2025年大学《能源化学》专业题库- 生物质能源生产过程的排放控制

2025年大学《能源化学》专业题库——生物质能源生产过程的排放控制考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题5分，共20分）1.请简述生物质气化过程中主要产生哪些类型的空气污染物，并列举至少两种。2.简述选择性催化还原（SCR）技术脱除NOx的基本原理及其主要影响因素。3.与传统燃煤电厂相比，生物质直燃发电在烟气污染物排放方面有何主要特点？4.生物质的种类、含水率和粒径分布等因素如何影响其燃烧过程中SO2和NOx的排放？二、论述题（每题10分，共30分）5.论述生物质能源生产过程中实施污染物排放控制的重要性，从环境、经济和社会三个层面进行分析。6.比较湿式除尘器和袋式除尘器在处理生物质燃烧烟气时的原理、优缺点及适用条件。7.针对一个以农林废弃物为原料的生物质气化发电厂，设计一套初步的烟气污染物（至少包括粉尘、SO2和NOx）控制方案，并说明选择相应技术的理由。三、计算题（每题10分，共20分）8.某生物质锅炉燃烧生物质燃料，每小时燃烧燃料含硫量为0.5%（质量分数），燃料消耗量为100kg/h。假设烟气流量为200000m³/h（标况），脱硫效率为90%。试计算该锅炉未经脱硫处理的烟气中SO2的体积浓度（忽略燃料灰分中硫的二次释放）。9.某生物质气化炉产生的烟气中NOx浓度为500mg/m³（标况），采用SCR技术进行脱硝，设计脱硝效率为80%。试计算脱硝后烟气中NOx的浓度（mg/m³）。假设气体温度、压力变化可忽略，且NOx摩尔质量按46g/mol计。四、分析题（每题15分，共30分）10.某地区计划建设一个大型生物质厌氧消化发电项目，处理农作物秸秆。请分析该项目在运行过程中可能产生的主要环境问题（水、气、固废等），并提出相应的缓解措施。11.阅读以下情景描述，进行分析：某生物质热解气化厂采用固定床气化炉，产生的燃气主要用作合成气。该厂发现其排气口SO2和粉尘排放超标。请分析可能的原因，并提出改进建议，侧重于工艺参数调整和末端治理设备优化。试卷答案一、简答题（每题5分，共20分）1.主要产生的空气污染物包括：二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、烟尘（PM2.5及颗粒物）、挥发性有机物（VOCs）、二噁英等。2.SCR脱硝原理：在催化剂作用下，利用还原剂（通常是氨水或尿素）将烟气中的NOx还原为无害的氮气（N2）和水（H2O）。化学方程式（以氨为还原剂为例）：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O。主要影响因素包括：催化剂性能（活性、寿命、成本）、反应温度、还原剂（氨）的喷射量与位置、烟气成分、空速等。3.生物质直燃发电烟气污染物排放特点：SO2排放量通常较低（因生物质含硫量普遍低于煤炭），但NOx排放量可能相对较高（受燃烧温度和空气供给影响），CO和粉尘排放量取决于燃料燃烧效率和燃烧工况。烟气中通常不含或含极少量氯氟化物（与燃煤相比）。4.生物质的种类影响其硫、氮含量及挥发分、固定碳等，进而影响SO2和NOx的基础排放水平。含水率过高会降低燃烧效率，增加烟气量，可能影响污染物浓度和脱除效率。粒径分布影响燃烧速率和充分性，细小颗粒易于燃尽但也易造成更高烟尘排放，影响NOx和SO2的接触反应。二、论述题（每题10分，共30分）5.重要性分析：*环境：控制污染物排放（SO2、NOx、PM、CO2等）可显著减少酸雨、光化学烟雾、雾霾等大气复合污染，改善空气质量，保护生态系统和生物多样性，减缓气候变化（通过控制CO2排放或实现碳循环）。*经济：减少污染物排放带来的环境损害（如健康损失、生态系统破坏），降低环境监管罚款风险，提升企业社会形象和品牌价值，满足市场对绿色、清洁能源的需求，可能获得政策补贴或碳交易收益，提高能源项目的经济可行性和竞争力。*社会：改善人居环境，提升居民生活质量和健康水平，促进社会公平（环境公平），推动能源结构转型和可持续发展，创造绿色就业机会，提升国家或地区在能源和环境领域的形象与影响力。6.湿式除尘器原理：利用液滴（喷淋、冲击、雾化等）与含尘烟气接触，通过惯性碰撞、扩散、重力沉降等机理捕获颗粒物。优点：除尘效率高（尤其对细粉尘），能同时脱硫、脱除部分NOx和VOCs，设备占地相对较小。缺点：可能产生二次污染（废水），对高湿、腐蚀性气体敏感，启动和停机时间长，对极细小粉尘（亚微米）效率可能不高。袋式除尘器原理：利用过滤介质（滤袋）的孔隙阻挡粉尘颗粒，使洁净气体通过。优点：除尘效率极高（可达99%以上），能处理高温、高湿（有一定限度）烟气，结构简单，维护方便，可处理酸碱性气体（选择合适的滤料）。缺点：存在过滤极限（粉尘层厚度影响透气性），处理大流量烟气时压力损失较大，滤袋易磨损、腐蚀、堵塞，需要定期清灰，对细微粉尘（小于0.1μm）捕集效率较低。适用条件：湿式除尘器适用于处理量大、粉尘浓度较高、要求同时脱除多种污染物、对设备腐蚀性不敏感的场景。袋式除尘器适用于处理量相对较小或中等、要求极高除尘效率、烟气成分相对单一（或对滤料有适应性的）、允许一定压力损失的场景。生物质燃烧烟气通常两者均可考虑，湿式可脱硫，袋式效率高。7.初步烟气污染物控制方案设计：*粉尘控制：首先设置预除尘器，如旋风除尘器，以去除大部分粗颗粒物，降低后续设备负荷。预除尘后，根据烟气量和粉尘浓度，可选择高效袋式除尘器或电除尘器作为终除尘设备，确保出口粉尘浓度达标。袋式除尘器对生物质燃烧产生的细粉尘（特别是飞灰）捕集效率更高。*SO2控制：考虑生物质硫含量通常不高，可优先采用低氧燃烧技术或优化燃烧工况减少SO2生成。若仍需脱硫，且烟气量不大或可接受压力损失，可考虑活性炭吸附法。若烟气量大、要求脱硫效率高且希望回收硫，可选用湿法石灰石-石膏法或氨法脱硫。对于气化过程产生的SO2，因常伴随HCl/HF，可考虑使用碱性溶液（如石灰乳）进行联合脱酸脱硫。*NOx控制：由于生物质燃烧NOx生成量可能不低，且气化过程NOx生成机制复杂，推荐采用SCR技术。选择合适的催化剂（如V2O5-WO3/TiO2）和反应温度（通常250-400℃），喷射适量的氨水作为还原剂。SCR法效率高、运行稳定，是目前大型燃煤和生物质电站主流的NOx控制技术。选择理由：旋风/袋式除尘器是高效、成熟、可靠的除尘技术。根据生物质硫含量特点，优先考虑效率高、适应性强的技术（如活性炭吸附或湿法脱硫），并考虑与脱硝、除尘协同。SCR技术对NOx脱除效率高、技术成熟，是当前工业应用的主流选择。方案的选择需综合考虑处理能力、污染物浓度、燃料特性、投资成本、运行成本和环保要求。三、计算题（每题10分，共20分）8.解：首先计算烟气中SO2的理论生成量。燃料含硫量=0.5%=0.005燃料消耗量=100kg/h燃料中硫的质量=100kg/h*0.005=0.5kg/h硫的摩尔质量=32g/mol=0.032kg/mol燃料中硫的摩尔数=0.5kg/h/0.032kg/mol=15.625mol/h理论上，1mol硫完全氧化生成1molSO2。SO2的摩尔数=15.625mol/hSO2的摩尔质量=64g/mol=0.064kg/molSO2的质量=15.625mol/h*0.064kg/mol=1.0kg/h=1000g/h烟气流量=200000m³/h(标况)标况下气体摩尔体积Vm=22.4L/mol=0.0224m³/mol标况下烟气总摩尔数=200000m³/h/0.0224m³/mol≈8929.6mol/hSO2的体积浓度(标况)=(SO2摩尔数/烟气总摩尔数)*100%=(15.625mol/h/8929.6mol/h)*100%≈0.175%脱硫效率为90%，即实际脱除SO2为理论生成量的90%。实际SO2生成量=1000g/h*(1-90%)=100g/h实际烟气中SO2的质量=理论生成量-实际脱除量=1000g/h-100g/h=900g/h实际SO2的体积浓度=(实际SO2摩尔数/烟气总摩尔数)*100%=(900g/h/0.064kg/mol/200000m³/h)*100%=(14.0625mol/h/8929.6mol/h)*100%≈0.158%（注：计算中保留更多位数，最终结果可简化）答：未经脱硫处理的烟气中SO2的体积浓度约为0.175%。实际脱硫后，烟气中SO2的体积浓度约为0.158%。9.解：NOx脱硝效率=(脱硝前NOx浓度-脱硝后NOx浓度)/脱硝前NOx浓度*100%80%=(500mg/m³-脱硝后NOx浓度)/500mg/m³*100%0.8=(500mg/m³-脱硝后NOx浓度)/500mg/m³500mg/m³-脱硝后NOx浓度=0.8*500mg/m³500mg/m³-脱硝后NOx浓度=400mg/m³脱硝后NOx浓度=500mg/m³-400mg/m³=100mg/m³答：脱硝后烟气中NOx的浓度为100mg/m³。四、分析题（每题15分，共30分）10.主要环境问题及缓解措施：*水污染：厌氧消化过程产生沼液和沼渣。沼液若处理不当，其中的COD、BOD、氨氮、磷、重金属等可能超标，造成地表水和地下水污染。缓解措施：建设沼气工程配套的沼液处理系统，如厌氧+好氧处理、土地灌溉（需评估负荷）、达标后排放等；沼渣可作为有机肥料，但需检测重金属含量。*大气污染：沼气燃烧产生CO2、NOx、SO2（若原料含硫）、粉尘等。若燃烧不充分，可能产生CO。沼气收集系统可能存在泄漏，释放未燃尽的甲烷（CH4，强效温室气体）和VOCs。缓解措施：优化燃烧工况，确保充分燃烧；加强沼气收集系统的密封性检查与维护；对燃烧尾气进行脱硫、脱硝、除尘处理；考虑CO2捕集利用或封存（CCUS）；合理使用沼气。*固体废物：产生沼渣和沼液（主要固体为悬浮物）。沼渣若重金属超标，不当处置可能污染土壤。缓解措施：沼渣检测后合规利用（肥料化、基质化）或安全处置（如土地利用限制、无害化处理）；沼液通过处理达标后农用或排放。*噪声污染：沼气发酵、泵送、设备运行等可能产生噪声。缓解措施：合理布局设备，设置隔音屏障，选用低噪声设备，定期维护。*温室气体排放：若管理不当，原料储存、发酵过程可能产生CH4和N2O等温室气体。沼气燃烧虽减少CH4排放，但产生CO2。缓解措施：优化管理，减少泄漏；采用覆盖收集等方式减少发酵过程排放；结合碳汇（如土地利用变化）进行核算。11.可能原因及改进建议：*SO2排放超标原因：*原料硫含量高于设计预估，或燃料切换导致硫含量增加。*燃烧温度过高或过低，影响SO2的氧化或溶解。*湿法脱硫系统故障：如喷淋装置堵塞、液位控制不当、pH值调节不准、吸收液循环不畅或失效。*烟气量或成分变化未及时调整脱硫系统运行参数。*脱硫剂（如石灰石）质量差或投加量不足。*气化炉自身设计或操作问题导致SO2产生量增加。*粉尘排放超标原因：*预除尘器（如旋风炉）效率下降或已磨损、堵塞。*袋式除尘器滤袋污染、堵塞、破损，或清灰周期不合理。*烟气温度过高超过滤袋耐温极限或造成结露。*粉尘粒径分布变化，细粉尘比例增加超出袋式除尘器处理能力。*气化炉操作不当（如空气配比、停留时间）导致飞灰量增加。*风机风量不足或烟道阻力增大。*改进建议：*工艺参数调整（气化炉侧）：*优化空气配比，在保证气化效率的前提下，适当降低过量空气系数，可能有助于降低NOx和部分粉尘，并稳定SO2生成。