构中具有很大的比表面积和孔容积，使得活性炭特有的吸附性能。活性焦的孔隙结构是指表面积、孔径分布、孔隙容积和孔的形状，活性焦的孔径分布范围宽且形状也多种多样。由图2-4和2-5可以看出，活性焦表面有很多微孔，根据国际行业中相关规范的划分，直径d<2nm的孔划分为微孔，2<d<50nm之间的孔划分为中孔，d>50nm的孔划分为大孔，其中微孔[74-76]又可被划分为极微孔(d<0.7nm)和超微孔(0.7nm<d<2nm)。不同孔径的孔在吸附过程中发挥着不同的作用：结构中的大孔在吸附时作用不明显，常作为吸附质分子的通道；而中孔既是吸附质分子的通道和支配着吸附过渡，在一定相对压力下又按毛细管网中凝聚的机理将气体吸附在孔中；微孔结构具有很大的比表面积，在活性焦的吸附过程中起着支配作用。
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第三章 滤料及活性焦单一脱除 SO2和 NO 实验研究 ......28
3.1 引言......28
3.2 实验内容 .....28
3.3 脱硫脱硝效率评价方法 .....29
3.4 实验结果及分析 .........29
3.5 本章小结 .....32
第四章 滤料负载活性焦同时脱除 SO2和 NO 的实验研究.......33
4.1 引言......33
4.2 实验内容 .....34
4.3 实验结果及分析 .........35
4.4 本章小结 .....39
第五章 工况参数对脱除性能影响的实验研究.........40
5.1 引言......40
5.2 实验内容 .....40
5.3 HBT 滤料负载粉状活性焦脱硫脱硝的实验研究 .....41
5.4 本章小结 .....44
第五章 工况参数对脱除性能影响的实验研究
5.1 引言
在上述章节中，已经验证了HBT滤料负载粉状活性焦联合脱硫脱硝的效率要大于两者单独脱除的效率代数和，因此滤料负载活性焦时脱除的效率不只是两者单独脱除效率得简单叠加，因此，在此基础上，改变固定床实验系统的反应条件，研究操作参数的改变对HBT滤料负载活性焦脱除性能的影响，以期望得出最佳的试验工况，为实际现场提供技术基础。在上述实验的基础上，分别改变反应温度、氧气体积比、水蒸气体积比、氨氮比四个工况条件，分别研究对脱硫脱硝效率的影响。实验内容及方法具体如下：反应条件：反应温度范围为80~100℃，总气体流量为1L/min，脱硫时SO2浓度为2000ppm，水蒸气体积比范围为6%~10%，氧气体积比范围为6%~10%，其余用N2平衡；脱硝时，NO浓度为500ppm，NH3气体流量为0~60ml/min,水蒸气体积比为8%，氧气体积比为8%，其余用N2平衡。反应气体温度 100℃，模拟烟气流量 1L/min，各气体组分含量为 SO2浓度 2000ppm，氧气体积比为 8%，其余为 N2。改变水蒸气体积比，分别在 6%、8%和 10%的条件下，研究了 HBT 滤料负载粉状活性焦对SO2的联合脱除效果。
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结论
本文使用固定床实验系统，以粉状活性焦与滤料为试验材料。首先研究了在实验条件下，活性焦与滤料单独脱除模拟烟气中SO2和NO的效率，通过试验结果分析其各自脱除SO2和NO的机理；在此基础上，通过固定床实验系统，对不同性能滤料负载活性焦进行脱硫脱硝的实验研究；进而对经实验优选出的HBT滤料，对其进行脱硫脱硝影响因素的实验研究，通过改变不同试验工况，得出HBT滤料负载活性焦联合脱除模拟烟气中SO2和NO的性能影响，得出了以下结论：
1、在活性焦与滤料单独脱硫脱硝的试验中，三种滤料中脱硫脱硝综合效果较好的是HBT滤料，经实验材料的表征分析，这是因为HBT滤料的表面结构有更多的孔隙与吸附孔位，因此在脱除模拟烟气中SO2和NO的试验上，HBT滤料性能的表现更优。
2、在不同性能滤料负载活性焦联合脱硫脱硝的试验中，HBT滤料负载活性焦联合脱除的效果最佳，与单独滤料脱除时性能较好表现一致，这是由于HBT滤料的工艺与其他两种滤料有区别，HBT滤料表面长滤料纤维周围还附着有大量的细小纤维，这些细小纤维能够更加有效的对粉状活性焦颗粒进行捕捉，促进了反应过程中活性焦层的形成，从而影响了脱硫脱硝的性能。
3、对滤料负载粉状活性焦联合脱除效果的实验研究中，结果显示，HBT滤料负载粉状活性焦在实验条件下稳定段联合脱硫的效率为67%，单独活性焦的脱硫效率为46%，单独滤料的脱硫效率为15%；HBT滤料负载粉状活性焦在实验条件下稳定段联合脱硝的效率为30%，单独活性焦的脱除效率为18%，单独滤料的脱除效率为10%，对以上数据进行分析得知，滤料在负载活性焦联合脱除时的效率不仅仅是两种实验材料进行单独脱除效率代数和的叠加，这说明在滤料负载活性焦联合脱除时，实验材料在反应条件下产生了对提高脱硫脱硝效率有益的变化。
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参考文献（略）