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        負(fù)載硫和碳的S Zorb吸附劑的再生行為

        2018-02-01 03:22:51
        石油煉制與化工 2018年2期
        關(guān)鍵詞:煙氣

        王 文 壽

        (中國石化石油化工科學(xué)研究院,北京100083)

        隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),我國燃油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)苛,國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)要求汽油中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于10 μg/g。S Zorb汽油吸附脫硫技術(shù)由于脫硫深度高、氫耗低和辛烷值損失小等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)得到快速推廣[1]。目前已建成投產(chǎn)的工業(yè)裝置超過30套,用于生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于10 μg/g的超低硫汽油組分。

        S Zorb工藝使用Ni/ZnO基專用吸附劑[2-3],采用反應(yīng)吸附原理將含硫化合物從汽油中脫除:催化裂化汽油中的含硫化合物在吸附劑的Ni活性中心上轉(zhuǎn)化成H2S類中間物種,然后與吸附劑中的ZnO反應(yīng)形成ZnS固載到吸附劑上,同時(shí)催化裂化汽油中的膠質(zhì)、生焦物種等在反應(yīng)條件下也會(huì)與吸附劑發(fā)生反應(yīng)生成焦炭并固載到吸附劑上。負(fù)載了硫、碳的S Zorb待生吸附劑經(jīng)閉鎖料斗系統(tǒng)從脫硫反應(yīng)器中卸出并輸送到再生器中,與再生空氣接觸燒去吸附劑上負(fù)載的硫和碳,得到恢復(fù)了脫硫活性的再生吸附劑。再生吸附劑再經(jīng)過閉鎖料斗系統(tǒng)重新返回到脫硫反應(yīng)器中。

        對(duì)Ni/ZnO基吸附劑的脫硫反應(yīng)活性研究的較多[4-7],另外,S Zorb吸附劑的再生對(duì)吸附劑失活的影響也有相關(guān)研究[8-9],徐莉等[10-11]研究了工業(yè)再生過程對(duì)S Zorb吸附劑結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)吸附劑的脫硫活性受硅酸鋅含量和硫化鋅再生率的協(xié)同影響,通過提高再生過程中O2的相對(duì)含量可以顯著提高硫化鋅的再生率,但是會(huì)增加副產(chǎn)物硫酸鋅的含量。本課題以工業(yè)S Zorb平衡劑以及實(shí)驗(yàn)室制備的預(yù)載硫的S Zorb吸附劑為研究對(duì)象,考察負(fù)載了硫和碳的吸附劑的再生反應(yīng)規(guī)律,以期為吸附劑在工業(yè)裝置上的使用提供技術(shù)支持。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 原料與試劑

        S Zorb吸附劑新劑(編號(hào)為NJXJ),中國石化催化劑南京分公司生產(chǎn),產(chǎn)品牌號(hào)FCAS;S Zorb吸附劑載體(編號(hào)為NJZT),中國石化催化劑南京分公司生產(chǎn),未負(fù)載Ni活性金屬;環(huán)己烷,分析純,北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司產(chǎn)品;二硫化碳,分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn)品;石英砂,分析純,天津石英鐘廠霸州化工分廠產(chǎn)品。工業(yè)待生劑(編號(hào)為YPDSJ)和再生劑(編號(hào)為YPZSJ)取自某0.90 Mt/a S Zorb工業(yè)裝置,是中國石化催化劑南京分公司生產(chǎn)的FCAS吸附劑在該裝置上經(jīng)過長(zhǎng)周期使用后的平衡劑。

        1.2 吸附劑載硫及再生試驗(yàn)

        S Zorb吸附劑和吸附劑載體的預(yù)載硫試驗(yàn)在流化床反應(yīng)器上進(jìn)行,使用CS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的環(huán)己烷溶液作為預(yù)硫化試劑,在反應(yīng)溫度為400 ℃、反應(yīng)壓力為2.5 MPa、n(H2)/n(油)為73的條件下對(duì)吸附劑進(jìn)行預(yù)載硫處理,得到負(fù)載了一定量硫的S Zorb吸附劑(NJXJ-S)和吸附劑載體(NJZT-S)。

        S Zorb吸附劑的再生試驗(yàn)在小型固定床反應(yīng)器上進(jìn)行,將一定量的待考察吸附劑與2倍質(zhì)量的100~200目石英砂混合,裝填于小型固定床反應(yīng)器中,使用60 L/h氮?dú)馀c1.8 L/h或1.2 L/h空氣的混合氣體作為再生氣體,常壓下考察吸附劑上硫和碳的燃燒再生情況,再生煙氣使用氣袋收集并分析。

        1.3 分析方法

        吸附劑上的硫、碳含量采用美國LECO公司生產(chǎn)的LECO600型碳硫分析儀進(jìn)行分析。

        煙氣中CO,CO2,SO2等物種采用美國MKS公司生產(chǎn)的Multigas2030 FT-IR準(zhǔn)原位氣體分析儀進(jìn)行分析,Multigas2030樣品池的工作溫度為191 ℃。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 吸附劑上硫、碳載量分析

        表1為S Zorb吸附劑載體和吸附劑經(jīng)實(shí)驗(yàn)室預(yù)載硫后得到的NJZT-S和NJXJ-S,以及工業(yè)平衡劑YPDSJ和YPZSJ上的碳、硫含量。從表1可以看出,吸附劑及其載體經(jīng)實(shí)驗(yàn)室載硫后的硫含量很高,載體預(yù)載硫后的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)18.1%,但是碳含量很低,主要是因?yàn)轭A(yù)硫化試劑以分析純環(huán)己烷作為溶劑,難以在吸附劑上產(chǎn)生積炭。待生劑YPDSJ和再生劑YPZSJ是S Zorb吸附劑在某0.90 Mt/a裝置上經(jīng)過長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)后的工業(yè)平衡劑,吸附劑上累積了大量的碳和硫,數(shù)據(jù)顯示吸附劑上的碳含量甚至高于硫含量。

        表1 不同吸附劑上負(fù)載碳和硫的量

        2.2 Ni對(duì)吸附劑再生燒硫的影響

        S Zorb吸附劑載體經(jīng)過預(yù)載硫后得到的NJZT-S樣品,其硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)18.10%,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.09%,碳含量對(duì)燒硫反應(yīng)的影響可以忽略不計(jì)。而S Zorb吸附劑經(jīng)過預(yù)載硫后得到的NJXJ-S樣品,碳含量也只有0.20%,對(duì)燒硫反應(yīng)的影響也較小。圖1為程序升溫再生過程中溫度對(duì)NJZT-S和NJXJ-S再生煙氣中SO2含量的影響。吸附劑裝填量為16 g,N2流量為60 L/h,空氣流量為1.2 L/h,常壓下反應(yīng),程序升溫間隔為每個(gè)樣40 min,前20 min用于升溫及穩(wěn)定,后20 min取樣。從圖1可以看出,盡管S Zorb吸附劑載體負(fù)載硫后的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)18.10%,但隨再生溫度的升高,再生煙氣中的SO2含量增加緩慢,即使再生溫度達(dá)到540 ℃時(shí),煙氣中的SO2體積分?jǐn)?shù)也只有0.042%。這表明,盡管預(yù)載硫后的S Zorb吸附劑載體含有大量的以ZnS形式存在的硫,但是與O2接觸時(shí),吸附劑的再生速率很低。載硫后的S Zorb吸附劑(NJXJ-S),在再生溫度達(dá)到360 ℃時(shí),煙氣中的SO2含量開始緩慢增加,當(dāng)再生溫度達(dá)到420 ℃以上時(shí),煙氣中的SO2含量快速增加,且在再生溫度達(dá)到500 ℃時(shí),煙氣中的SO2體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)高達(dá)0.27%,繼續(xù)提高再生溫度,煙氣中的SO2含量不再增加,這是受再生氣中的O2含量所限。

        圖1 程序升溫時(shí)溫度對(duì)S Zorb載體及吸附劑燒硫性能的影響

        以上結(jié)果表明,提高再生溫度,吸附劑中ZnS的再生速率加快,在同樣含有大量硫的情況下,S Zorb吸附劑中ZnS的轉(zhuǎn)化速率遠(yuǎn)高于吸附劑載體。S Zorb吸附劑與載體的區(qū)別在于,吸附劑中含有Ni元素,而吸附劑載體未負(fù)載Ni元素。Ni的主要作用是將催化裂化汽油中的硫化物轉(zhuǎn)化成H2S類中間物種,起到脫硫活性中心的作用。但是從上述數(shù)據(jù)可以看出,Ni或者NiO還有促進(jìn)吸附劑中ZnS與O2反應(yīng)再生的催化作用,使得吸附劑能夠在較低的再生溫度下快速燒去負(fù)載的硫。

        2.3 工業(yè)待生劑YPDSJ的再生行為

        工業(yè)待生劑YPDSJ上碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.10%,硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.81%。圖2為程序升溫再生時(shí)溫度對(duì)YPDSJ再生行為的影響。吸附劑裝填量為8 g,N2流量為60 L/h,空氣流量為1.8 L/h,常壓下反應(yīng),程序升溫間隔為每個(gè)樣40 min,前20 min用于升溫及穩(wěn)定,后20 min取樣。從圖2可以看出,待生劑YPDSJ 再生煙氣中的CO2含量隨再生溫度的升高而增加,而且在再生溫度較低時(shí),煙氣中的CO2含量已經(jīng)較為可觀。原因可能如下:一是由吸附劑上吸附烴的燃燒造成的,盡管從脫硫反應(yīng)器中卸出的待生劑經(jīng)過了氫氣汽提以及氮?dú)獯祾叩炔襟E,但是吸附劑上仍然可能吸附一定量的反應(yīng)油氣,這部分吸附烴容易與空氣中的O2燃燒生成CO2;二是隨再生溫度的升高,吸附劑上的積炭也參與了再生反應(yīng),尤其是在再生溫度達(dá)到420 ℃以上時(shí),積炭燃燒反應(yīng)急劇增加。在再生溫度較低,如低于400 ℃時(shí),再生煙氣中的SO2含量變化不大,當(dāng)再生溫度高于420 ℃時(shí),煙氣中的SO2含量急劇增加,且在460 ℃時(shí)達(dá)到了與CO2相同的含量水平。然而隨再生溫度的繼續(xù)升高,SO2含量又急劇降低,表現(xiàn)出與積炭再生不同的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為,這主要是因?yàn)樵谳^高的再生溫度,如高于460 ℃的情況下,再生氣中的O2更容易與積炭發(fā)生反應(yīng),首先生成CO2,消耗了大部分的O2,造成吸附劑中的硫難以與足夠量的O2接觸進(jìn)行再生。即積炭、硫與O2的反應(yīng)屬于競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng),當(dāng)溫度高于460 ℃時(shí),將首先發(fā)生積炭與O2的反應(yīng),硫與O2的反應(yīng)受到抑制。

        圖2 程序升溫時(shí)溫度對(duì)待生劑YPDSJ再生煙氣組成的影響

        圖3和圖4分別為不同再生溫度下待生劑YPDSJ再生煙氣中CO2和SO2含量隨再生反應(yīng)時(shí)間的變化,圖5為不同再生溫度下待生劑YPDSJ再生煙氣中CO2/SO2摩爾比隨反應(yīng)時(shí)間的變化。吸附劑裝填量為8 g,N2流量為60 L/h,空氣流量為1.8 L/h,常壓下反應(yīng),取樣間隔為40 min。從圖3可以看出,在所考察的溫度范圍內(nèi),隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),CO2含量呈先升高后降低的趨勢(shì)。在再生初始階段,煙氣中CO2含量低主要是因?yàn)榇鷦┲泻休^多量的還原態(tài)Ni,Ni與O2的氧化反應(yīng)消耗了部分O2,導(dǎo)致與碳發(fā)生反應(yīng)的O2的量較少。隨再生時(shí)間的延長(zhǎng),Ni的氧化反應(yīng)逐漸完成,更多量的O2可以提供給燒碳反應(yīng),使得煙氣中的CO2含量增加。反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí),由于易燃燒積炭的量逐漸減少,燒碳反應(yīng)再次減弱,導(dǎo)致CO2含量降低。而且試驗(yàn)結(jié)果也再次表明,高溫有利于積炭的燃燒反應(yīng),再生溫度越高,煙氣中的CO2含量越高。

        圖3 不同再生溫度下工業(yè)待生劑再生煙氣中CO2含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        從圖4可以看出:煙氣中SO2含量變化趨勢(shì)與CO2含量的變化趨勢(shì)相似,在待生劑與再生空氣接觸初期,煙氣中的SO2含量極低,而且再生溫度越高,煙氣中的SO2含量越低,如當(dāng)再生溫度為540 ℃時(shí),反應(yīng)初期吸附劑中的Ni和碳消耗了絕大部分的O2,導(dǎo)致吸附劑的燒硫反應(yīng)難以進(jìn)行,再生煙氣中的SO2體積分?jǐn)?shù)僅為0.001 8%;隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),Ni的氧化反應(yīng)結(jié)束,而且燒碳反應(yīng)速率也逐漸降低,煙氣中的SO2含量逐漸升高。但是與燒碳反應(yīng)不同的是,當(dāng)再生溫度較低,如為460 ℃時(shí),煙氣中的SO2含量出現(xiàn)了最高值,這進(jìn)一步說明較低的再生溫度有利于提高吸附劑的燒硫選擇性。

        圖4 不同再生溫度下工業(yè)待生劑再生煙氣中SO2含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        從圖5可以看出,在540 ℃的高再生溫度下,再生初期煙氣中CO2/SO2摩爾比非常高,主要是由于高溫有利于燒碳反應(yīng)的發(fā)生,且待生劑上吸附烴的燃燒也消耗了大量的O2,燒硫反應(yīng)受到抑制,因此在反應(yīng)初期,煙氣中以CO2為主,隨再生時(shí)間的延長(zhǎng),燒碳反應(yīng)逐漸減弱,燒硫反應(yīng)逐漸增強(qiáng),使得CO2/SO2摩爾比逐漸下降。在460 ℃的低再生溫度下,煙氣中的初始CO2/SO2摩爾比仍較高,主要是由于再生初始階段,待生劑上的吸附烴更容易燃燒生成CO2,同時(shí)吸附烴燃燒耗氧抑制了燒硫反應(yīng),使得初始CO2/SO2摩爾比高。待生劑上的吸附烴完全燃燒之后,由于較低的再生溫度有利于燒硫反應(yīng),因此煙氣中的CO2/SO2摩爾比僅為1.05,隨再生時(shí)間的延長(zhǎng),煙氣中的CO2/SO2摩爾比逐漸升高。這主要是由于燒硫反應(yīng)隨時(shí)間的延長(zhǎng)迅速減弱,而燒碳反應(yīng)較為穩(wěn)定導(dǎo)致的。當(dāng)再生溫度為500 ℃時(shí),煙氣中的CO2/SO2摩爾比較為穩(wěn)定,其穩(wěn)定再生段的CO2/SO2摩爾比均值約為2.1。

        圖5 不同再生溫度下待生劑YPDSJ再生煙氣中CO2/SO2摩爾比隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        2.4 工業(yè)再生劑YPZSJ的再生行為

        再生劑YPZSJ是從工業(yè)S Zorb裝置再生器中取出的經(jīng)過了初步燒硫燒碳后的平衡劑,其碳、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然分別高達(dá)12.52%和9.69%。圖6為程序升溫時(shí)溫度對(duì)YPZSJ再生煙氣中CO2和SO2含量的影響。吸附劑裝填量為8 g,N2流量為60 L/h,空氣流量為1.8 L/h,常壓下反應(yīng),程序升溫間隔為每個(gè)樣40 min,前20 min用于升溫及穩(wěn)定,后20 min取樣。從圖2和圖6的對(duì)比可以看出,溫度對(duì)再生劑與待生劑的再生影響基本相同。煙氣中的CO2含量隨再生溫度的升高不斷增加,SO2含量先隨溫度的升高不斷增加,當(dāng)再生溫度高于460 ℃時(shí),SO2含量卻開始下降,也是因?yàn)楦邷貢r(shí)燒碳的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)消耗了大量的O2導(dǎo)致的。與待生劑再生反應(yīng)不同的是,當(dāng)再生溫度較低時(shí),煙氣中的CO2含量較低,主要是因?yàn)樵偕鷦┥系奈綗N已經(jīng)在工業(yè)裝置的再生過程中上得到了有效的脫除。

        圖6 程序升溫時(shí)溫度對(duì)再生劑YPZSJ再生煙氣組成的影響

        圖7和圖8分別為不同再生溫度下再生劑YPZSJ再生煙氣中CO2和SO2含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化,圖9為不同再生溫度下再生劑YPZSJ再生煙氣中CO2/SO2摩爾比隨反應(yīng)時(shí)間的變化。吸附劑裝填量為8 g,N2流量為60 L/h,空氣流量為1.8 L/h,常壓下反應(yīng),取樣間隔為40 min。從圖7可以看出,由于Ni活性中心已經(jīng)在工業(yè)再生過程中基本被氧化完畢,不再消耗再生氣中的O2,因此再生劑再生煙氣中的CO2含量基本隨再生溫度的升高而增加,隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

        圖7 不同再生溫度下YPZSJ再生煙氣中CO2含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        從圖8可以看出,盡管在較低的再生溫度如460 ℃時(shí),再生煙氣中的初始SO2含量很高,但是隨再生時(shí)間的延長(zhǎng),SO2含量快速降低。結(jié)合圖7數(shù)據(jù),在再生溫度460 ℃時(shí),再生煙氣中CO2含量同樣降低,說明在再生空氣中O2足夠的情況下,過低的再生溫度使得再生速率較低,O2利用率低。當(dāng)再生溫度為540 ℃時(shí),再生煙氣中的初始SO2濃度較低,但是隨著燒碳反應(yīng)的減弱,燒碳反應(yīng)所消耗的O2的量逐漸減少,燒硫反應(yīng)可用的O2的量逐漸增加,煙氣中的SO2含量大幅增加。

        圖8 不同再生溫度下YPZSJ再生煙氣中SO2含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        從圖9可以看出:在540 ℃的高再生溫度下,煙氣中CO2/SO2摩爾比隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低,主要是由于高溫有利于燒碳反應(yīng)的發(fā)生,因此在反應(yīng)初期,煙氣中CO2/SO2摩爾比可達(dá)5以上,隨再生時(shí)間的延長(zhǎng),燒碳反應(yīng)逐漸減弱,燒硫反應(yīng)逐漸增強(qiáng),使得CO2/SO2摩爾比逐漸下降;在460 ℃的低再生溫度下,煙氣中的CO2/SO2摩爾比隨再生時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高,主要是由于燒硫反應(yīng)隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減弱,而燒碳反應(yīng)較為穩(wěn)定導(dǎo)致的;當(dāng)再生溫度為500 ℃時(shí),煙氣中的CO2/SO2摩爾比較為穩(wěn)定,再生進(jìn)入穩(wěn)定段后,其摩爾比均值約為2.3,與待生劑數(shù)據(jù)接近。

        圖9 不同再生溫度下YPZSJ再生煙氣中CO2/SO2摩爾比隨反應(yīng)時(shí)間的變化

        3 結(jié) 論

        吸附劑中的Ni元素除了作為催化裂化汽油脫硫的反應(yīng)活性中心外,還具有催化吸附劑中的ZnS與O2進(jìn)行再生反應(yīng)的作用,使得吸附劑的燒硫再生可以在較低的溫度下以較快的反應(yīng)速率進(jìn)行。

        待生劑中還原態(tài)Ni的氧化反應(yīng)以及吸附烴的燃燒脫除屬于最容易進(jìn)行的反應(yīng),將優(yōu)先消耗一部分再生氣中的O2。吸附劑上硫和碳的氧化反應(yīng)受再生溫度影響較大,主要是因?yàn)槲絼┥县?fù)載的硫和碳在再生過程中存在著競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng),較低的再生溫度如460 ℃有利于提高再生反應(yīng)的燒硫選擇性,高的再生溫度如540 ℃時(shí)有利于燒碳反應(yīng)。高溫再生時(shí),燒碳反應(yīng)消耗了大量的O2,使得用于燒硫的O2不足,進(jìn)而抑制了燒硫反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)再生溫度為500 ℃時(shí),吸附劑上負(fù)載硫和碳的氧化反應(yīng)較為穩(wěn)定,再生煙氣中CO2/SO2摩爾比為2.1~2.3。盡管較低的再生溫度有利于提高燒硫反應(yīng)的選擇性,但再生溫度過低時(shí),吸附劑的燒硫、燒碳再生速率也降低,再生氣中O2的利用率下降。

        致謝:感謝郭大為博士為再生煙氣組成分析所做的貢獻(xiàn),感謝張春城在裝置改進(jìn)及分析方面提供的幫助。

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