大气污染控制工程：第4章 污染源的控制part2

1、4.2 燃烧过程污染控制(2)4.2.1 燃料4.2.2 燃烧过程和燃烧方式4.2.3 烟气体积及污染物排放量计算4.2.4 不完全燃烧产物的发生和控制4.2.5 氮氧化物的发生和控制4.2.6 硫氧化物的发生与控制4.2.7 飞灰的形成与控制4.2.8 汞的形成与控制14.2.4 不完全燃烧产物的发生和控制燃烧过程产生的不完全燃烧产物主要有一氧化碳和碳氢化合物（含黑烟） 1）一氧化碳的发生 燃烧过程中，燃料含碳首先氧化成CO。CO主要通过与OH反应生成CO2，与O2直接反应的速度很慢。CO如果不能被完全氧化，则存在于烟气中。2碳氢化合物生成一氧化碳的基本反应路线之一是 RRHRCHORCOC

2、O（其中R为碳氢基）。32）碳氢化物的发生燃烧过程中，部分未燃烧的碳氢化物以气态形式存在于烟气中；部分经过脱氢、分链、叠合、环化和凝聚等复杂的化学和物理过程，形成微粒态污染物，即黑烟。据测定，黑烟中存在芘、苝、蒽、菎等多种多环芳烃和其他有机物。形成历程链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔延长乙炔的链形成各种不饱和基不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔不饱和基通过环化反应形成C6C12型芳香族化合物C6C2基逐步合成为多环有机物4黑烟形成的化学过程5碳氢化物的生成量与燃料的成分有很大关系，如果燃料中烯烃和芳烃的含量多，烟气中易反应的碳氢化物和多核有机化合物（POM）浓度就高。燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM

3、排放水平具有相关性63）不完全燃烧产物的控制措施影响燃烧过程进行的主要因素有燃烧温度、空气量、燃料与空气的混合程度、反应时间等。为了减少由于不完全燃烧产生的污染物，可提高燃烧温度，适当增加过剩空气量，增加燃烧反应的紊流度，以及增加燃烧反应时间。这些措施一般对提高燃烧设备的热效率和出力也是有益的。提高燃烧温度和过剩空气量，可能导致氮氧化物增加。燃烧碳层温度过高还会使二氧化碳还原成一氧化碳。过剩空气量过大，可能降低燃烧温度；并且增加排烟热损失。 7燃烧过程的连续、稳定，对于提高燃烧效率、减少不完全燃烧产物是十分有利的。人工加煤的小型锅炉，其燃烧过程是间歇的，在加煤后的一段时间内，大量挥发物产生，但

4、此时炉温不高，不能充分燃烧，形成黑烟。 8煤粉燃烧过程理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤 焦炭 褐煤 低挥发分烟煤 高灰挥烟煤碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关94.2.5 氮氧化物的发生与控制1）氮氧化物的发生 燃烧过程氮氧化物来源有两部分：一部分是燃料含氮经氧化生成，称为燃料氮氧化物。另一部分是燃烧空气中的氮和氧在高温下化合生成，称为热力氮氧化物（包括快速热力型氮氧化物）。10热力氮氧化物按照泽利多维奇（. ）理论，热力氮氧化物的生成过程可用下列反应表达式：温度对氮氧化物的生

5、成速率有重要作用，当温度在1800K以下，热力氮氧化物生成量很少，超过1800K，每增加100K，反应速率增大67倍。当温度超过2300K，生成速率极高 。11图4.5 热力氮氧化物浓度与温度的关系图4.6 热力氮氧化物浓度与过量空气系数的关系12燃料氮氧化物 液体和固体燃料中存在含氮有机物，如喹啉（C9H7N）、吡啶（C5H5N）。石油平均含氮0.65，煤一般含氮12。 燃料进入炉膛被加热后，燃料中的氮有机物首先被热分解成氰（HCN）、氨（NH3）和CN等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，被称为挥发分N。挥发分N析出后仍留在燃料中的氮化合物，被称为焦炭N。 随着炉膛温度的升高及煤粉细度

6、的减小（煤粉变细），挥发分N的比例增大，焦炭N的比例减小。 挥发分N遇到氧后，HCN首先氧化成NCO；NCO在氧化性环境中会进一步氧化成NO，如在还原性环境中，NCO则会生成NH；NH在氧化性环境中进一步氧化成NO，同是又能与生成的NO进行还原反应，使NO还原成N2，成为NO的还原剂。 13煤中的N在燃烧过程中转化为NOx的量与煤的挥发性分及燃烧过量空气系数有关。在过量空气系数大于1的氧化性气氛中，煤的挥发分越高，NOx的生成量越多；若过量空气系数小于1，高挥发分燃煤的NOx生成量少，其主要原因是高挥发分燃料迅速燃烧，使燃烧区域氧量降低，不利NOx的生成。 14当过剩空气系数在1.1以上，燃料

7、氮的转化率基本稳定；过量空气系数低于1.0时，燃料氮的转化率急剧下降（图4.8）。燃料氮氧化物的生成，受温度的影响很小。图4.8 燃料型NO转变率与过量空气系数的关系15快速热力型NO的生成快速热力型NO是碳氢系燃料在氧浓度较低时（=0.70.8）并在预混合燃烧中生成的。此时几乎全生成快速温度型NO，其生成地点不是在火焰面的下游，而是在火焰面的内部。它的生成机理还不是很明确。燃料中的C或CH基与空气中的N2首先生成中间产物HCN、N、CN等，中间产物再与活性基（O、O2、OH）反应生成NO，其生成速度很快。其中HCN是重要的中间产物，90的快速热力型NO是经HCN而产生的。当氧气浓度较大，氧气

8、十分充足时，中间产物HCN等发生很少，快速热力型NO生成就不会太多。因此，要降低快速热力型NO生成量，只要供给足够的氧气就可以了。 16快速热力型NO的生成量，实际上受温度的影响不大。由于热力型和快速热力型NO都是空气中的氮被氧化而生成的，所以也有人把这两种NO总起来称为热力型NO。 1718NO2的生成 在通常的燃烧温度水平下，NO2的生成浓度很低，与NO的浓度相比，可以忽略不计。如甲烷燃烧时，当过量空气系数=1.66时，比值NO2NO约为0.002。在锅炉烟气中，NO2仅占NOX总量的510。因此，在前面讨论NOX时，就没有把NO2作为一个问题，只讨论NO的生成。但是，现在发现，燃气轮机排

9、气中，NO2占比例相当大，还发现某些形态的火焰中，NO2所占比例也相当大。 192）氮氧化物的控制措施 根据燃烧过程氮氧化物的生成机理，减少氮氧化物生成的主要方法有： 降低燃烧温度；保持适当的氧浓度；缩短燃料在高温区的停留时间；采用含氮量低的燃料；扩散燃烧时推迟燃料与空气的混合。 这些减少氮氧化物生成的方法，有许多与减少不完全燃烧产物，提高燃烧效率有矛盾，如降低燃烧温度和氧浓度、缩短停留时间，推迟混合。 此外，向炉膛添加还原剂也是被研究的一种方法。 改变燃烧条件，以降低氮氧化物发生量的技术通称为低氮氧化物燃烧技术。目前，这些技术多数是针对大型悬燃式燃烧装置的。 20分段燃烧（图4.9）：燃烧分

10、两段进行，第一阶段供给理论空气量的8090，第二阶段补足所需空气量。一段供给的空气量越少，控制氮氧化物的效果越好（图4.10）。分段燃烧可使燃烧过程变缓，防止局部出现过高的温度。该方法可使热力氮氧化物减少3050，燃料氮氧化物减少50，缺点是可能造成燃烧不稳定和不完全。 21烟气循环（图4.11）：将部分烟气循环，掺入燃烧空气中，以降低氧浓度，控制燃烧温度。一般认为这一措施仅能减少热力氮氧化物。烟气循环率（循环烟气占烟气量的百分率）可取1520（图4.12），该方法也会降低热效率。22浓氮燃烧（多用于燃油锅炉）：将燃烧器分为中间和周围两组，中间燃烧器燃料过剩，周围燃烧器空气过剩。中间燃烧器由于

11、空气不足，燃烧强度降低；周围燃烧器空气过剩，既可弥补中间燃烧器的不完全燃烧，又因为空气过剩，冷却快，使燃烧温度降低。向燃烧室内喷水或蒸汽，降低火焰温度。该方法会增加烟气排热造成的损失。向燃烧室通还原性气体（NH3、H2），使氮氧化物还原。该方法比较简单，但效率不高，且不易控制。当氨氮比为1.52.0时，氮氧化物消除率为5060。234.2.6 硫氧化物的发生与控制1）硫氧化物的发生 煤的含硫量一般为0.5%5%。煤中的硫以四种形式存在：硫铁矿（FeS2），含硫有机物（CxHySz）、硫酸盐（MSO4）和硫磺（S）。以有机硫和硫铁矿形式存在的硫在燃烧过程中全部参加反应，氧化为SO2，统称挥发性硫

12、；而硫酸盐硫则不参与燃烧，往往有一部分留在底灰中，另一部分以飞灰形式排出。 24硫化铁硫是煤中主要含硫成分。 有机硫以各种官能基团存在，如噻吩、芳香基硫化物、环硫化物、脂肪族硫化物、二硫化物、硫醇等。烟煤中构成噻吩的硫分占有机硫的4070，二硫化物和硫醇不多。褐煤中二硫化物和硫醇较多。 硫酸盐硫主要以钙、铁等的硫酸盐形式存在，其中石膏（CaSO42H2O）占多数，绿矾（FeSO47H2O）较少。煤中硫酸盐硫要比前两种硫分少得多。25石油中的硫大多数以有机硫形式存在，原油的含硫量因产地而异，一般为0.52。原油中的硫分大部分留在重馏分中，所以重油含硫量较高，一般为原油含硫量的1.5倍，并以复杂的

13、环状结构存在。轻油中含硫醇、一硫化物、二硫化物、环硫化物和硫化氢等。气体燃料中硫以气态硫化氢的形式存在，天然气中含硫量一般小于1。 26燃料燃烧时，如果空气过剩系数低于1.0，即在富燃料状态下，燃料中的可燃硫将分解，除了生成SO2外，还有一些其他的硫氧化物，如一氧化硫(SO)及其二聚物(SO)2，还有少量氧化二硫(S2O)和H2S等，但仅在各种氧化反应中以中间体形式出现；当空气过剩系数高于1.0，即贫燃料状态时，可燃硫将全部燃烧生成SO2，在完全燃烧条件下，生成SO2的同时，约有0.52.0的SO2将进一步氧化而生成SO3。27当烟气中有过剩氧存在时，SO2会继续氧化为SO3.研究表明，影响S

14、O3生成量的主要因素有： 燃料中的含硫量越多，SO2和S03的生成量越多； 空气过剩系数越大，SO3的生成量越多； 火焰中心温度越高，生成的SO3也越多； 烟气停留时间越长，SO3生成量就越多。 另外，在一定的温度范围内，对流受热面管壁上的氧化膜和积灰中的某些金属氧化物也会催化SO2向SO3的转变。 28燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率:转化率与温度密切相关H2SO4浓度越高，酸露点越高。 烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀如体积分数为1106的硫酸蒸汽可使含水蒸汽11烟气的露点从48提高到110.29SO3的转化率/%30含有水蒸汽和SO3气体的露点温度含

15、有水蒸汽和SO3气体的露点温度（Tp ， ）可用下式计算：式中：H2O -烟气水分含量（%）SO3-烟气中SO3含量（%）312）硫氧化物的控制 在煤粉炉和燃油炉中，目前还不能用改进燃烧技术的方法控制SO2的生成量，因而SO2的生成量正比于燃料中的含硫量。 控制燃料燃烧引起的二氧化硫污染，可通过燃料脱硫、燃烧中固硫和烟气脱硫等途径来实现，还可通过高空排放，控制近地面二氧化硫的浓度。 32 燃烧过程固硫 在燃烧过程中加入固硫剂，与硫氧化物反应，生成比较稳定的硫酸盐，使硫固定于灰渣中，是一种控制二氧化硫的有效措施。常用的固硫剂有石灰、石灰石、白云石（碳酸钙、碳酸镁）等。 钙硫比（摩尔比） 33固硫

16、剂的添加方式有掺入燃料、加入型煤和喷入炉膛等几种。大型动力燃煤锅炉常用煤粉炉。在煤粉中掺入一定数量的石灰石粉，能在燃烧时固硫，其固硫效果比层燃炉燃料掺入石灰石的固硫效果好。 流化床燃烧装置 流化床中加石灰层，用以控制二氧化硫排放 344.2.7 飞灰的形成和控制1）飞灰的形成 燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，它包括黑烟和飞灰两部分。 黑烟由不完全燃烧产物形成(如前所述）； 而飞灰则是灰渣分散成的颗粒为烟气带出。 35飞灰的形成过程36灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素37影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质燃烧方式烟气流速炉排和炉膛的热负荷锅炉运行负荷锅炉结构38影响燃煤烟气

17、中飞灰排放特征的因素煤质39燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响40影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素燃烧方式41几种燃烧方式的烟尘百分比42几种燃烧方式的烟尘颗粒概况43影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素运行负荷444.2.8 汞的形成与排放Hg对人的肾和神经系统有危害煤碳燃烧是Hg的一大来源在燃煤过程中大多数的微量元素基本残留在底灰和飞灰中（99.9%），但汞首先在燃烧高温中气化成气态汞（Hg0），然后随着与其它燃烧产物的相互作用和冷却过程会生成氧化态汞（Hg2+）和颗粒态汞（Hgp）。三种形态总称为总汞（HgT） 煤中Hg的析出率与燃烧条件有关燃烧温度900oC时，析出率90还原性气氛的析出率低于氧

18、化性气氛45 汞在现有的烟气净化系统中的去除率取决于其在烟气中的形态。在烟气净化系统中Hg0与Hg2+往往以气态方式存在，无法通过除尘装置净化。Hg0不溶于水所以无法通过湿式洗涤净化，Hg2+在湿式洗涤净化系统中的效率取决于其所构成化合物的水溶性。Hg0与Hg2+均易于吸附到飞灰、粉末活性炭及钙剂脱硫剂等多孔性物体上，通过除尘得到净化，Hg2+ 的吸附情况要强于Hg0。而Hgp则较易黏附在颗粒物上而在除尘系统中除去。目前，已出现了一些利用燃煤脱汞和现有净化系统改进来减少汞向大气排放的技术。 如何有效地控制燃煤过程汞的排放仍然是控制燃煤污染的新课题之一。 464.3 生产过程污染散发的控制4.3

19、.1 污染源散发控制的原则方法控制生产过程污染物散发的基本方法有：封闭污染源并辅以适当排气；用气流引导并收集污染物；用清洁空气将局部空间的污染物稀释并排出。 前两种在工业通风中称为局部排气，后一种称全面换气。 474.3.2 局部排气空气污染物在车间的扩散机理是污染物依附于气流运动而扩散的。对于生产过程散发到车间空气中的污染物，只要采用合理的通风方式，控制住室内二次气流的运动，就可以控制污染物的扩散和飞扬，从而达到改善车间内外空气环境质量的目的。局部排气通风方式，就是在局部污染源设置集气罩，将污染气流捕集起来并经净化装置净化后排至室外。这是控制车间空气污染最常用、最有效的方法。48局部排气净化

20、系统示意49（1）集气罩：集气罩是用以捕集污染气流的。其性能对净化系统的技术经济指标有直接影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同，集气罩的形式是多种多样的。（2）风管: 在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统的设备和部件连成一个整体。（3）净化设备：为了防止大气污染，当排气中污染物含量超过排放标准时，必须采用净化设备进行处理，达到排放标准后，才能排入大气。（4）通风机：通风机是系统中气体流动的动力设备。为了防止通风机的磨损和腐蚀，通常把风机设在净化设备后面。（5）烟囱：烟囱是净化系统的排气装置。由于净化后烟气中仍含有一定量的污染物，这些污染物在大气中扩散、稀释、悬浮或沉降

21、到地面。为了保证污染物的地面浓度不超过环境空气质量标准，烟囱必须具有一定高度。50集气罩是局部排气系统的关键部件。集气罩的集气原理 气流方式包括： 吸气口的吸入气流流动； 吹气口的吹出气流流动； 吸入气流与吹出气流的差异主要有以下两点：吹出气流由于卷吸作用、沿射流方向流量不断增加，射流呈锥型；吸入气流的等速面为椭球面，通过各等速面的流量相等，并等于吸入口的流量；射流轴线上的速度基本上与射程成正比，而吸气区内气流速度与距吸气口的距离的平方成反比。所以，吸气口能量衰减很快，其作用范围较小。5152（1）对集气罩的要求：集气罩应净可能将污染源包围起来，使污染物扩散限制在最小范围内，以防止横向气流干扰

22、，减少排风量。集气罩的吸气方向尽可能与污染气流方向一致，充分利用污染气流的初始动能；尽量减少集气罩开口面积、以减少排风量。不允许集气罩的吸气气流经过工人的呼吸区再进入罩内。集气罩的结构不应妨碍操作和设备检修。53（2）集气罩的种类和形式 集气罩根据作用原理不同，可分为四种：围挡罩（图4.14）：又称封闭罩。这种集气罩将污染源包围，并自罩内排气，既将污染物带走，又保证罩内负压，可防止污染物外逸。这种集气罩能以较小的排气量将污染物控制在罩内，是最经济而有效的罩型，应尽量采用。54接受罩（图4.15）：罩口朝向污染气流，待污染气体运动到罩口，即被接受并排出。这种集气罩能利用污染物的运动趋势，防止污染

23、物扩散，节省排气量。如果能与工艺协调配合，这种集气罩能有很好的污染物控制效果。 55外部吸气罩（图4.16）：简称外吸罩。靠集气罩的主动吸气，在罩外一定范围造成吸气流场，引导和收集污染源散发的污染物。这种集气罩对工艺运行操作影响较少，不受方向限制。但由于吸气口外气流速度随距离增大而迅速衰减，因而有效作用范围有限。所以外吸罩更应尽量靠近污染源，否则不能有效控制污染物散发或很不经济。 56吹吸罩（图4.17）：利用射流速度衰减慢，有效作用距离远的特性，可将离吸气口较远的污染物推送到吸气口作用范围内，就能有效收集污染物。吹吸气流配合，形成气带，能将污染气体与清洁空气隔开。57（3）集气罩的性能参数及

24、测定集气罩的性能参数主要包括排风量和阻力排风量的测定方法 通过测定连接管道中的气流动压或气体动压确定流量系数58压力损失的测定与计算59（4）集气罩的设计原则和方法集气罩的设计原则：最有效、最经济地控制污染物的散发，并与生产工艺相协调。具体设计步骤是：根据污染源的实际情况和工艺要求，确定集气罩的形状、尺寸和位置；再按照污染物散发速度、污染气体的温度、危害性等条件计算排气量；计算罩口阻力。集气罩的形式不同，其排气量的计算方法也不同。主要计算方法有：罩口风速法、控制风速法、流量比法和临界断面法（用于吹吸罩）等。 60（5）围挡罩排气量计算 围挡罩通常用罩口风速计算排气，一些定型的吸气罩可用经验方法

25、计算。排气柜（图4.19）是围挡罩的一种，其排气量计算方法具有代表性。排气柜排气量计算的出发点是，在工作口造成一定的吸气速度（罩面风速），使吸气速度大于污染物外逸速度。工作口的吸气速度根据污染物散发情况和毒性等因素确定，具体数值可参考附录3。 61(6）接受罩排气量计算用流量比法计算上悬式接受罩工作情况如图4.20所示：当横向气流速度，上升的污染气流正对上部接受罩（图a）；当，污染气流偏向接受罩一侧（图b）； 大到一定程度（图c），污染气流偏到临界状况；再增大，污染气流部分逸出罩外（图d）。 62悬式接受罩排气量V应等于污染气流量V1与吸入周围空气流量V2之和，即 令 ，并称其为流量比。流量比

26、大，抗横向气流干扰的能力强。 保证污染气流不逸出罩口的最小流量比 KV称作临界流量比 63污染气流速度，；横向气流速度，上悬式热污染气流接受罩的排气量可用下式计算： 污染气流与周围空气温度相同时的临界流量比 Kv64H罩口至污染源的距离，m；E污染物散发口短边长或直径，m；J污染物散发口长边长度，m；W罩口宽度，m。 上式的适用条件 65热污染气流接受罩的计算从理论上说，上悬式热污染气流接受罩的罩口面积与污染气流在罩口处的断面积相等，排气量与污染气流在罩口处的流量相等即可。但由于周围可能有横向气流存在，使污染气流偏斜而逸出罩口。因此罩口尺寸和排气量要适当加大，罩口离污染源越远，需要加大的量越多

27、。 66高温污染源产生的污染气体形成热射流（图4.22），因其产生过程不同可分为两类：一类是污染源以一定速度排出污染气体（如敞口加热炉），另一类是高温表面因对流产生的热射流。前一类热射流的流量应由工艺提供，或由现场实测求得；后一类可按对流规律计算 。67热射流流量计算 热射流因外界空气不断混入，其流量和断面面积不断增大。但当上升高度不大（ ，f为污染源开口的水平投影面积），可近似认为热射流流量和断面面积不变。热射流起始流量可按下式计算： 6869d 污染源水平开口直径，m 70不同高度热射流的直径可按下式计算：71上悬式集气罩悬挂高度不同，所需罩口面积和排气量也不同。由于上升的污染气流受到横向

28、气流的影响，罩口尺寸和排气量均应大于热射流到达罩口的断面尺寸和流量。低悬罩罩口尺寸可按下列两式计算：圆形罩 矩形罩 低悬罩排气量按下式计算： V罩口超过污染气流断面部分的吸气速度，通常取0.50.75 m/s72高悬罩直径 只要污染源水平开口纵横方向尺寸悬殊不大，热射流达到一定高度后，其断面就接近圆形。所以高悬罩的罩口形状一般都为圆形 。高悬罩排气量 污染气流到达罩口平面的面积， 73(7）外吸罩排气量计算颗粒物由于某种原因（如振动、跌落）以初速度进入空气（即尘化），在空气阻力作用下逐渐减速。尘粒速度降到零的位置点称零点，尘粒最大运动距离称尘化距离（亦即抛射运动距离，见3.18）用控制风速法计算处于零点的污染物，能被速度很慢的气流带走。能有效控制污染物运动的最低气流速度，称为控制风速。将离吸气口最远的点作为控制点，控制点至吸气口的距离称为控制距离（图4.23）。 74控制风速与污染物形态、散发速度和环境风速等因素有关（见表4.11），确定风速还要考虑污染物危害性的大小。控制风速计算排气量，是通过理论分析或实验，找出罩口风速与罩外控制点气流速度之间的关系，应用这一关系和要求的控制风速可计算出需要的罩口风速，据此计算排气量。常见外吸式集气罩的排气量计算式如表4.124.14所示 75用流