燃烧产生的污染与防治

燃烧产生的污染与防治第1页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染和空气污染物

由于人类活动和自然过程，引起某种物质进入大气中呈现出足够浓度、达到足够时间，因而危害了人体健康、舒适感和环境的，都叫做空气污染。能引起空气污染的物质，叫做空气污染物。空气污染物浓度的两种方法表示方式：1、以气体污染物占体积的百万分之一，缩写为ppm2、单位体积内空气污染物的重量，μg/m3，每立方米中多少微克，在标准温度（25℃）和压力1atm时，两者换算关系为：第2页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染和空气污染物成分清洁空气污染空气SO20.001-0.01ppm0.02-2ppmCO2310-330ppm350-370ppmCO<1ppm5-200ppmNox0.001-0.01ppm0.01-0.5ppmCmHn1ppm1-20ppm氧化剂0.02ppm0.2-0.4ppm颗粒物质10-20μg/m370-700μg/m3清洁空气与污染空气载某些成分的含量：第3页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染物的组成1、按形成过程分类：原始污染物：直接从污染源排放到大气中的有害物质，常见的原始污染物有：SO2、CO、Nox及颗粒物次生污染物：进入大气中原始污染物之间相互作用，或它们与大气中正常组分发生一系列化学或光化学反应而后生成新的污染物，最常见的次生污染物有臭氧、醛类（甲醛、乙醛和丙烯醛等），过氧乙酰硝酸酯（PAN）以及硫酸烟雾和硝酸烟雾。第4页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染物的组成2、按存在状态分类：颗粒状污染物：除了纯水以外的任何一种以液态或固态形式存在于大气中的物质如尘、烟、雾尘：散布在气体中的固体微粒（粒径1-200μm）烟：较高浓度的过饱和蒸气凝结形式的小颗粒（0.01-1μm）雾：水蒸气凝结生成的悬浮小液滴烟雾：具有烟、雾的二重性，即当烟雾同时形成时为烟雾硫酸烟雾：燃烧产生的SO2与SO3遇水合成硫酸雾＋烟硝酸烟雾：汽车排放中NOX及HC遇水合成硝酸雾＋烟第5页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染物的组成2、按存在状态分类：气态污染物：以SO2为主的含硫化合物，以NO和NO2为主的含氮化合物，碳的氧化物，碳氢化合物及卤素化合物等类别原始污染物次生污染物人为源含硫化合物SO2、H2SSO3、H2SO4、MSO4燃烧含硫燃料含氮化合物NO、NH3NO2、MNO3高温燃烧碳氢化合物HC醛、酮、过氧乙酰、基硝酸酯（PAN）燃烧、精炼石油碳的化合物CO、CO2无燃烧卤素化合物HF、HCl无冶金作业第6页，共64页，2023年，2月20日，星期日§10.1空气污染和空气污染物空气污染物的来源燃料燃烧过程工业生产过程交通运输过程我国对烟尘、SOx、NOx和CO四种污染物的统计分析表明：燃烧料燃烧产生的空气污染物约占70%，其中煤燃烧污染占95%工业生产产生的约占20%，机动车产生约10%。第7页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染的影响1、空气污染对大气性质的影响降低能见度形成雾及降水减少太阳辐射改变温度和风的分布2、空气污染对原材料的影响3、空气污染对植物的影响酸性或碱性颗粒会腐蚀原材料（如油漆、石质、金属）臭氧极易损坏橡胶制品破坏叶绿素，致使光合作用无法进行第8页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染的影响4、空气污染对人类健康的影响CO窒息性气体，与红血球里血红蛋白结合成碳氧血红蛋白后，使血液载氧的能力降低。当CO的浓度达到0.5%，只需20-30min，血液中碳氧血红蛋白即可达70%。CO2非有害物质，但它使空气中含氧量减少，因而使人感到头痛和呼吸短促；CO2还会影响气候，产生温室效应。NOxNO无色无臭，有毒，与血液中血色素结合，造成血液缺氧而引起中枢神经麻痹症；NO2红褐色有窒息性臭味气体，毒性为NO的4-5倍。SO2易溶解，易被上呼吸系统所吸收，空气中1ppm的SO2就导致呼吸道阻碍。生成硫酸烟雾后，可形成酸雨。第9页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物空气污染的影响4、空气污染对人类健康的影响HC烷烃、烯烃和芳香烃，苯对人体的心血管系统和神经系统都有明显的影响。烟雾一种含有固体微粒和流体微粒的气溶胶。固体微粒有烟黑、粉粒等，烟黑中含有蒽、菲、芘等物质，这些物质对人体危害极大，其中不少是强致癌物质；尘是固体分散性微粒，其中粒径会引起呼吸道疾病。第10页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.1空气污染和空气污染物大气环境质量标准我国于1982年制定了第一个《大气环境质量标准》（GB3095－82），规定大气环境质量标准分为三级：三级标准：为保护自然生态和人民健康，在长期接触情况下，不发生任何危害性影响的空气质量要求。一级标准：二级标准：为保护人民健康以及城市、乡村和动、植物在长期或短期接触情况下，不发生伤害的空气质量要求。为保护人体不发生急性或慢性中毒以及城市一般动、植物能正常生长的空气质量要求。第11页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治烟尘种类及生成机理燃料燃烧时生成的烟尘，按其生成机理可分为气相析出型、剩余型烟尘和粉尘三种：（1）气相析出型气相析出型的烟尘来源于气体燃料、已蒸发的液体燃料气和固体燃料的挥发分气体，在空气不足的高温条件下热分解所生成的固体烟尘。粒径很小，一般在0.02-0.05μm范围内。火焰中含有这种炭黑后，辐射力增强，发出亮光，形成发光焰，由于其粒子细，容易粘附于物体而难于清除。研究表明，气相析出型烟尘是经过一系列氢聚合反应面生成的。第12页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治碳黑种类及生成机理（1）气相析出型甲烷在缺氧条件下进行热分解：乙烷的热分解：一次反应：二次反应：500℃：900－1100℃：第13页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治碳黑种类及生成机理（2）剩余型烟尘液体燃料燃烧时剩余下来的固体颗粒，它是由重质油雾化滴在高温下蒸发产生蒸汽的同时，发生聚缩反应，一面激烈地发泡，一面固化，从而生成絮状空心微珠，通常称之为油灰或烟炱，油灰粒径较大，约100-300μm。积炭也是剩余型烟尘的一种，它是重质油滴附着在喷口、炉壁上，并在炉内高温加热气化而残留下来的固体残渣，它的颗粒较大，形状不定。第14页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治碳黑种类及生成机理（3）粉尘粉尘是固体燃料燃烧时产生的飞灰，其主要成分是碳和灰，固体燃料在燃烧之后，一部分变成炉渣，一部分以飞灰形式排入大气中。以煤粉炉为例，有85-95%的灰分以飞灰排入大气。第15页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治影响烟尘生成的因素（1）燃料种类的影响C/H越大，产生炭黑数量越多；碳原子数越多就越容易产生炭黑；液体燃料的残碳含量越多，产生碳黑就越大。挥发分多的煤，其炭黑生成量要比挥发分少的煤多得多，但煤燃烧时产生的烟尘主要以飞灰形式出现。对碳氢化合物燃料而言第16页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治影响烟尘生成的因素（2）氧气浓度和过剩空气系数的影响碳黑是在富燃缺氧条件下产生，因此如果碳氢化合物燃烧与足够的氧气充分混合，能防止碳黑产生，防止产生烟尘所需要的氧气量，随着燃烧种类而异。第17页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治影响烟尘生成的因素（3）燃料粒径的影响燃料粒径大，其燃烬时间也长，因而在炉内有限的停留时间内燃料滴不易燃尽，使烟尘浓度急剧增加。而且燃料滴粒径大，所生成的空心微珠也大，当燃料滴碰到炉壁时，如果炉壁温度低，则燃料滴焦化成炭块，它们可能会脱落而随烟尘排入大气中，使烟尘浓度增加。（4）温度与燃烧时间的影响炉内温度越高，燃烧时间越长，产生烟尘越少。温度越高，燃烧时间越长，直径小的炭黑、炭和飞灰可以燃烬。第18页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治影响烟尘生成的因素（5）惰性气体的影响空气加入惰性气体时，碳黑浓度降低，如加入CO2效果较好。第19页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治控制烟尘的措施1、改进燃烧方式及改善燃烧过程（1）供给足够的空气，而燃烧温度又不能太低选用合适的燃烧空气量十分重要，一般都采用过剩空气尽可能少的情况下进行燃烧。（2）燃料和空气要在燃烧室内良好混合燃料与空气的良好混合，是组织燃烧非常关键的一个环节，因此必须掌握好空气流动、燃料喷雾特性，使送风方式和燃料的供给相搭配，燃料和空气能充分地接触和混合。第20页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治控制烟尘的措施1、改进燃烧方式及改善燃烧过程（3）提高燃烧室温度提高燃烧温度对防止产生炭黑有显著的效果。从炭黑反应速度可知，温度从1200℃时烧掉炭黑需要0.1S，则在1600℃时只需不到0.01S就可以了。因此，预热空气、保持炉膛温度，保证有足够的燃烧时间与空间，都可以减少炭黑的生成。第21页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.3烟尘的形成与防治控制烟尘的措施2、加装除尘装置应根据尘粒的性质、烟气的性质、除尘的工作特性以及其通用范围来进行，在能满足排烟标准的前提下，应尽量选用阻力小的除尘设备，以免安装风机，节约费用。第22页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的生成机理空气中的硫氧化物主要来源于含硫燃料的燃烧。燃料中的硫，除少量非燃烧性硫(5~10%)残留在灰分中外，绝大部分都氧化成SO2。不过即使空气过量，也只有0.5~2%的SO2转化成SO3。煤炭中的可燃硫有两种：有机硫：硫茂、硫醇和二硫化物无机硫：FeS2有机硫构成煤分子的一部分，在煤中均匀分布，而无机硫颗粒尺寸较小，在煤中通常呈独立相弥散分布。低硫煤中主要是有机硫，约为无机硫的8倍；高硫煤中主要是无机硫，约为有机硫的3倍。第23页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的生成机理煤受热后分解时，煤中有机硫和无机硫同时被挥发出来，结合松散的有机硫在低温（＜700K）下分解，结合紧密的有机硫在较高温度（＞800K）下分解释出，遇氧全部氧化成SO2，在还原性气氛下，挥发分主要气体H2S反应路线为：无机硫的分解速度很慢，在还原性气氛和温度＜800K以及足够停留时间的条件下，无机硫将分解成FeS、S2和H2S，其中FeS必须在更高温度（＞＝1700K）和更长时间下才能分解成Fe、S2等，并氧化成SO2，在氧化气氛下，FeS2直接生成SO2：第24页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的生成机理（1）在火焰高温区内：火焰温度越高，氧原子浓度越大，则SO3生成量越大（2）受热面积上灰和氧化膜的催化作用SO3除了从SO2与O2直接反应生成外，还可由下列两个途径产生：第25页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治影响SOx生成量的主要因素（1）燃料中含硫量越多，SO2和SO3生成量也越多（2）过剩空气系数越大，SO3生成量也越多（3）火焰区温度高，氧分子离解成氧原子多，因而SO3生成量也多第26页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术1、燃料脱硫2、炉内固硫3、烟气脱硫第27页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术1、燃料脱硫（1）物理净化法通过煤的粉碎，使非化学键结合的不纯物质与煤脱离，利用FeS2的密度与煤密度的相差，用水洗除FeS2，也可利用二者表面润湿、磁性或导电性不同加以分离。此法不能除去有机硫（2）化学净化法如用碱液浸煤后通过微波照射，使有机硫和黄铁矿的化学键被微波打断，生成硫化氢，它与碱反应而被去除。可除去90%的无机硫和70%有机硫。（3）煤的气化将煤进行气化，使煤中硫转变成H2S，然后再将其去除。第28页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术2、炉内固硫喷钙脱硫：先将脱硫剂破碎成一定粒度，然后送入炉膛，在温度800-1000℃范围下脱硫剂受热分解，把燃烧过程中产生的部分SO2固化：脱硫剂分解：硫化反应：再生反应：第29页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术3、烟气脱硫烟气脱硫是目前防止SOx污染大气的有效方法。烟气脱硫的技术基础主要是由于很多金属氧化物（如碱金属、碱土金属、金属氧化物）以及活性炭具有吸附或吸收SO2能力。把这些金属氧化物作为吸收剂吸收SO2后生成中间产物，再将含硫中间产物进行再生，再生后的吸收剂可循环使用，再生过程中释放出的SO2可做成硫制品加以利用。回收法：抛弃法：第30页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术3、烟气脱硫（1）湿法烟气脱硫可固结95%SO2以及90%的氯化物和氟化物第31页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术（2）再生洗涤烟气脱硫使用来硫酸钠为吸收剂，在预先洗涤操作中除去灰尘和HCl后在吸收装置里洗涤SO2并形成硫酸氢钠，在再生装置中热力分解硫酸氢钠，产生的SO2可加工成液态的SO2、硫酸钠和元素硫。第32页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.4硫氧化物的形成与防治SOx的抑制技术（3）烟气同时脱流脱硝技术活性炭吸附NH3法来同时脱硫脱硝，在温度为80-130℃下用活性炭作SO2的吸收剂，把吸收了SO2的活性炭进行再分解，并进一步处理成硫酸和元素硫。第33页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理燃烧过程中所产生的氮的氧化物：NO（占95%）NO2（占5%）燃烧所用的空气中氮（分子氮）的氧化；（大多数燃烧装置中，这是NO的主要来源）燃料中含氮化合物（燃料氮）在火焰中热分解后再氧化（在烧原油或煤的燃烧装置中，燃料氮是NO的主要来源）燃烧生成NO按来源不同可分为：热力NO瞬发NO燃料NO第34页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理热力NO：燃烧所用的空气中氮高温氧化生成NO，称为热力NO，它的生成机理（链锁反应）是Zeldovich于1946年提出的：第35页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理—Zedovich热力NO生成率，与贫燃料预混火焰的实验结果吻合。Fenimore指出富燃料燃烧还与下列反应有关：第36页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理热力NO排放量与反应温度的关系第37页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理热力NO：限制热力NO的生成，主要是降低温度，具体措施可归纳为：（1）降低燃烧温度，避免局部高温；（2）降低氧气浓度；（3）缩短在高温区的停留时间；（4）在偏离α＝1的条件下进行燃烧；第38页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理瞬发NO：大气压力下甲烷与空气预混火焰中NO的生成第39页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理瞬发NO：燃烧时燃料中碳氢化合物分解生成的CH和C等原子团，与空气中N2进行反应而生成氰化物：氰化物生成反应活化能小，反应快，氰化物又与火焰中大量的O、OH等原子团生成NO：第40页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理瞬发NO：第41页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理瞬发NO：研究表明，在火焰中不仅有HCN等存在，而且还有胺化物（NH、NH2、NH3）存在，同样与OH、N等原子团反应生成NO：第42页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理瞬发NO：瞬发NO生成与下列三个因素有关：（1）CH原子团的浓度及其形成过程（2）N2分子反应生成氮化物的速率与下列反应有关：（3）氮化物间相互转化率此反应对NO的生成起重要作用（富燃料及贫燃料），可以认为：第43页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理瞬发NO形成的主要途径：在温度T＜2000K时，NO生成率主要取决于CH－N2反应，即瞬发NO，随着温度增加，瞬发NO比例减小，热力NO增加，当T＞2500K时，NO生成主要按Zeldovich的热力NO生机理控制。第44页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理燃料NO：试验表明：燃烧装置中所用的燃料含有氮化合物时，排出燃气中含有大量的NO，且随着燃料中N含量增加而增加。燃料中N与各种碳氢化合物结合成环状或链状化合物，与空气中N相比，其结合键较小，燃烧时易分解生成低分子含氮化合物，氧化后生成NO第45页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理燃料NO：燃料平均含氮量（重量%）含氮量范围（重量%）原油0.065－沥青2.32.15－2.5重馏分1.40.6－2.15轻馏分0.070.06煤1.51－2.5不同燃料中含氮量第46页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理燃料NO的形成途径：第47页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理影响燃料NO的因素：（1）燃料含N量的影响：实际燃烧过程中只有部分燃料N转化为NO，实际生成NO与全部燃料N之比称为燃料N转换率，影响燃料N转换率的因素：当α＝1.3时，NO随着燃料N含量增加而增加，但却下降。当α＝0.8时，NO随着燃料N含量增加先增加后饱和，而下降。第48页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理（2）过剩空气系数的影响：第49页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理（2）过剩空气系数的影响：第50页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO的生成机理影响燃料NO的因素：（3）燃烧温度的影响：试验结果表明，燃料NO与热力NO不同，它受温度影响较小，这是因为燃料中N的热分解温度比火焰温度低，当燃烧达到分解温度而进行分解，生成NO与火焰温度关系不大。第51页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治NO2的生成机理燃烧生成的NO可与与含氮原子中间产物反应使NO还原成N2，也可以与各种含氮化合物或氧化物反应生成NO2，如在火焰面附近存在下列反应：另外在燃烧区由于氧原子增加，NO2又转变成NO，导致NO2含量较少：第52页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治降低NOx的燃烧技术主要途径：选用N含量较低的燃料，包括燃料脱氮和转变成低氮燃料降低过剩空气系数，组织过浓燃烧，以降低燃料周围氧浓度在过剩空气的条件下，降低温度峰值以减少热力NO在氧浓度较低情况下，增加可燃物在火焰前锋和反应区中的停留时间。减少Nox的形成和排放的具体方法为：分级燃烧、再燃烧法、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧和烟气再循环等。第53页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治降低NOx的燃烧技术分级燃烧：将燃烧所需的空气量分成两级送入，一级空气所用的过剩空气系数：气体燃料0.7，油0.8，煤0.8－0.9，其余空气在燃烧器附近适当位置送入，使燃烧分两级完成。一级燃烧区：燃料在过浓情况下燃烧，因缺氧富燃料使得燃烧速度和温度降低，从而抑制了挥发分燃烧生成的热力NO。另外燃烧生成CO与NO还原反应及燃料中N分解成中间产物相互复合作用或与NO还原分解，从而抑制了燃料NO的生成：第54页，共64页，2023年，2月20日，星期日§12.5氮氧化物的形成与防治降低NOx的燃烧技术分级燃烧：二级燃烧区：贫燃料燃烧区，因空气量多，一些中间产物氧化生成NO：但因火焰温度低，NO生成量不大，最终二级燃烧可使Nox生成量降低（30-