2026 年青岛科技大学大气污染控制工程考研真题样题
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一、填空或选择(每题 2 分,共 50 分)
1. 按照大气污染的范围来分,大致可分为四类:__________、地区性污染、广域污染、全球性污染。
答案:局部性污染
解析:大气污染按影响范围可分为四级,局部性污染(如工厂周边小范围污染)是最基础的级别,依次向上为地区性污染(如城市尺度)、广域污染(如跨城市区域)、全球性污染(如温室效应、臭氧层破坏),该分类依据污染扩散的空间尺度划分,体现了污染影响的范围差异。
2. 导致 “温室效应” 的气体称为温室气体。下列不是温室气体的是__________:
A. 二氧化硫 B. 一氧化碳 C. 一氧化二氮 D. 臭氧 E. 水蒸气
答案:A
解析:温室气体的核心特征是能吸收地球表面发射的长波辐射并反射回地面,导致气温升高。选项中,一氧化碳(B)、一氧化二氮(C)、臭氧(D)、水蒸气(E)均具备该特性;而二氧化硫(A)主要是酸性气体,是形成酸雨的主要成因,不具备温室效应,因此不属于温室气体。
3. 气体状态污染物指以分子状态存在的污染物,总体上分五类:含硫化合物、含氮化合物、__________、有机化合物、卤素化合物。
答案:碳的氧化物(或含碳化合物,主要指 CO 和 CO₂)
解析:气体状态污染物的分类依据其化学组成,含硫化合物(如 SO₂、H₂S)、含氮化合物(如 NO、NO₂)外,碳的氧化物(CO、CO₂)是常见且重要的类别 ——CO 是有毒气体,CO₂是温室气体,二者在大气污染控制中均为重点关注对象,因此是五类分类中的核心类别之一。
4. 目前计入空气污染指数的项目定为:可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、__________。
A. 一氧化碳、臭氧 B. 臭氧、氟氯碳 C. 甲醛、氟氯碳 D. 一氧化碳、甲醛
答案:A
解析:我国空气污染指数(API)及后续的空气质量指数(AQI)中,核心计入项目需满足 “对人体健康和环境影响显著、监测技术成熟” 的条件。一氧化碳(有毒,影响人体供氧)、臭氧(近地面为污染物,刺激呼吸道)符合要求;而氟氯碳(主要破坏臭氧层,对近地面空气质量影响间接)、甲醛(主要为室内污染物,室外浓度较低)未被计入常规空气污染指数,因此选 A。
5. 要确切说明煤的特性,必须同时指明百分比的基准。常用的基准有:收到基、空气干燥基、干燥基和__________。
答案:干燥无灰基
解析:煤的成分分析(如碳、氢、氧含量)受水分和灰分影响较大,因此需明确基准以保证数据可比性。收到基(含全部水分和灰分,实际使用状态)、空气干燥基(去除外在水分,实验室常态)、干燥基(去除全部水分,排除水分干扰)、干燥无灰基(去除水分和灰分,仅反映煤的纯有机质组成),四者覆盖了从实际使用到理论分析的不同需求,是煤质分析的核心基准。
6. 在__________层里,温度随高度的增加而降低,每升高 100m 平均降温 0.65℃;有强烈对流作用;温度和湿度的水平分布不均。
答案:对流层
解析:大气垂直分层中,对流层是最接近地面的一层,其热量主要来自地面辐射,因此温度随高度升高而降低(气温直减率 0.65℃/100m);同时,地面冷热不均导致空气对流强烈,且受地形、海陆分布影响,温度和湿度水平分布差异大,是大气污染发生和扩散的主要圈层。
7. 大气稳定度指大气在__________方向上稳定的程度;反映其是否容易对流。
答案:垂直
解析:大气稳定度描述的是大气垂直方向的运动状态 —— 当大气垂直稳定时,空气不易发生垂直对流,污染物易在近地面堆积;当大气垂直不稳定时,空气对流旺盛,污染物易扩散。其核心是 “垂直方向” 的稳定程度,与水平方向的大气运动(如风向)无关。
8. 湍流扩散理论主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系,目前处理这类问题的三种理论是__________、湍流统计理论、相似理论。
A. 梯度输送理论 B. 双膜理论 C. 重力沉降理论 D. 表面更新模型理论
答案:A
解析:湍流扩散的三种核心理论各有侧重:梯度输送理论(类比分子扩散,认为污染物通量与浓度梯度成正比,适用于连续点源扩散)、湍流统计理论(基于随机运动,描述污染物浓度的统计分布)、相似理论(利用相似原理简化扩散方程,适用于复杂地形)。双膜理论(B)用于气体吸收,重力沉降理论(C)用于颗粒物分离,表面更新模型(D)用于传质过程,均与湍流扩散无关,因此选 A。
9. 大气污染控制中涉及的颗粒物粒径有四种定义方法,分别是:__________、筛分法、光散射法、沉降法。
答案:显微镜法
解析:颗粒物粒径定义需根据测量原理区分,以适应不同粒径范围和应用场景。显微镜法(直接观察颗粒大小,适用于大粒径颗粒,精度高但耗时)、筛分法(通过筛网孔径分离,适用于粗颗粒)、光散射法(利用颗粒对光的散射强度计算粒径,适用于细颗粒,快速便捷)、沉降法(利用颗粒沉降速度计算粒径,适用于中等粒径),四种方法覆盖了从粗颗粒到细颗粒的测量需求。
10. __________是评价粉尘流动特性的重要指标,其影响因素有:粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性。
答案:粉尘的安息角(或休止角)
解析:安息角是粉尘从漏斗自由落下形成堆积体时,堆积面与水平面的夹角。安息角越小,粉尘流动性越好(如球形、大粒径粉尘安息角小);安息角越大,粉尘流动性越差(如细颗粒、粘性大的粉尘安息角大),其大小直接影响粉尘在管道输送、料仓存储中的流动性,是除尘系统设计的关键参数。
11. 评价净化装置性能的指标包括技术指标和经济指标。技术指标主要有__________、__________、压力损失;经济指标主要有设备费、运行费、占地面积等。
答案:处理气量(或处理能力);净化效率(或除尘效率 / 脱硫效率等)
解析:净化装置的技术指标需反映 “能否处理污染物” 和 “处理效果如何”:处理气量指装置单位时间能处理的气体体积,决定了装置的适用规模;净化效率指污染物被去除的百分比,直接反映处理效果;压力损失反映装置的能耗(压力损失大,风机能耗高)。三者共同构成技术性能的核心评价维度。
12. 机械除尘器通常指利用质量力(重力、惯性力和离心力)的作用使颗粒物与气体分离的装置,常用的有机械除尘器有__________:
A. 重力沉降室 B. 惯性除尘器 C. 旋风除尘器 D. 袋式除尘器
答案:ABC
解析:机械除尘器的核心是 “依赖质量力分离”:重力沉降室(利用重力,适用于粗颗粒)、惯性除尘器(利用惯性力,适用于中等粒径)、旋风除尘器(利用离心力,适用于细颗粒)均符合该原理;而袋式除尘器(D)利用滤料过滤颗粒物,属于过滤式除尘器,不依赖质量力,因此排除 D。
13. 影响旋风除尘器效率的因素有__________:
A. 二次效应-被捕集粒子的重新进入气流 B. 比例尺寸 C. 烟尘的物理性质 D. 操作变量
答案:ABCD
解析:旋风除尘器效率受多因素综合影响:二次效应(被捕集的颗粒因气流扰动重新进入气流,降低效率)、比例尺寸(如进口尺寸、筒体直径、排气管直径,直接影响离心力大小和气流分布)、烟尘物理性质(如颗粒粒径、密度,粒径越大、密度越大,分离效率越高)、操作变量(如进口气速,气速过低离心力不足,气速过高易产生涡流,均影响效率),因此 ABCD 均为关键影响因素。
14. 电除尘器的选择和设计主要考虑因素有:;;气流速度的确定;气体的含尘浓度。
答案:粉尘的比电阻;粉尘的粒径分布
解析:电除尘器的核心是 “利用电场使颗粒带电并分离”,因此需重点考虑粉尘的电学和物理特性:粉尘比电阻(过高或过低均会影响颗粒带电和收集,最佳范围 10⁴-10¹¹Ω・cm)、粉尘粒径分布(细颗粒需更强电场,粗颗粒易沉降,影响电极设计);气流速度(影响停留时间,速度过高易带走颗粒)、含尘浓度(浓度过高易导致电极积尘,需预处理),四者共同决定电除尘器的适用性和效率。
15. __________ 是使含尘气体与液体 (一般为水)密切接触,利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置。
答案:湿式除尘器(或洗涤器)
解析:湿式除尘器的核心原理是 “气液接触分离颗粒”,通过水滴、水膜或气泡与尘粒的惯性碰撞、拦截、扩散等作用捕集颗粒,适用于高浓度、高温粉尘,且能同时去除部分气态污染物(如 SO₂),常见类型包括喷淋塔、文丘里洗涤器、旋风洗涤器等。
16. 文丘里洗涤器除尘过程可以概括为__________:
A. 含尘气体由进气管进入收缩管后,流速逐渐增大,气流的压力能逐渐转变为动能;
B. 在喉管入口处,气速达到最大,一般为 50~180m/s;
C. 洗涤液 (一般为水)通过沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入,液滴被高速气流雾化和加速;
D. 利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置。
答案:ABCD
解析:文丘里洗涤器的除尘过程遵循 “加速 - 雾化 - 碰撞 - 分离” 的逻辑:收缩管(A)使气流加速,喉管(B)处气速最大,确保洗涤液充分雾化(C),雾化后的小液滴与尘粒剧烈碰撞(D)实现捕集,四步依次进行,共同构成其高效除尘的核心流程,因此 ABCD 均正确。
17. 气体吸收中__________模型要点为:吸收过程简化为通过气液两层层流膜的分子扩散,通过此两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总阻力。
答案:双膜理论(或双膜模型)
解析:双膜理论是气体吸收的经典传质模型,其核心假设是 “气液界面两侧存在静止的气膜和液膜,传质阻力仅存在于两膜内”,忽略界面阻力和主体流动阻力,简化了传质过程的计算,适用于低浓度气体吸收(如烟气脱硫中的 SO₂吸收),为吸收塔的设计提供了理论基础。
18. 化学吸收的优点有__________:
A. 吸附剂通过再生均可循环使用;
B. 溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉,溶剂容纳的溶质量增多;
C. 液膜扩散阻力降低;
D. 填料表面的停滞层仍为有效湿表面。
答案:BC
解析:化学吸收(溶质与溶剂发生化学反应)的优点在于:溶质因反应被消耗,溶剂的饱和溶解度提高(B,如用 NaOH 吸收 SO₂,SO₂与 NaOH 反应,溶剂容纳量远高于物理吸收);反应加速了液膜内溶质的传递,降低液膜扩散阻力(C,提高传质系数)。A 选项是吸附法的特点,与吸收无关;D 选项是物理吸收中填料湿润的特性,非化学吸收特有,因此选 BC。
19. 用多孔固体吸附剂将气体(或液体)混合物中的组分浓集于固体表面,而与其他组分分离的过程称为__________。
答案:吸附法(或气体吸附)
解析:吸附法的核心是 “多孔固体吸附剂的表面吸附作用”,利用吸附剂(如活性炭、分子筛)的比表面积大、表面能高的特性,将混合物中的目标组分(如 VOCs、NOx)吸附在表面,实现分离净化,适用于低浓度、高净化要求的气体处理,且吸附剂可通过再生循环使用。
20. 煤炭洗选分为:物理洗煤、化学洗煤、微生物洗煤,我国以__________为主。
答案:物理洗煤
解析:物理洗煤利用煤与矸石的物理性质差异(如密度、磁性、粒度)分离杂质,具有工艺简单、成本低、无污染的特点,适合我国煤炭资源的特点(矸石与煤的物理性质差异明显);化学洗煤(成本高、易污染)和微生物洗煤(技术尚不成熟)应用较少,因此我国洗煤工艺以物理洗煤为主(占比超 90%)。
21. 燃烧设施直接排放的 SO₂浓度通常为__________数量级。干 SO₂浓度低,烟气流量大,烟气脱硫通常比较昂贵。
A. 10⁻⁶~10⁻⁵ B.10⁻⁵~10⁻⁴ C. 10⁻⁴~10⁻³ D. 10⁻³~10⁻²
答案:C
解析:燃烧设施(如燃煤锅炉)排放的 SO₂浓度受煤中硫含量影响,通常为 1000-10000mg/m³(即 0.1%-1%),换算为体积分数约为 10⁻⁴-10⁻³(100-1000ppm),属于 10⁻⁴~10⁻³ 数量级。该浓度下,SO₂需通过脱硫装置(如石灰石 - 石膏法)去除,因烟气流量大(如电厂锅炉烟气量达数十万 m³/h),导致脱硫成本较高。
22. 以__________与烟气中 SO₂反应,脱硫产物石膏可直接抛弃,也可综合利用,是世界上使用最多的技术。
答案:石灰石(或 CaCO₃)或石灰(CaO)
解析:该技术为 “石灰石 - 石膏法”,是目前全球应用最广的烟气脱硫技术:石灰石(CaCO₃)或石灰(CaO)与水混合制成浆液,与烟气中的 SO₂反应生成亚硫酸钙,再氧化为硫酸钙(石膏);石膏可用于建材(如石膏板),实现资源化利用,或直接抛弃,具有脱硫效率高(>95%)、原料廉价易得的特点。
23. 燃料中的 N 通常以原子状态与 HC 结合,__________的键能较 N≡N 小,燃烧时容易分解,经氧化形成 NOx。
答案:C-N 键(或碳氮键)
解析:燃料型 NOx 的形成源于燃料中的有机氮(如煤中的吡啶、喹啉,石油中的胺类),有机氮中 C-N 键的键能(约 300-400kJ/mol)远小于空气中 N₂的 N≡N 键能(945kJ/mol),因此燃烧时 C-N 键易断裂,释放出 N 原子,再与 O₂、OH 自由基等反应生成 NOx,是燃料燃烧 NOx 的主要来源之一。
24. VOCs 控制方法和工艺包括__________、__________、冷凝法、吸附法、生物法。
答案:燃烧法(或热破坏法);催化氧化法(或吸收法,任选两种合理方法即可)
解析:VOCs 控制需根据浓度、组分选择方法:燃烧法(高浓度 VOCs,直接燃烧分解)、催化氧化法(中低浓度,利用催化剂降低燃烧温度)、冷凝法(高浓度、高沸点 VOCs,通过降温冷凝回收)、吸附法(低浓度,利用活性炭吸附)、生物法(低浓度、易生物降解 VOCs,利用微生物降解),这些方法覆盖了不同工况下的 VOCs 处理需求。
25. 平流层臭氧破坏机理活性催化物质又称活性物质,包括包括奇氢 HOx、__________、奇卤 XOx 三大家族。
答案:奇氮 NOx(或氮氧化物自由基)
解析:平流层臭氧(O₃)破坏的核心是 “活性物质催化循环”:奇氢 HOx(H、OH、HO₂)、奇氮 NOx(NO、NO₂)、奇卤 XOx(Cl、ClO、Br、BrO)均能与 O₃反应,且反应后自身再生,形成催化循环,持续破坏 O₃。其中,奇氮 NOx 主要来自飞机排放和宇宙射线分解 N₂,奇卤 XOx 主要来自氟氯碳化合物(CFCs)的分解,是臭氧空洞的主要诱因。
二、简答题(每题 8 分,共 40 分)
1. 燃料完全燃烧的条件(又称 3T)是什么?
答案解析:燃料完全燃烧需满足 “3T” 条件,即温度(Temperature)、时间(Time)、湍流度(Turbulence) ,三者共同确保燃料与氧化剂充分反应,减少不完全燃烧产物(如 CO、黑烟)的生成,具体如下:
- 温度(Temperature):需达到燃料的 “着火温度” 且维持足够高的温度(如煤燃烧需 800-1200℃,天然气燃烧需 1000-1500℃),确保燃料分子充分热解并与 O₂反应;温度过低会导致燃烧反应速率慢,甚至熄火,产生不完全燃烧。
- 时间(Time):燃料在高温区需停留足够长的时间,确保燃料分子与 O₂充分接触并反应完全;停留时间过短(如烟气流速过快),部分燃料未反应即被排出,导致不完全燃烧。
- 湍流度(Turbulence):需保证燃料与空气(或 O₂)充分混合,通过湍流扰动打破燃料与空气的界面层,增大接触面积;湍流度不足会导致局部缺氧或燃料聚集,产生 CO、碳颗粒等不完全燃烧产物。
此外,“3T” 条件的实现还需配合 “足够的氧化剂(空气过量系数合理)”,四者共同构成燃料完全燃烧的核心要素。
2. 由于存在地方性风场的原因,建设在青岛海滨的工厂,有可能污染物不能得到充分扩散造成严重污染。试用学过的大气污染气象学知识进行解释。
答案解析:青岛海滨工厂污染物扩散受阻,核心原因是地方性风场(海陆风)与地形共同作用,导致大气扩散条件恶化,具体机制如下:
- 海陆风的形成与影响:青岛位于海滨,受海陆热力差异影响,形成典型的海陆风环流 ——
- 白天(海风):陆地升温快于海洋,近地面陆地气压低于海洋,风从海洋吹向陆地(海风),将工厂排放的污染物吹向内陆;但若工厂位于海滨与内陆之间,海风会将污染物 “推向” 内陆,若内陆有丘陵(如青岛崂山)阻挡,污染物易在山前堆积。
- 夜晚(陆风):陆地降温快于海洋,近地面陆地气压高于海洋,风从陆地吹向海洋(陆风),将工厂污染物吹向海洋;但若夜晚出现 “逆温层”(近地面温度低于高空,空气垂直稳定),陆风导致的水平输送与逆温导致的垂直扩散受阻叠加,污染物易在近地面形成 “污染带”。
- 海陆风环流的闭合性:海陆风是局地环流,白天海风与夜晚陆风形成闭合循环,若工厂位于环流内部,污染物易在环流内 “往复输送”,无法向更远区域扩散,导致局部浓度累积(如青岛胶州湾周边,海陆风环流易将污染物困在湾内)。
- 地形增强效应:青岛周边多丘陵地形(如崂山、大珠山),海陆风遇到地形阻挡时,会形成 “绕流” 或 “辐合”,导致污染物在地形低洼处(如沿海平原)聚集,进一步降低扩散效率。
综上,海陆风的局地环流特性与地形阻挡共同作用,使青岛海滨工厂的污染物难以充分扩散,易造成局部严重污染。
3. 袋式除尘器的选择、设计方法是什么?
答案解析:袋式除尘器的选择与设计需结合 “处理需求、粉尘特性、运行条件”,核心步骤如下:
(一)选择核心参数(依据处理需求确定)
- 处理气量(Q):根据工厂实际排烟量确定,需考虑工况波动(如锅炉负荷变化),设计时通常预留 10%-20% 的余量,避免超负荷运行导致效率下降。
- 除尘效率(η):根据排放标准(如颗粒物排放浓度≤10mg/m³)反算所需效率,公式为 η=(C₁-C₂)/C₁×100%(C₁为进口浓度,C₂为出口浓度),确保满足环保要求。
- 操作温度与压力:根据烟气温度(如燃煤锅炉烟气温度 120-200℃)选择耐温滤料(如常温用涤纶,高温用 PPS、PTFE);根据烟气压力(正压或负压)设计壳体强度,避免漏风。
(二)滤料选择(依据粉尘特性确定)
- 粉尘粒径与粘性:细颗粒(<10μm)或粘性大的粉尘(如水泥粉尘)需选择透气度高、表面光滑的滤料(如覆膜滤料),减少粉尘粘袋;粗颗粒可选择普通针刺毡滤料。
- 粉尘腐蚀性:含酸性气体(如 SO₂、HCl)的烟气需选择耐腐蚀滤料(如 PTFE、玻纤滤料),避免滤料老化破损。
(三)结构设计(核心组件设计)
- 滤袋尺寸与数量:滤袋直径通常为 120-160mm,长度为 2-6m;滤袋数量 n=Q/(v×A)(v 为过滤风速,A 为单条滤袋面积),过滤风速需根据滤料类型确定(如涤纶滤料 v=1-1.5m/min,玻纤滤料 v=0.5-1m/min),风速过高易导致滤袋磨损,过低则设备体积过大。
- 清灰方式选择:根据粉尘粘性与浓度选择 —— 低粘性、低浓度用脉冲喷吹清灰(清灰效率高,适合连续运行);高粘性、高浓度用机械振动清灰或反吹风清灰(避免粉尘团聚)。
- 壳体与灰斗设计:壳体需密封良好(漏风率≤5%),避免外界空气进入导致结露;灰斗需有足够倾角(≥60°),防止粉尘搭桥堵塞,同时配备卸灰阀(如星型卸料阀),确保灰斗连续排灰。
(四)辅助系统设计
包括烟气预处理(如高温烟气降温、酸性烟气中和)、风机选型(根据压力损失确定风机风压)、控制系统(如 PLC 控制清灰周期、滤袋破损报警),确保除尘器稳定运行。
4. 最主要的气固相催化反应器 — 固定床反应器的优缺点有哪些?
答案解析:固定床反应器是气固相催化反应(如 SCR 脱硝、VOCs 催化氧化)的核心设备,其优缺点如下:
(一)优点
- 催化效率高:催化剂固定在床层内,气体与催化剂接触充分,无催化剂流失问题,且床层内温度、浓度分布相对均匀(与流化床相比),有利于反应充分进行(如 SCR 脱硝效率可达 80%-90%)。
- 操作稳定:催化剂磨损小(无颗粒间碰撞),使用寿命长(通常 3-5 年);反应条件(温度、压力、空速)易控制,适合连续稳定运行,满足工业生产的长期需求。
- 结构简单,维护方便:反应器主体为圆柱形或方形壳体,内部仅需填充催化剂床层,无复杂运动部件(如流化床的分布板、旋风分离器),日常维护仅需定期更换催化剂,操作成本低。
- 适用范围广:可适用于不同压力(常压至高压)、不同温度(常温至高温)的反应,且对催化剂形态(颗粒、蜂窝、板式)兼容性强,能满足不同反应的需求(如蜂窝式催化剂适用于低阻力,颗粒式催化剂适用于高活性)。
(二)缺点
- 传热性能差:固定床床层导热系数低,反应热(如催化氧化的放热)易在床层内累积,导致 “热点” 产生(局部温度过高),可能引发催化剂失活或副反应(如 VOCs 过度氧化生成 CO)。
- 床层阻力大:气体需穿过催化剂床层,若催化剂颗粒细小或床层过厚,会导致阻力损失大(如蜂窝式催化剂阻力约 500-1000Pa,颗粒式约 1000-2000Pa),需配备高压风机,增加能耗。
- 催化剂更换不便:固定床催化剂填充在床层内,更换时需停机、清空床层,操作繁琐,尤其对于大型反应器(如电厂 SCR 脱硝反应器),更换周期长(需数天至数周),影响生产连续性。
- 不适用于高粘度或含尘气体:若气体含尘量高(如未除尘的锅炉烟气),粉尘易在催化剂表面沉积,堵塞孔隙;若气体粘度大,会加剧床层阻力,均影响反应效率,因此需对气体进行预处理。
5. 简述流化床燃烧中脱硫的化学反应及其影响因素。
答案解析:流化床燃烧脱硫是在流化床锅炉内,通过向炉内添加脱硫剂(如石灰石),在燃烧过程中实现 SO₂去除,其核心是 “脱硫剂的煅烧与硫化反应”,具体如下:
(一)核心化学反应
- 脱硫剂煅烧(吸热反应):脱硫剂(如石灰石 CaCO₃)在流化床高温(800-900℃)下分解,生成氧化钙(CaO)和 CO₂,为后续硫化反应提供活性组分,反应式为:
CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) - Q(Q 为反应热)
- 硫化反应(放热反应):煅烧生成的 CaO 与燃烧产生的 SO₂、O₂反应,生成硫酸钙(CaSO₄),实现 SO₂固定,反应式为:
2CaO(s) + 2SO₂(g) + O₂(g) → 2CaSO₄(s) + Q
该反应是脱硫的核心,CaSO₄稳定性高,可随灰渣排出炉外,从而去除烟气中的 SO₂。
(二)主要影响因素
- 流化床温度:温度是关键因素 —— 温度过低(<750℃),CaCO₃煅烧速率慢,活性 CaO 生成不足,脱硫效率低;温度过高(>950℃),CaO 易烧结,孔隙堵塞,活性下降,且 CaSO₄可能分解(重新释放 SO₂),因此最佳温度范围为 800-900℃,需通过锅炉负荷控制稳定床温。
- 脱硫剂用量(钙硫比,Ca/S):Ca/S 为脱硫剂中 Ca 的摩尔数与燃料中 S 的摩尔数之比,理论 Ca/S=1,但实际中因 CaO 活性不足,需过量添加 —— 通常 Ca/S=1.5-2.5,脱硫效率随 Ca/S 增大而提高,但 Ca/S>2.5 后,效率提升不明显,反而增加灰渣量和成本。
- 脱硫剂粒度与活性:脱硫剂粒度越小(通常 50-100μm),比表面积越大,煅烧和硫化反应速率越快;脱硫剂活性(如石灰石的纯度、孔隙率)越高,CaO 的利用率越高,脱硫效率越好(高纯度石灰石比杂质多的石灰石脱硫效率高 10%-20%)。
- 流化床风速与扰动:适当提高风速(通常 1-3m/s),可增强床层扰动,使脱硫剂与烟气、O₂充分混合,减少 “死区”(脱硫剂堆积区域),提高反应效率;但风速过高会导致脱硫剂带出量增加,需通过旋风分离器回收循环使用。
- 烟气中 O₂浓度:硫化反应需 O₂参与,O₂浓度过低(<3%),反应速率减慢,脱硫效率下降;通常控制炉内过剩空气系数 1.1-1.2,确保 O₂浓度充足(3%-5%),促进硫化反应进行。
三、计算题(第 1 题 8 分,第 2 题 22 分,共 30 分)
1. 对某除尘设备的现场测试结果如下:进口气量 8000m³/h,含尘浓度为 5.3g/m³;出口气量 10000 m³/h,350mg/m³(以上均为标况下的数据)。试计算该除尘器处理气体流量、漏风率和除尘效率(分别按考虑漏风和不考虑漏风两种情况计算)。
(1)处理气体流量计算
解析:除尘器的处理气体流量通常以 “进口气量” 为准(进口气量反映设备需处理的实际烟气量),因此处理气体流量 Q₁=8000m³/h(标况)。
(2)漏风率计算
解析:漏风率指除尘器出口气量与进口气量的差值占进口气量的百分比,反映设备的密封性能,公式为:
漏风率 α=(Q₂ - Q₁)/Q₁×100%
其中,Q₁=8000m³/h(进口气量),Q₂=10000m³/h(出口气量,因外界空气漏入,Q₂>Q₁)。
代入数据:
α=(10000 - 8000)/8000×100% = 2000/8000×100% = 25%
(3)除尘效率计算
-
不考虑漏风情况:假设无漏风(Q₁=Q₂),效率公式为 η=(C₁ - C₂)/C₁×100%
其中,C₁=5.3g/m³=5300mg/m³,C₂=350mg/m³
代入数据:
η=(5300 - 350)/5300×100% = 4950/5300×100% ≈ 93.4%
-
考虑漏风情况:漏风会导致出口气量增加,需按 “质量守恒” 计算(进口粉尘质量 = 出口粉尘质量 + 去除粉尘质量),效率公式为 η=(Q₁C₁ - Q₂C₂)/(Q₁C₁)×100%
代入数据:
进口粉尘质量 = 8000m³/h×5300mg/m³=42,400,000mg/h
出口粉尘质量 = 10000m³/h×350mg/m³=3,500,000mg/h
η=(42,400,000 - 3,500,000)/42,400,000×100% = 38,900,000/42,400,000×100% ≈ 91.7%
最终结果
- 处理气体流量:8000m³/h(标况)
- 漏风率:25%
- 除尘效率:不考虑漏风时≈93.4%,考虑漏风时≈91.7%
2. 已知某燃料的元素分析如下:C: 86.5%, H:10.2%, N: 0.3%, S: 1.2%, O: 1.8%(均为收到基质量分数)。试计算(氮在燃烧时以 N₂为主):
(1)1kg 该燃料完全燃烧所需的理论空气量和产生的理论烟气量 (m³,标况);
(2)干烟气中 SO₂的浓度和 CO₂的最大浓度(mg/m³,标况);
(3)当空气过剩 10% 时,所需的空气量和产生的烟气量 (m³,标况)。
基础数据(标况下)
- 气体摩尔体积 Vₘ=22.4L/mol=0.0224m³/mol
- 空气组成:O₂占 21%(体积分数),N₂占 79%(体积分数),空气摩尔质量≈28.97g/mol
(1)理论空气量和理论烟气量计算
① 1kg 燃料中各元素的摩尔数
- C:m_C=1000g×86.5%=865g,n_C=865g/12g/mol≈72.083mol
- H:m_H=1000g×10.2%=102g,n_H=102g/1g/mol=102mol(H 的摩尔质量为 1g/mol)
- S:m_S=1000g×1.2%=12g,n_S=12g/32g/mol=0.375mol
- O:m_O=1000g×1.8%=18g,n_O=18g/16g/mol=1.125mol(O 的摩尔质量为 16g/mol)
- N:m_N=1000g×0.3%=3g,n_N=3g/14g/mol≈0.214mol(N 的摩尔质量为 14g/mol)
② 理论需氧量计算(完全燃烧反应式)
- C + O₂ → CO₂:需 O₂ n_O₂(C)=n_C=72.083mol
- 2H₂ + O₂ → 2H₂O:需 O₂ n_O₂(H)=n_H/4=102mol/4=25.5mol(1mol H₂需 0.5mol O₂,1mol H 需 0.25mol O₂)
- S + O₂ → SO₂:需 O₂ n_O₂(S)=n_S=0.375mol
- 燃料中含 O₂:n_O₂(燃料)=n_O/2=1.125mol/2=0.5625mol(O 以 O 原子存在,需换算为 O₂摩尔数)
理论需氧量 n_O₂(理)=n_O₂(C)+n_O₂(H)+n_O₂(S) - n_O₂(燃料)
=72.083+25.5+0.375 - 0.5625≈97.3955mol
③ 理论空气量计算
空气量 = 理论需氧量 / 空气中 O₂体积分数,即:
V_air (理)=n_O₂(理)×Vₘ / 21%
=97.3955mol×0.0224m³/mol/ 0.21≈97.3955×0.0224/0.21≈10.495m³(标况)
④ 理论烟气量计算(组成:CO₂、H₂O、SO₂、N₂)
- CO₂:n_CO₂=n_C=72.083mol,V_CO₂=72.083×0.0224≈1.615m³
- H₂O:n_H₂O=n_H/2=102mol/2=51mol,V_H₂O=51×0.0224≈1.142m³
- SO₂:n_SO₂=n_S=0.375mol,V_SO₂=0.375×0.0224≈0.0084m³
- N₂:包括燃料中 N₂和空气中 N₂,n_N₂(烟)=n_N/2 + n_O₂(理)×(79%/21%)
n_N/2=0.214mol/2≈0.107mol(燃料中 N 以 N₂存在,1mol N 原子生成 0.5mol N₂)
n_O₂(理)×(79%/21%)=97.3955×79/21≈370.36mol
n_N₂(烟)=0.107+370.36≈370.467mol,V_N₂=370.467×0.0224≈8.298m³
理论烟气量 V_烟 (理)=V_CO₂+V_H₂O+V_SO₂+V_N₂
=1.615+1.142+0.0084+8.298≈11.063m³(标况)
(2)干烟气中 SO₂浓度和 CO₂最大浓度计算
① 干烟气量计算(扣除 H₂O)
V_干烟 (理)=V_烟 (理) - V_H₂O=11.063 - 1.142≈9.921m³
② SO₂浓度计算(质量浓度)
SO₂质量 m_SO₂=n_SO₂×64g/mol=0.375mol×64g/mol=24g=24000mg
浓度 ρ_SO₂=m_SO₂ / V_干烟 (理)=24000mg / 9.921m³≈2419mg/m³
③ CO₂最大浓度计算(完全燃烧时 CO₂浓度最大,无 CO 生成)
CO₂质量 m_CO₂=n_CO₂×44g/mol=72.083mol×44g/mol≈3171.65g=3,171,650mg
浓度 ρ_CO₂=m_CO₂ / V_干烟 (理)=3,171,650mg / 9.921m³≈319,690mg/m³(≈3.2×10⁵mg/m³)
(3)空气过剩 10% 时的空气量和烟气量计算
① 过剩空气量计算
V_air (过)=V_air (理)×(1 + 过剩率)=10.495m³×1.1≈11.545m³(标况)
② 过剩烟气量计算(增加的烟气量为过剩空气量)
V_烟 (过)=V_烟 (理) + V_air (理)× 过剩率 = 11.063 + 10.495×0.1≈12.113m³(标况)
(或通过组成计算:过剩 O₂= n_O₂(理)×10%,过剩 N₂= 过剩 O₂×79/21,总烟气量 = 理论烟气量 + 过剩空气量,结果一致)
最终结果
(1)理论空气量≈10.50m³(标况),理论烟气量≈11.06m³(标况);
(2)干烟气 SO₂浓度≈2419mg/m³,CO₂最大浓度≈3.2×10⁵mg/m³;
(3)空气过剩 10% 时,空气量≈11.55m³(标况),烟气量≈12.11m³(标况)。(计算过程中保留小数位数不同,结果略有差异,均为合理范围)
四、论述题(每题 15 分,共 30 分)
1. 论述煤气燃烧过程 NOx 的主要形成机理。
答案解析:煤气(主要成分为 CO、H₂、CH₄等可燃气体)燃烧过程中 NOx 的生成主要源于三种机理:热力型 NOx、燃料型 NOx、快速型 NOx,三者的形成条件、反应路径及影响因素不同,具体如下:
(一)热力型 NOx(Thermal NOx)
- 形成条件:高温(>1500℃)、高 O₂浓度、长停留时间,是煤气高温燃烧(如工业炉、燃气轮机)中 NOx 的主要来源。
- 形成机理(泽利多维奇机理):煤气燃烧释放大量热量,使空气中的 N₂在高温下被氧化生成 NOx,核心反应为:
- N₂ + O → NO + N(高温下 O₂分解为 O 原子,引发第一步反应)
- N + O₂ → NO + O(N 原子与 O₂反应生成 NO,O 原子再生,形成循环)
- N + OH → NO + H(次要反应,H 来自煤气中 H₂、CH₄的分解)
反应速率随温度升高呈指数增长(温度每升高 100℃,反应速率约增加 6-10 倍),因此高温是热力型 NOx 生成的关键驱动因素。
- 影响因素:
- 温度:最核心因素,<1500℃时热力型 NOx 生成量极少,>1800℃时占比超 50%;
- O₂浓度:O₂浓度过高(如过剩空气系数>1.2),会加速 N₂氧化,增加 NOx 生成;
- 停留时间:高温区停留时间越长,N₂与 O₂反应越充分,NOx 生成量越多。
(二)燃料型 NOx(Fuel NOx)
- 形成条件:煤气中含氮化合物(如 NH₃、HCN、吡啶等,常见于焦炉煤气、高炉煤气),在中低温(800-1200℃)下即可生成,是含氮煤气燃烧(如焦炉煤气利用)中 NOx 的主要来源。
- 形成机理:燃料中的有机氮在燃烧过程中经历 “分解 - 氧化 - 还原” 三步:
- 分解:煤气中的含氮化合物在高温下分解为 N 原子、NH₃、HCN 等中间产物(如 NH₃→NH₂→NH→N);
- 氧化:中间产物与 O₂、OH 自由基反应生成 NO(如 NH + O→NO + H);
- 还原:部分 NO 在还原性气氛(如 CO、H₂浓度高的区域)中被还原为 N₂(如 NO + CO→N₂ + CO₂),因此燃料型 NOx 的生成量取决于 “氧化与还原的竞争”。
- 影响因素:
- 燃料含氮量:含氮量越高(如焦炉煤气含氮 0.5%-2%),燃料型 NOx 生成量越多;
- 过剩空气系数:过剩空气系数<1(还原性气氛)时,NO 被还原为 N₂,生成量低;过剩空气系数>1(氧化性气氛)时,氧化反应主导,生成量高;
- 燃烧温度:中低温即可生成,温度升高会加速分解,但对生成量影响小于热力型 NOx。
(三)快速型 NOx(Prompt NOx)
- 形成条件:低温(<1500℃)、富燃料燃烧(过剩空气系数<1)、煤气中含碳氢化合物(如 CH₄),是煤气低温燃烧(如家用燃气灶)中 NOx 的次要来源。
- 形成机理(费尼莫尔机理):煤气中的碳氢化合物(CH₄)在燃烧初期分解为 CH、C₂等自由基,与空气中的 N₂反应生成 HCN、NH 等中间产物,再快速氧化为 NO,核心反应为:
- CH + N₂→HCN + N
- HCN + O→NO + CN
该机理的特点是 “反应速度快”(在火焰前沿完成),因此称为快速型 NOx。
- 影响因素:
- 碳氢化合物浓度:CH₄等碳氢化合物浓度越高,生成的自由基越多,NOx 生成量越多;
- 过剩空气系数:富燃料燃烧(过剩空气系数 0.7-0.9)时,自由基浓度高,生成量最大;
- 温度:低温下即可生成,温度升高对生成量影响较小。
(四)煤气燃烧 NOx 的控制方向
基于上述机理,控制策略需针对性设计:热力型 NOx 需 “降温、降氧、减停留时间”(如烟气再循环、分级燃烧);燃料型 NOx 需 “控制含氮量、营造还原性气氛”(如燃料分级);快速型 NOx 需 “优化燃烧器结构,减少自由基与 N₂接触”,三者结合可有效降低煤气燃烧 NOx 排放。
2.资料:青岛发电厂与黄岛发电厂每年排放二氧化硫约 12 万吨;青岛碱厂每年排放碱性白泥(干料)约 12 万吨。(1)综述烟气脱硫技术,能否指出一两种先进烟气脱硫技术;(2)联系青岛所处地理环境及资料提示,提出一种烟气脱硫思路。
(1)烟气脱硫技术综述及先进技术
烟气脱硫(FGD)技术按 “脱硫剂形态” 可分为湿法、干法、半干法三类,各类技术的核心原理、特点及先进技术如下:
① 主流烟气脱硫技术分类
- 湿法脱硫:以液体为脱硫剂,气液接触充分,脱硫效率高(>95%),是目前应用最广的类型,代表技术包括:
- 石灰石 - 石膏法:以石灰石(CaCO₃)为脱硫剂,生成石膏(CaSO₄・2H₂O),原料廉价、产物可资源化,但系统复杂、耗水量大;
- 氨法:以氨水为脱硫剂,生成硫酸铵(可作肥料),脱硫效率高、无废水排放,但氨水成本高、易挥发氨逃逸。
- 干法脱硫:以固体为脱硫剂,无废水排放,系统简单,代表技术包括:
- 活性炭吸附法:利用活性炭吸附 SO₂,再通过加热或水洗再生,可同时去除 NOx、VOCs,但吸附剂成本高、再生能耗大;
- 炉内喷钙 - 尾部增湿活化法(LIFAC):炉内喷钙(CaO)初步脱硫,尾部增湿活化未反应的 CaO,脱硫效率 60%-80%,适用于中小锅炉。
- 半干法脱硫:以浆液为脱硫剂,在干燥过程中完成脱硫,兼顾湿法效率与干法无废水的优点,代表技术为循环流化床脱硫(CFB-FGD):以 Ca (OH)₂浆液为脱硫剂,在流化床反应器内与烟气反应,脱硫效率 85%-95%,耗水量仅为湿法的 1/10,系统紧凑。
② 先进烟气脱硫技术
- 膜吸收脱硫技术:利用中空纤维膜的选择性渗透,使烟气中的 SO₂通过膜与吸收液(如 NaOH 溶液)接触反应,核心优势是 “气液不直接混合,无雾沫夹带,吸收液利用率高”,脱硫效率>98%,且设备体积小、能耗低,适用于低浓度 SO₂(如燃气电厂烟气)和场地受限的场景,是近年来的研究热点。
- 生物脱硫技术:利用微生物(如脱硫杆菌、硫氧化菌)的代谢作用,将 SO₂转化为单质硫或硫酸,核心优势是 “绿色环保(无化学药剂消耗)、产物可回收(单质硫)、运行成本低”,适用于中低浓度 SO₂(如工业锅炉烟气),目前已在部分中小型企业应用,随着微生物驯化技术的进步,有望大规模推广。
(2)结合青岛地理环境及资料的烟气脱硫思路 ——“碱性白泥协同石灰石 - 石膏法脱硫”
① 思路提出背景
- 青岛地理环境特点:青岛为海滨城市,水资源虽丰富但需保护(避免湿法脱硫废水污染海域);青岛发电厂、黄岛发电厂(沿海布局)与青岛碱厂(邻近电厂)距离较近(均位于胶州湾周边),具备废弃物协同利用的地理条件。
- 资料提示:青岛碱厂每年排放碱性白泥(主要成分 CaCO₃、Ca (OH)₂,呈碱性)12 万吨,而电厂脱硫需大量石灰石(CaCO₃),二者成分契合,可实现 “以废治废”。
② 核心技术路线
- 碱性白泥预处理:青岛碱厂的碱性白泥经脱水(含水率降至 30% 以下)、研磨(粒径<100μm)、除杂(去除泥沙等惰性成分),制成白泥浆液(浓度 20%-30%),替代部分或全部石灰石浆液作为脱硫剂。
- 协同脱硫反应:将预处理后的白泥浆液输送至青岛发电厂、黄岛发电厂的石灰石 - 石膏法脱硫塔,与烟气中的 SO₂反应:
- 白泥中的 CaCO₃:CaCO₃ + SO₂ + H₂O→CaSO₃・1/2H₂O + CO₂
- 白泥中的 Ca (OH)₂:Ca (OH)₂ + SO₂→CaSO₃・1/2H₂O + H₂O
生成的 CaSO₃・1/2H₂O 再经氧化生成石膏(CaSO₄・2H₂O),与传统石灰石 - 石膏法产物一致,可正常回收利用。
- 系统优化:
- 脱硫剂配比:根据白泥的纯度(Ca 含量)调整白泥与石灰石的混合比例(如白泥占比 30%-50%),确保脱硫效率≥95%,满足排放标准;
- 废水处理:利用白泥的碱性(pH=10-12)中和脱硫废水(pH=4-6),减少中和药剂(如 NaOH)的用量,实现废水资源化;
- 运输优化:因电厂与碱厂距离近(胶州湾周边≤50km),采用罐车运输白泥浆液,降低运输成本。
③ 优势与可行性
- 环保效益:实现碱性白泥的资源化利用(每年消耗 12 万吨白泥,减少固废填埋),同时减少电厂石灰石的消耗量(每年可节省石灰石约 8-10 万吨),降低资源开采与固废排放的双重环境压力。
- 经济效益:碱性白泥作为废弃物,成本远低于商品石灰石(白泥处理成本约 50 元 / 吨,石灰石采购成本约 150 元 / 吨),每年可降低电厂脱硫剂成本约 100-150 万元;同时,白泥中和脱硫废水可减少药剂费用,进一步降低运行成本。
- 地理适配性:青岛沿海电厂与碱厂的近距离布局,解决了白泥运输的空间限制;且协同脱硫产物石膏可用于青岛的建材行业(如石膏板生产),形成 “固废 - 脱硫 - 建材” 的循环产业链,契合青岛的产业布局。
④ 注意事项
- 白泥预处理需严格除杂,避免泥沙堵塞脱硫塔喷嘴;
- 需监测白泥中的杂质(如 Cl⁻、重金属)含量,防止影响石膏品质或造成设备腐蚀;
- 需通过实验优化白泥浆液浓度与脱硫塔运行参数(如液气比、反应温度),确保脱硫效率稳定。