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摘 要

克劳斯（Claus）反应是工业常用脱除H₂S回收硫磺的方法，由于其受热力学平衡限制，除含约30 vol.%水汽及较高浓度的CO₂（约8 vol.%）外，尾气中仍然存在1-2 vol.%的硫化物，其主要成分为H₂S与SO₂。随着国家环保要求提高，对尾气排放标准限制更加严格。本文采用模拟Claus尾气，通过自制ACS-2吸附剂脱除其中的H₂S与SO₂，分别考察了吸附温度、进料水汽含量、进料空速和氧/硫比对ACS-2脱硫性能的影响；采用N₂吸附/脱附等温线、FT-IR和XPS等方法对脱硫前后的ACS-2进行表征。结果表明，在原料气中H₂S浓度为2 vol.%，SO₂浓度为1 vol.%，CO₂浓度为8 vol.%，其余为N₂的条件下，ACS-2脱除H₂S与SO₂适宜的工艺条件为吸附温度80 ℃，进料空速500 h^-1，水汽含量30 vol.%，氧/硫比为2，ACS-2吸附穿透硫容达到303.0 mg S/g _ads；ACS-2的0.9 nm左右的微孔起主要脱硫作用，H₂S和SO₂在ACS-2表面吸附后转化为吸附态的H₂S和SO₂并发生Claus反应，在ACS-2微孔孔道内生成单质硫；同时吸附态的H₂S和SO₂与ACS-2表面的氧自由基反应生成单质S和SO₃，SO₃与水汽接触后生成硫酸。

关键词：ACS-2 H₂S SO₂ 吸附穿透硫容

Adsorption and removal process of ACS-2 for H₂S and SO₂

ABSTRACT

Claus is a common method of recovering sulfur from H₂S. Due to the constraint of thermodynamic equilibrium, there is still 1-2vol.% H₂S and SO₂ in Claus tail gas, and the exhaust gas also contains 30 vol.% water vapor and high concentration of CO₂ ( for about 8 vol.%). With the improvement of national environmental protection requirements, China has tightened restrictions on emissions standards of tail gas. In this paper, Self-made ACS-2 adsorbents for removing H₂S and SO₂ in simulated Claus tail gas are used. Adsorption temperature, water vapor content and space velocity of the feed and the ratio of oxygen/sulfur on adsorption performance of ACS-2 were studied. Meanwhile, the fresh and the exhausted ACS-2 were characterized by N₂ isothermal adsorption/stripping, FT-IR and XPS. Results show that H₂S concentration is 2 vol. %, SO₂ concentration is 1 vol. %, CO₂ concentration is 8 vol. % and the rest gas is N₂, the optimum removing conditions of ACS-2 adsorbent for H₂S and SO₂ are adsorption temperature is 80 ℃, space velocity of feed is 500 h^-1, the content of water vapor is 30 vol. %, the ratio of oxygen/sulfur is 2, breakthrough sulfur capacity of ACS-2 for H₂S and SO₂ is 303.0mg S/g _ads. The micropores around 0.9nm of ACS-2 played a major role in desulfurization process. After adsorption, H₂S and SO₂ are converted into adsorptive H₂S and SO_2, Claus reaction and then generate the elemental sulfur in the micropores of ACS-2. At the same time, adsorptive H₂S and SO₂ react with oxygen free radicals on the surface of ACS-2 to form S and SO₃, then SO₃ with water vapor form sulfuric acid.

KEYWORDS: ACS-2; H₂S; SO₂; breakthrough sulfur capacity

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 概 述 1

1.1 背景 1

1.2 硫回收装置尾气脱硫工艺研究进展 1

1.2.1 SCOT工艺 1

1.2.2 超级克劳斯工艺 2

1.3 相关吸附剂研究现状 3

1.3.1 金属氧化物 4

1.3.2 活性炭 4

1.3.3 SiC 5

1.4 本文主要研究内容 5

第2章 实 验 6

2.1 实验主要原料及试剂 6

2.2 主要仪器和设备 6

2.3 模拟Claus尾气在ACS-2吸附脱硫实验 6

2.3.1 动态吸附脱硫过程 7

2.3.2 实验步骤及数据处理 7

2.4 吸附剂表征方法 8

2.4.1 比表面积、孔容和孔径分布测定 8

2.4.2 红外光谱分析 8

2.4.3 X射线光电子能谱分析 8

第3章 结果与讨论 9

3.1 ACS-2吸附脱除H₂S/SO₂工艺 9

3.1.1 吸附温度 9

3.1.2 体积空速 10

3.1.3 水汽含量 10

3.1.4氧/硫比 11

3.2 ACS-2脱硫吸附剂表征 12

3.2.1 N₂吸附/脱附表征比表面积及孔结构 13

3.2.2 FT-IR表征活性炭表面官能团变化 14

3.3.3 XPS表征ACS-2表面元素形态（S 2p图谱分析） 15

第4章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 20

第1章 概 述

1.1 背景

随着近年来国家对工业企业的环保监督力度加大以及相关法律法规的完善，工厂尤其是重工业工厂排污是否符合国家标准便成了全社会所共同关注的热点问题，其中工厂排污中尤以含H₂S废气的排放对环境影响最大，现阶段工厂对硫磺的回收处理手段主要是通过克劳斯工艺装置进行处理。尽管克劳斯装置是现阶段较为成熟的硫磺回收装置，但是仍存在能耗大，操作费用高等问题。除此之外克劳斯装置尾气成分复杂，由于Claus反应平衡的影响，其中一些反应受到限制，导致剩余成分除了H₂S和SO₂外，硫蒸汽、COS和CS₂也存在其中，而在制硫酸气中的烃类和CO，则是尾气中含有COS和CS₂的主要原因^[1]。

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