大气污染控制工程-讲稿_02燃烧与污染

第2章燃烧与大气污染人类所造成的环境污染物很大一部分也是来自燃烧。

特别是空气污染，其污染源主要是各种燃烧设备。

每年用于防治空气污染的费用中95 % 以上是消耗在燃烧装置上的。

由于燃烧而产生的著名污染事件有伦敦烟雾事件（在潮湿的空气中SO2和粉尘的综合作用结果）、洛山矶光化学烟雾事件（阳光下NO X和O3等产生强烈刺激的二次污染物）等。

而频繁出现的酸雨事件更是令人头痛不已，并曾造成国际纠纷。

我国的酸雨情况更是不容乐观60年代对大气污染来源的统计结果：2.1 燃料的性质常规燃料按其物理形态可以分固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。

2.1.1 固体燃料固体燃料包括煤、木材、焦炭等。

煤是一种重要的固体燃料，在我国的能源总消费中煤炭约占3/4以上，用于火力发电、工业锅炉和民用等领域。

1. 煤的分类煤的形成要经历一个很长的时间，分阶段的逐渐转化。

按沉积年代不同，煤被分为褐煤、烟煤和无烟煤三种。

（1）褐煤褐煤形成年代最短，褐煤中的水分和灰分含量都很高，干燥无灰的褐煤中碳含量为60 % ~ 75 %，挥发分为40 % ~ 50 %；燃烧热值低，低位发热量11.7 ~ 15.5 MJ/kg。

（2）烟煤烟煤的形成历史较长，挥发分含量占19 % ~ 40 %，碳含量为75 % ~ 90 %，低位发热量15.5 ~ 18.4 MJ/kg。

（3）无烟煤无烟煤是含碳量最高、煤化时间最长的煤。

碳的含量一般高于93 %，无机物含量低于10 %，挥发分小于9 %，低位发热量> 20.9 MJ/kg。

2. 煤的组成——工业分析（1）水分：外部水分（45 ~ 50 ℃下失水）和内部水分（102 ~ 107 ℃下失水）；（2）灰分：不可燃矿物质总称，主要是铝、硅、铁、钙、镁等的氧化物。

我国煤炭平均灰分为25 %；（3）挥发分：煤在隔绝空气的条件下加热（干馏）时所释放的气态可燃物；（4）固形碳：从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分。

2. 煤的组成——元素分析煤是由碳、氢、少量氧、氮、硫等构成的有机聚合物的聚集体。

大致比例如下：碳元素：无烟煤约含75 ~ 90 %，烟煤约50 ~ 80 %，褐煤约35 ~ 50 %；氢元素：约为5 %左右；氮元素：多数以有机氮的形态存在，约占0.5 – 3 %；硫元素：不同种类、不同地域的煤的含硫量差异较大，在0.5 ~ 5 % 之间。

也有低至0.2 % 或高至8 % 的煤种。

3. 煤中硫的形态煤中硫的形态一般分为三种：硫化铁硫——黄铁矿、白铁矿、砷黄铁矿等；有机硫——以噻吩结构为主，还有一些芳香硫；硫酸盐硫——钙、铁、锰的硫酸盐前两种形态在燃烧过程中将形成SO2而进入大气造成污染，硫酸盐硫不可燃，成为灰分。

黄铁矿的主要成分为FeS2，他在煤中通常以颗粒状态独立存在。

而黄铁矿的比重（4.7 ~ 5.2）远比煤中其它组分的比重（1.2 ~ 2.2）大，可以粉碎后通过浮选部分除去。

4. 燃煤产生的污染物燃煤产生的污染物包括CO、SO2、NO x、HC、烟黑和飞灰等。

燃煤产生的污染物的量主要取决于煤种及燃烧方式。

排放因子——单位燃料燃烧过程中所排放的污染物的量。

表1-1 煤粉炉燃烧过程排放因子（kg/T燃料）依据燃烧方式的不同，工业锅炉可以分为层燃式锅炉、悬燃式锅炉和流化床锅炉三种。

煤粉炉是悬燃式锅炉的一种，因其结构简单、对燃料适应性广、易调整及自动化的特点，特别适合与发电厂等大型锅炉。

悬燃式锅炉的另一种形式是旋风炉，旋风炉的炉温可高达1600 ︒C，液态排渣。

旋风炉的NO X排放量较大，可达25 kg/T。

层燃式锅炉按加煤方式分为手烧炉和机械加煤炉两种。

手烧炉燃烧效率较低，CO 排放量非常大，排放因子高达41 kg/T。

燃煤是我国城市大气污染的重要污染源，一个每天燃烧2000吨煤的火电厂，灰分和硫分分别以15 % 和3 % 计，每天排出的粉尘和二氧化硫分别达300吨和120吨。

另外，民用炉灶燃烧效率较低，只有百分之几十，排放大量的烟尘、二氧化硫和一氧化碳。

目前我国城市粉尘和二氧化硫含量居全球之首。

2.1.2 液体燃料液体燃料主要是石油加工产品，如汽油、柴油、重油等。

1. 石油制成品石油是由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成的液体。

典型的石油的组成包括碳（84 ~ 87 %）、氢（12 ~ 14 %）、氮（~ 1 %）、硫（0.1 ~ 7 %）和微量金属元素。

原油中的硫大部分以有机硫的形式存在，形成巨大的分子团。

为使用方便及经济原因,石油被加工为汽油、柴油和重油等。

加工过程中，硫大部分转移到重油中，故汽油、柴油中含硫量约为0.25 ~ 0.75 %，而重油则高达0.5 ~ 5 %。

在石油的轻馏份中，硫主要以R-S-R、R-S-S-R、四氢噻吩等形态存在；重馏份则以环状大分子形式存在。

作为有机态的硫，一般的物理方法无法分离，可以用加氢的方法破坏碳-硫键。

2. 燃油产生的污染物汽油、柴油主要用于移动燃烧器，例如汽车、飞机、轮船等。

内燃机燃烧排放大量的HC和CO。

表1-2中的排放因子定义为单辆机动车单位里程所排放的污染物的量，以g/km为单位来表示。

表中数据为实际运行条件下的平均综合值。

表1-2 1995年我国机动车实际排放因子计算结果（g/km）加装三元催化剂的机动车排放因子（欧洲，1995年）2.1.3 气体燃料气体燃料包括煤气（主要成分为H2和CO）、天然气（主要成分CH4）、液化石油气（主要成分C2H4 ~ C4H10）等。

1. 天然气天然气的主要成分是甲烷，含量高达98 ~ 80 %，还有少量的乙烷（3 ~ 10 %）、丙烷（3 %）、N2（0.5 ~ 2 %）、CO2（0.5 ~ 4 %）等。

燃烧产生的污染物比煤和油要低得多，被称之为清洁燃料（表1-3）。

天然气中的硫主要以H2S的形式存在，燃烧后形成SO2。

由于硫化氢具有腐蚀性，在输送前通常需要除去。

表1-3 天燃气燃烧的排放因子g/m32. 煤制气煤制气作为煤炭气化的产物，主要由H2（45 ~ 60 %）和CO（15 ~ 35 %）组成，在制气时，煤中的硫部分转移到气中，其中90 ~ 95 %以H2S形式存在。

在净化时，绝大部分H2S被除去，故煤气含硫量在0.15 ~ 0.8 g/m3之间。

2.2 燃烧的条件2.2.1 影响燃烧的主要因素有多种因素影响燃烧过程，最重要的因素在工业上被称为三T ，即 1. 有足够的温度以加热燃料，使其分解并燃烧（Temperature ）；只有当燃料的温度超过点火温度，同时燃烧时放出的热量高于散失的热量时，燃烧才可以自行维持。

2. 足够的时间以完成化学反应（Time ）；即燃料在高温区的停留时间，应超过燃料燃烧所需要的时间。

由于燃烧反应的速度随燃烧区温度的提高而加快，因而燃烧室的大小与燃烧温度有关。

3. 充分的湍流使氧与燃料混合（Turbulence ）;适量的空气和充分的湍流是燃料得以充分燃烧的条件。

这里不仅考虑进入燃烧室中氧气的量，同时强调能够参与反应的氧气的量。

2.2.2 理论空气量理论空气量——单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量。

理论空气量可以根据燃烧方程式计算，计算时一般作如下假设：（1）空气只由N 2、O 2 组成，其体积比为79/21 = 3.76（质量比76.8/23.2 = 3.31）； （2）气态物质（空气，燃气，烟气）一般按标准状态（273 K 、1 atm ）下的理想气体处理，即1 kmol 气体积为22.4 m 3；（3）燃料中的氧元素用于燃烧；硫氧化为SO 2，NO X 的生成忽略不计。

由于燃料的成分复杂，有关燃烧的计算是根据元素分析数据进行的。

通过计算1 kg 燃料中碳、氢、硫完全燃烧的需氧量求算理论空气量。

因为1 kmol 的碳完全燃烧需要1 kmol 的氧气，或者说12.01 kg 的碳完全燃烧需要22.4 m N 3的氧气，因此1 kg 的碳完全燃烧需要1.86 m N 3的氧气：[C] + O 2 = CO 2 12.01 kg 22.4 m N 3 22.4 m N 3 1 kg 1.86 m N 3 1.86 m N 3若已知燃料中的碳的重量分数为W C ，则1 kg 燃料中碳完全燃烧需氧气1.86W C m N 3。

类似的，1 kg 燃料中氢完全燃烧需氧气5.56W H m N 3，1 kg 燃料中硫完全燃烧需氧气0.70W S m N 3。

理论需氧量为上述三部分之和，再减去燃料中带入的氧。

如果燃料中含氧的重量分数为W O ，则 1 kg 燃料含氧22.4W O /32.00=0.7W O m N 3。

理论需氧量：007.0699.0556.5865.12W W W W V S H C -++= （m N 3）理论空气量：O S H C aW W W W V V 33.333.346.2688.821.020-++==（m N 3）2.2.3 实际空气量为使燃料完全燃烧，实际供给的空气量应大于理论空气量，即供给一部分过剩空气，促使燃烧完全。

衡量空气供给量的多少可以由空燃比或过剩空气系数表示。

1. 过剩空气系数过剩空气系数定义为实际空气量与理论空气量之比：理论空气量实际供给空气量==a a V V α对于燃烧器来讲，α的选择是非常重要的。

α过小，导致不完全燃烧，热效率下降，污染物增加；而α过大，烟气体积增大，排烟热损失增加，同样导致热效率下降。

因此在保证完全燃烧情况下，尽量使α趋近于1。

图2-# 燃烧过程中热量损失与空气供给量的关系不同的燃烧方式需要的过剩空气系数不同。

表2-# 部分炉型的空气过剩系数2. 空燃比有时也采用空燃比这一术语。

例如，内燃机的气缸内燃烧的是燃料-空气的混合物，混合物中的空气量常以空气-燃料比来表示，即空气的质量与燃料的质量之比，称为空燃比（A/F）。

对于典型的汽油来说，碳氢比约1:1.85，其理论空燃比为14.6。

如果混合物中空气的含量小于化学计量值，则称为“富燃混合物”；反之，有过量空气的混合物被称为“贫燃混合物”。

2.3 燃烧过程中污染物的形成2.3.1 硫氧化物的形成与控制1. 燃料中硫的氧化煤炭在加热时，在释放出挥发分的同时，煤中的有机硫与部分无机硫也挥发出来，形成H2S、CS2、COS以及少量噻吩、硫醇类物质。

在燃烧过程中，如果是富燃料状态（α<1），有机物分解、氧化，除生成SO2外，还产生S、SO、H2S等。

否则将全部燃烧生成SO2。

在空气过剩系数比较大时，也会产生0.5 ~ 2 % 的SO3。

SO与O的反应将发射一个光子，它使含硫燃料燃烧时呈现浅蓝色的特征火焰：SO + O −→ SO2 + hν2. H2S的氧化H2S燃烧的关键步骤涉及到H2S和SO的消耗：H2S + O −→ SO + H2SO + O2−→ SO2 + O进一步反应为：O + H2−→ OH + HSO + OH −→ SO2 + H3. SO2和SO3之间的转化低浓度的SO3通过下面反应产生于燃烧中：SO2 + O + M ←→ SO3 + M高温下，SO3可能被消耗：SO3 + O −→ SO2 + O2SO3 + H −→ SO2 + OH4. 炉内脱硫在适当的条件下，硫与无机组分的反应可以将硫固定在固相中。