大气污染控制工程

第一章概论

讲授2学时

讲授内容：

一、大气圈的构成及大气组成

1.大气圈（各层特点）

2.大气组成（恒定组分、可变组分、不定组分）

二、大气污染的形成

1-大气污染的含义

2.大气污染源的分类

3.一次污染物和二次污染物

4.重要的大气污染物（CO、NOx、SOx、HC、dust、Mist等）

三、大气的危害

四、大气污染与气象的关系

1.大气污染气象学的研究状况

2.影响大气污染的气象因子（动力因子、热力因子）

五、大气污染的状况

六、大气污染防治途径

重点内容：一、二、四，其它为了解。

习题：1.某一著名大气污染事件中，主要污染物有烟尘、CO、C02.SO?、SO：,、光化学烟雾。

试指出哪些是一次污染物？哪些是二次污染物？

2.简述生态学原理在大气污染防治中的应用。

3.试述大气污染与气象的关系？

大气质量

空气的重要意义：

人是完全靠空气生存的，成年人平均每天约需1Kg粮食和2Kg水，但对空气的需求就大得

多，每天约13.6Kg（合10耐）。若三者都断绝供应，引起死亡的首先是空气，要是空气中混

进有毒害的物质，则毒物随空气不断地被吸入肺部，通过血液遍布全身，为人体健康直接产

生危害。大气污染对人的影响不同于土壤和水的污染，它不仅时间长且范围广（较多是地

域性的，也有全球性的）。地球上发生的八大“公害事件”，其中五起是因大气污染造成的。

当然，空气污染的原因不只是人类的活动，还有像森林,火灾和火山爆发一类的天然事件。

不过后者通常在空气污染中起次要作用。本章仅讨论有关认为污染方面的问题，并简略介绍

一些控制污染的技术措施。

§1-1大气圈的构成及大气组成

1.大气圈

随地球引力而转的大气层叫大气圈。大气圈的最外层的界限是很难确切划分的，但大气

也不能认为是无限的。在地球场内受引力而旋转的气层高度可达10,000Km。有的学者就以

10,000Km作为大气圈的最外层。一般情况卜.认为，从地球表面到1,0001,400Km的气层作

为大气圈的厚度，超出l,40（）Km以外气体非常稀薄，就是宇宙空间了。

大气圈中的空气分布是不均匀的，海平面上的空气最稠密。在近地层的大气层里，气体

的密度随高度的上升而迅速的变稀。但是在4001.400K口大气层里空气是渐渐变稀薄的.大

气圈的总质量约为6000万亿吨，约为地球质量的百万分之一。

大气的构造：

根据大气圈中大气组成状况及大气在垂直.高度上的温度变化，划分大气圈层的结构如下

图:

星际空间

外层（故逸层）

约2（KX）：＜m以上

原子氧层—

分子氮层—非均侦层8(X)~HXX)Km

热层（电离层）-

中间层80~85Km

均质层

从地球表面向上，大约到90Km高度，大气的主要成分氧和氮的组成比例几乎无什么变

化,具有这样特性的大气层叫均质大气层（简称均质层）。在均质层以上和外围空间的大气

层,其气体的组成随高度升高有很大变化，这个圈层叫非均质层。

在均质层中，根据气体的温发沿地球表面垂直方向的变化分为；对流层、平流层、中

间层、电离层、散逸层。

特点：

对流层:1)相对于整个大气圈厚度而言很薄，按最厚姓计，占总厚度的6—9乳占总质量

的75%。在这一层中除了有纯净的干空气以外，还含有一定量的水蒸气，适度

的温度对人和动植物的生存起到重要的作用。

2)一般情况下，温度自地表面向高空递减，0.65C/上升100米。

在对流层中，由于太阳的辐射以及下垫面特性和大气环流的影响，使得在该层

中出现极其豆杂的自然现象，有时形成易『扩散的气象特征，有时形成对生态

系统产生有危害的逆温气象条件，雨、雪、霜、雾、雷电等自然现象也都出现

在这一层。

3)大气有较强的对流运动，大气污染也主要发生在这一层，特别是在靠近地面

l-2Km的近地层更易造成污染。近地层的大气污染物的扩散能力主要取决于当

时的气象条件。

4)温度、湿度等各要素水平分布不均匀。

平流层:1）在这一层里气体的温度差随高度上升有缓慢的增加,30-35Kni,T=-55℃o然后

上升（气温）较快，这是因为在该层中的臭氧强烈吸收太阳紫外线所致。

2）几乎不存在水蒸汽和尘埃，一般处于平流运动。3）大气很干燥，没有云、

雨等现象，是匕机理想的K行区域。

中间层:气温随高度增加迅速降低，有强烈的垂直对流运动。

电离层:气温随高度增加迅速上升，空气处尸高度电离状态，发电报是靠这层反射回来。

散逸层:气体温度很低，气体粒子能克服地球引力而逸向星际空间。星际空间内每而空间

有数十个离子存在。

研究重点：对流层，平流层

1.大气组成

1）大气（空气）从自然科学角度来看，空气和大气常常作为同义词，二者没有实

质性的差别。但在研究近地层的空气污染规律及对空气质量进行评价时，为便

于说明问题，有时两个名词分别使用。一般对于居住在室内或特指某个地方

（如车间、厂区等）供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气

气象、自然地理以及环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流作为研

究对象，因此，就常用大气一词。

2）大气的组成：

大气是一个多种气体的混合物，有混合气体、水气和悬浮微粒组成，可分为：

恒定组分：（M20.95%）、N2（78.09%）><（0.93%）、惰性气体。上述组分的比例

在地球表面上任何地方几乎是可以看作不变的。

可变组分：CQ、水蒸汽、（上这些组分在大气中的含量是随季节、气象的变化以

及人们的生产、生活活动的影响而发生变化。

不定组分：r第一环境问题引起的：由自然界的火山爆发、森林火灾、

海啸、地震等暂时性灾难所引起的。污染物有尘埃、S、

来源JIIS、SOx、NOx等。

第二环蛔题引起的

表6T,Pi干洁空气的组成，正常空气组成见书A.

由于人类社会的生产工业化和经济建设速度增长，人口剧增等使得大气中增加或增多了

某些不定组分。大气中含有的不定组分的种类和多少由地区的条件而定的。格金工厂、电厂

所在的地区，大气中含有煤烟、尘、SOx、NOx等组分就多。而在化工区，则有机或无机的

化学物质等不定组分就多。当这些不定组分排放于大气中时就会使大气污染，不定组分达到

一定浓度时，将会对动植物造成严重的危害，这是环保工作者研究的主要对象。

人们所关心的问题：供会减少吗？不会。

大气中8的含量（A、N维诺格拉多夫，1973年苏联）

年份1970196719511942193519191912

2Q946±0.0012Q945±0.00620.94620.9220.94620.95220.95

2.CO?浓度会增加

70年代到80年代,CO?平均每大增加2%；不少学者认为70年代到2000年代CO?要增加以上,

CO,浓度的增加引起的后果说法不一。

§1-1大气污染

1.大气污染的含义：P272国家标准组织定义（ISO）定义

指自然界中局部的职能变化和人类的生产和生活活动改变大气圈中某些原有成分和向大气

中排放有毒害物质，以致使大气质量恶化，影响原来有利的生态平衡体系，严重威胁着人体

健康和正常工农业生产，以及对建筑物和设备财产等的根坏（另一种说法见书上P149）。

2.大气污染源的分类：由四种分类法

1）按污染源存在形式：固定污染源、移动污染源；

2）按污染源排放方式：高架源、面源、线源；

3）按污染源排放时间：连续源、间断源、瞬时源；

4）按污染源产生类型：工业污染源、家庭炉灶、汽车排气。

进行大气质量评价适宜用第一种分法，研究扩散适宜用第二种分法，分析污染物排放时

间规律适宜用第三种分法，解决污染物，控制污染物适宜用第四种分法。

3.一次污染物和二次污染物

一次污染物：指直接从各类污染源排出的物质。

可分为：非反应物质，其性质较稳定；反应性物质，性质不稳定，在大气中常与某些其它

物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物产生化学反应。

二次污染物：反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应形成的物质。如二次污染物硫

酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过程。

so2so）—H£^H2SOA—^-^/72so4）m（H2o）n—

往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。

4.重要的大气污染物

CO、NOx、HC化合物、SOx＞微粒、光化学烟雾见书已助闻。在此不做详细介绍了。

主要污染物：粉尘（钢铁厂、冶炼厂、水泥厂、建筑材料厂等）；

硫化物（民用炉、热点站、金属冶炼、硫酸厂）；

氮化物（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂）；

氧化物（CC、C0J；

卤化物（氟化物、氯化物、制碱厂）；

有机物质的污染。

1）CO占总污染量的30%主要来源：汽车排气占50%

危害：与血红蛋白结合危害人体，排量多会使空气中6量降低。

2）NOx、NO、N02本身含氮变成游离氮原子和氧作用（燃\0）

来源：①石化燃料的燃烧

高温下，大气中的氮和氧加（热解NO）

NOx生成量与燃烧温度有关

②各种工业过程（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂等）

危害：①光化学烟雾的主要成分：

②对动植物体有强的腐蚀性。

3）碳氢化合物（HC）

来源：燃料燃烧不完全排放HC化合物，汽车尾旺中有10%HC化合物。美国70年

统计，在总HC尾气中，汽车排气占48机

危害：光化学烟雾的主要成分。

4）硫氧化物

来源：①燃料燃烧；

②有色金属冶炼；

③民用燃烧炉灶。

S02浓度：3.5%以上高浓度烟气

3.5%以下低浓度烟气

危害：①产生酸雨；②腐蚀生物的机体:③产生化学烟雾。

硫酸烟雾的代表事件：伦敦烟雾事件

5）微尘

分类:气溶胶中0.1—1Pm

烟9.1—1ym降尘OlOum)

尘10—100um飘尘(<10nm)

雾1—10um

危害：①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成烟雾事件（硫酸等，SO?之所以在大

气中造成危害是由于大气中微尘带有一些Fe?一等催化剂使

SO242'）SO3TH2so4

6）其他有害物质（石棉、镀、汞）

7）光化学烟雾

光化学烟雾早在1946年最早在洛杉矶发现，故又叫“洛杉矶烟雾"。这种烟雾经常发生

在夏季和早秋季节，每次事件给人造成很大的灾难。

光化学烟雾的机理在本世纪五十年代以前还不很清楚，1956年首先由加利福尼亚工科

大学哈根.斯特博士提出了光化学烟雾的理论，他认为洛杉矶型的烟雾事件主要由于汽车排

出来的尾气中的NOx.HC在强烈的太阳光作用下发生化学反应造成的。引起光化学烟雾的

NO2气体可吸收300—700nm（纳米）波长的光。其中430nm波长以下的紫外线光照射时，可使

NO,分解NO2”>No+0

生成的原子氧很快乂与空气中的（）?形成（%:0+。2+M-。3+历

按上式可计算出0,浓度，实际上远比按上推导而得为结论高。

主要是：大气中存在由各种HC化合物，最容易与0原子、。2、。3、N0进行反应生成一系列

中间产物和最终产物。如形成光化学烟雾的HC物为醛类时，其主要反应如下：

大气中的一次污染物如汽车、工厂等排放的燃烧生成物和未燃烧物质经过太阳光的照

射，各种污染物之间发生反应形成二次污染物一一烟雾，被称为光化学烟雾。

反应机理见书。

光化学烟雾的主要成分：0」、过氧酰硝酸酯、酮类、醛类各种活性很强的许多自由垃、

氮类氧化物。

造成光化学烟雾的起始物：N0，

形成条件：阳光照射（光波2900-4200A）空气中存在HC化合物（上午9点一下午2

点）晴天，温度不太高。

§「3大气污染的危害

我国由于大气污染直接造成的损失是68亿/年。汽车的污染也较严重，目前世界上有2

万亿辆汽车，排放Pb4亿万吨。

大气污染物侵入人体途径：①表面接触：②食入含有大气污染物的食物：③吸入被污

染的空气。

危害：①人体健康危害

胃癌：城市高于郊区（重庆市区高于郊区8臂）。

S()2浓度(ppm)时间危害

0.2~0.8持续3天大气污染事件

0.3~1.0一般人能感觉到

0.4615平均45岁以上的人死亡增加

0.55平均1953年伦敦事件

6~12瞬时刺激鼻喉

②对植物的危害：叶萎缩、枯烂、吸入到果实中。

③局部气候的影响

④对金属制品、油漆、涂料、建筑、古物等的危害（重庆长江大桥的桥梁）

⑤对臭氧层的破坏

原因：超音速飞机排放污染物破坏6层；氨氯昂一一冷冻的添加剂。

有人估算，目前的臭氧层减少31%,臭氧减少10%,皮肤癌增加。

§1~4大气污染与气象的关系

大气污染可看作是污染源所排放出的污染物和对污染物起着扩散稀释作用的大气，以

及承受污染的物体三者相互关联所产生的一种效应。一个地区的大气污染情况是与该地区的

污染源所排放出的污染物总量有关的。这个总量是不因气象条件的影响而发生变化的。但是，

排放出的污染物的浓度在时空分布上却是受到气象条件的控制。由于气象条件的不同，污染

物作用于承受者的污染程度也就不一样。近几十年来，世界上发生了多次大气污染事件，每

次污染事件都是在一定地形和一定气象条件下发生的。我们为了更好地研究大气污染问题，

首先要对与气象学有关的一些基本概况作一简单介绍。

1.气象学的研究现状

2.影响大气污染的气象因子

在一个区域或一个城市里既使从污染源排向大气的污染物的量没有很大变化但对周围

环境造成的污染效应却会有很大的不同，有时会对人和动植物造成严重危害，有时却是很轻,

这主要是由于在不同的气象条件下大气具有不同的扩散稀释能力所造成的。影响大气扩散能

力的主要因素有两个：一为气象的动力因子，一为气象的热力因子。

（一）气象的动力因子：主要是指风和湍流，风和湍流对污染物在大气中的扩散和稀释起

着决定性的作用。

a）风：空气水平方问的流动叫风（提问）。

风在不同时刻有着相应的风向和风速，它不仅对污染物起着输送的作用，而且还起着扩

散和稀释的作用。

风的度量：风的大小叫风速，在单位时间内空气水平流动的距离；

风向：风向决定污染物迁移运动方向，风速决定污染物的扩散稀释。

b）湍流：除在水平方向运动外还会有上、下、左、右方向的乱动（有点像分子的热运

动），树叶的来回摆动就是湍流。

把湍流想象成是由许多湍涡形成的（它与分子运动极为相似，不同的是分子运动是以分

子为单位，湍涡运动速度比分子运动速度多得多。

PH5从烟囱或其它的污染源排放出的烟云受风的作用传送到下风向时，如果大气是做很规

则的运动，这里烟云几乎是一个粗细变化不大的一套烟管运动，污染物难以扩散，实际并不

是这样，烟云在卜风向飘移时除其本身的分子扩散外，逐受大气湍流的作用，进入大气的污

染物经过湍流混合作用之后，逐渐分散稀释。

（-）气象的热力因子：温度层结、绝热直减率、稳定度。

1.温度层结

a）何为温度层结：温度随高度的分布情况，它影响了大气中垂直方向的流动情况。

b）温度层结类型：

1）温度随高度的增加而降低，一般情况是这种规律；

2）温度随高度的升高而升高；

3）随高度的升高温度不变

气温随高度的变化常以气温垂直递减率Y表示，对于标准人气来说，整个对流层的气温

递减率平均值为0.65℃/100nu

c）温度变化的实质是内能的变化，在逆温条件下大气处于稳定状态，湍流被抑制，

污染物不易扩散

2.气温的干绝热直减率：气块在垂直运动方向上做绝热上升（或下降）每100米其温度降

低（或升高）1℃此数值被称为干绝热直减率。

根据热力学第一定律dQ=dU+dW

在绝热过程中系统的状态变化及向外作功靠统的内能，大气中垂直运动的空气块向外膨胀或

受到外界压力所引起的温度变化要比和外界交换热量所引起的温度变化大得多，根据理论和

实践证明，对一个干燥或未饱和的湿空气气团在大气中绝热上升每100米要降温0.98筋通

常近似取为1℃0

3.大气的稳定度

定义：表示空气是否安于原来的层次，是否易于发生垂直运动。

分类：3类

1）如果气块受力离开原来的位置仍加速前进，这时大气是不稳定的；

2）如果气块受力离开原来的位置气块逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，

这时大气是稳定的；

3）如果气块受力离开原来的位置就在那里，既不加速也不减速，这时人气是

中性的。

判别大气是否稳定取决于气温垂直直减率Y与干绝热直减率Ydo

Y—Yd>0,不稳定；Y—YK0,稳定；Y—Y产0,中性

五.大气污染的状况：

70年代大气污染逐步开始改善，60年代到70年代美国、日本污染相当严重，所以70

年代初到80年代日本大气治理比美国先进，现在美国已赶上日本，70年代开始出现光化学

烟雾（较普遍）。

国内现状：治理刚起步，对燃烧除烟尘基本上没有注意，大气污染较严重。

原因：1）向四化进军正处于建设初期，工业高速发展，大气污染相当严重；

2）能源结构不合理，以煤为主；

3）布局不合理（有些工厂明明知道处于上风口还要建），行政管理不合理。

六.大气污染防治途径

1.要搞好大气污染的防治，必须掌握大气环境污染的特征。

我国大气环境的特征：

1）普遍受到尘、SO?为主的烟煤型污染；

2）在大城市或特大城市要注意N0、的污染来源：主要是汽车；

3）酸雨；

4）局部地区的污染：如氧化物：包头、抚顺、昆明等；铅：沈阳、广州、长春、

上海等。

大气污染的特征：

1）污染物微量（百万分之一计算），浓度用ppm计算；

2）污染物量变化（风经常影响其浓度）：

3）污染物质变化（如NO、和有机物在光的作用下会产生。3、甲醛（PAN）3等。

2.大气污染防治技术看十一章Pl81-|RS

3.大气污染的控制途径

1）控制污染源，改革工艺，合理的工业布局

2）控制污染源之后的排放的污染物，应用各种各样的治理技术

3）走综合方治的途径

综合防治的含义：从全局出发，综合考虑生产生活等方面的诸因素，围绕经济社会发展FI标,

运用多科学、多途径、多种手段进行防治，达到经济效益和环境效益的统一。

综合防治的基本原则：

1）防与治相结合，以防为主。

2）【可收资源与净化处理相结合，以I可收资源为主

3）企业治理与区域治理相结合

4）人工净化与自然净化相结合

以北京为例介绍一下综合防治的实例：

北京有十亿辆汽车排放的各污染物量见下表:

NOx(mg/m')C0

地点

日平均标准超标最高一次超标

东单路口0.871级0.0517.1-5.H

倍

西单路口0.76二级0.113.2—5.1

倍

新街三级0.15686.8倍

汽车尾气空档加速定速减速

C0%4.91.81.73.4

HC(ppm)8005404805500

1973-1974年对北京几个交通路口的调查:

交通民警园林工人

肺结核8.9%—24.5%0

慢性鼻炎29.4%—51%15.4%—44.2%

咽炎13.9%—32.5%1.9%—22.5%

呼吸功能1.72.4

（最大呼吸中期流速1/s：

解决途径：1）从汽车工艺上和尾气净化来解决（NOx、CO、HC化合物）

我国汽车50%基本达到日本排放标准最严重的是北京2127厂处的汽车排

放的N”相当于1966年排放量。八十年代国外大量采用汽车净化器（催

化转化器）。

2）从城市道路现代化加强交通管理，发展高速公路立体交叉，自行车多影

响汽车的速度。

3）交通感到的两旁绿化、净化空气。

5）制定汽车生产和运行时的排放标准。

第二章燃烧与大气污染

重点：（二）燃烧计算

1.理论空气量

2.烟气量

3.污染物排放量

第二章燃烧与大气污染

烟尘、S02、NOx、等主要是因燃烧而引起的。本章主要介绍燃料燃烧过程中的基本原

理、污染物的生成机理以及如何控制燃烧过程，减少污染物的排放。

§1.燃料的性质

燃料指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。

燃料的分类：（1）常规燃料：如煤（coal）、patrolum、天然气等。

（2）非常规燃料

按其物理状态分为：（1）固体燃料：挥发分被蒸饱后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固定

炭以固态燃烧（扩散控制）。

（2）液体燃料；有蒸发过程控制（气态形式燃烧）。

（3）气态燃料：有扩散或混合控制。

燃料的性质影响大气污染物的排放。

一、燥：是一种复杂的物质聚集体。主要可燃成分是C、H及少量0八N”S等一•起构成的有

机聚合物。

煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。

1.分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。

&褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。呈黑

色、褐色、泥土色，象木材结构。

特点：①挥发分较高，析出温度低：②燃烧热值低，不能制炭。

干燥后：C含量60—75%,0?含量20—25%。

b.烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。

挥发分20—45%,C75—90%。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜

工业使用.

c.无烟煤：碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。

C含量＞93%,无机物量＜10%,着火难，不易自燃,成焦性差。

2.煤的组成

煤的组成测定方法分为工业分析；元素分析两大类。

a.工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。

3.元素分析：用化学法测定去除掉外部水分的主要组分。C、上、弗、S、。2等。煤中硫的

形态

r有机硫（CxHySl

煤中含硫Jf硫化物硫（FeS2）

无机硫〈无系硫（S

、

I硫酸盐硫（McSOi）

硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它能燃烧放出热量。

我们所说的污染物SOx只包括有机硫、硫化物，不包括MeSOi,而一般给我们的含硫量是指

总硫量。应注意。

a.硫化铁硫：是主要的含硫成分，主要代表黄铁矿硫。

黄铁矿：硬度6—6.5

比重4.7—5.2

本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微波能力较强，据此，可把其从煤中

脱除。

b.有机硫：以各种官能团形式存在。如嗨吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分选的

方法除去，需采用化学方法脱硫。

c.石油：石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动液体。比重0.78-1.00

主要含C、上、少量的S、N?、。2,此外，含有微量金属（钢、银）、珅、铅、氯等，lOppm

左右。

原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，其含硫量变化范围

较大，一般为0.1—7%。原油通过蒸储、裂化和重态过程生产出各种产品。原油中的S约有

80-90%留于重硫分中。所以复杂的环状结构存在，而需去除的仅是硫原子，故不能用物理

方法分离硫化物。采用高玉下的催化加氢破坏C—S—C键形成H2s气体，可达目的，但费用

很高。

三、天然气

一般组成CHB5%,乙烷10%,丙烷3%,此外还有压0、⑩、色、He、H2s等。

§2-2燃料燃烧过程

一、影响燃烧过程的主要因素

1.燃烧过程及燃烧产物

燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成

相应的氧化物。

多数化石燃料完全燃烧的产物是C02、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、co和其它

部分氧化产物等。

若燃料中含S、N会生成S0?和NOx,燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。

FuelNOx（燃料型NOx）一一燃料中的N）

NOx的生成量〈

ThermalNOx（热型NOx）——高温时空气中

2.燃料完全燃烧的条件

燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充

分混合。

（1）空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。

（2）温度条件：只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。

着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度。各种燃烧的着火温度

见表2-3oP348.

（3）时间条件：

燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素。

燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间。

（4）燃烧与空气的混合条件：

燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件。在大气污染物排放量最低条件

实现有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度、时间、湍流度。（三T）

3.发热量及热损失

①发热量

单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下

（常温298K,101325Pa）的热量变化值,称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg。（固体）KJ/m"气

体）。发热量有高位、低位之分。

高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Q.

低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量。Q.

Qi与Oh的换算见式2.2,2.3o

可用氧弹式最热计测定，也可用经验公式计算。经验公式见式2.4。

「根据煤的工

业分析数据计算。

煤的发热量，

〃注意：煤中H有两种形态①可燃氢（参

9艮据燃料的关加燃烧）、自由氢。②结合氢（与0J

系分析数据计算自由氢与C、S结合

需应用基来表明组成

注：干燥基（上标d）

可燃基（上标b）应用基（上标a）

气体燃料的发热量2.8,2.9。

②设省煤器、空气预热器可降温，供应防止温度过低而受酸蚀。一般工业锅炉160—

200℃；大中工业锅炉120—180℃。热损失。

排烟热损失：热损失为6—12%：

不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。

散热损失：由设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。

燃烧产生的污染物

硫的SOx：随温度变化不大，主要是煤中S。

粉尘：随温度的增高、不变、降低而变化。

C0及HC化合物烟：随温度的增高、不变、降低而变化。

NOx：随温度的增高、不变、降低而变化。

二、燃料燃烧的理论空气量

1.理论空气量（匕;）所需要的氧一般从空气中获得。

单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。

理论空气量（1）可由燃烧反应方程式获得

（2）经验公式（由热值）

固体燃料匕？=l.（）lx—里+0.5

4187

液体燃料吃？=0.85x-^-+2

4187

=0875xQ

FT<12561A1///M3呼4187

气体燃料

a>12561K//,H3o

V=LO7x--0.25

4187

天然气（式2.17）

建立燃烧化学方程式时，假定：

1)空气仅由Nz和组成,气体积比为79/21=3.76；

2)燃料中的固态氧可用于燃烧；

3)燃料中的硫被氧化成SQ；

4)计算理论空气量时忽略NOx的生成量；

5)燃料的化学时为CMSO，其中下标x、y、z、w分别代表C、H、S、0的原子

数。

完全燃烧的化学反应方程式:

C*〃+zxCO2+]〃2。++3.7dx+g+zT|电+Q

Q代表燃烧热

理论空气量：

呼=22.4x4.7qx+?+zgZ(12x+1.008y+322+16w')

106.6x+—+z--/(12x+1.008y+32z+16vv)

4

m31kg

「3.6%.0褐煤

一般煤的理论空气量呼=4~7加/依j7.5~8.5无烟煤

9~10烟煤

液体燃料(燃料油)的匕心=10~1毋/kg

厂煤炉：4.5~5.5厂干：8.84~9.01

煤气<液化气：2.97天然气［

匚高炉："0.7匚湿：11.T12.1

2.空气过剩系数a

世纪空气量匕与理论空气量匕°之比为空气过剩系数a

V

a=N通常a>l

匕？

3.空燃比(AF)

定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。

4.理论空气量的经验计算公式由元素分析可用2.11计算(理论，若知燃料的热值可用

2.13〜2.17计算)。

例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下(按质量)C：88.3%,H：9.5%,S：

1.6%,灰分：0.10机试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。

解：以1kg重油燃烧为基础,则：

重量(g)摩尔数(mol)需氧量(mol)

C88373.5873.58

H9547.523.75

S160.50.5

H20.50.02780

理论需氧量为：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油

假定空气中用与0?的摩尔比为3.76(体积比)

则，理论空气量为：97.83x(3.76+1)=465.67mol/kg重油

即465.67=10.43Nm7kg重油

1000

§2-3烟气体积及污染物排放量计算

烟气体积计算

1.理论烟气体积

在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积以V”表示，烟气

成分主要是CO2、so八电和水蒸气。

干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；

湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。

Vf『二V干烟'+V水墨z[

V网水蒸“二V燃”中发燃逐后的水准气+V怀料中断为+V理论%带入的

2.实际烟气体积V』Vfg=Vrs°+(a-l)Va°

3.烟气体积和密度的校正

燃烧产生的烟气其T、P总高「标态(273K.latm)故需换算成标态。

大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。

设观测状态下：(T,、巴下)烟气的体积为V”密度为P,。

标态下：(八、P,下)烟气的体积为V,，密度为PN。

标态下体积为：匕丫=%.生.企

PNTS

标态下密度为：上・支

PsTN

应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、lalm在作数据比较时应注意。

2.过剩空气较正

因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积

与过剩空气量之和。

用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO?、0?和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气

成分和空气过剩系数。

实际空气量一

空气过剩系数为理论空气量一m

过剩空气中〃的过剩系数

设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以形式存在，燃烧产物用下标P表示,

C+(l+nijC)2+(1+//i)3.672"">COop+O9p+N2P

91

假设空气只有0八用分别为21%、79%,则空气中总氧量为千N2P=0.266N2p

理论需氧量:0.266%—04

02P

所以4=1+

0.266/V2P一022

OP

若燃烧完全a=1+2

0.266N2P-O2p

若燃烧不完全产生co须校正，即从测得的过剩氧中减C0氧化为Cd所需的02

“二+0.266A^p-(02P-0.5COP)

各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。

3.标况下烟气量计算的经验式：P362.23~2.28。

二.污染物排放量的计算

例2对例1给定的重油，若燃料中硫会转化为SOx(其中SO?占97%),试计算空气过乘.系数

a=1.20时烟气中S02&S()3的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中C02的含量，以体积百

分比表示。

解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成(mol)为：

C02：73.58H20：47.5+0.0278

SOx：0.5Nx：97.83x3.76

理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.83x3.76)=489.45mol/kg重油

即489.45x—=10.96m3N/kg重油

1000

空气过剩系数a=l.2时，实际烟气量为：

10.96+10.43x(1.2—l)=13.O5/〃3N/必重油其中10.43为理论空气量，即IKg重油完

全燃烧所需理论空气量。

烟气中S&的体积为0.5x0.97x22.4/=0.0109rn3N/Kg

/1vuu

烟气中S03的体积为x0.03X22.4/=3.36x10-4w3N/Kg

/1uuu

所以，烟气中so、S（）3的浓度分别为:

0.01096

C50,=------xlO=835.25〃〃，〃

13.05

「3.36x10-4

=­-x1°=25.75〃〃'〃

IJ

当a=1.2时，干烟气量为；

924a

[489.45-(47.5+0.0278)]x二^+10.43x0.2=11.985//N/收

1000

CO?体积为：73.58、三=1.64&/7/检重油

1000

所以干烟气中C0?的含量以体积计为：

I64R

-^^-x10（）=13.75%

11.985

例3：已知某电厂烟气温度为473K,压力为96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m7min,含水汽6.25%

（体积），奥萨特仪分析结果是：C6占10.7%,02占8.2%,不含CO,污染物排放的质量流量

为22.7Kg/mino

（1）污染物排放的质量速率（以t/d表示）

（2）污染物在烟气中浓度

（3）烟气中空气过剩系数

校正至空气过剩系数a=1.8时污染物在烟气中的浓度。

解.：（1）污染物排放的质量流量为：

Kg60min..h

22.7■Xx24—x=32.7〃d

minhd1000卷

（2）测定条件下的干空气量为:

3

Qd=10400x（1-0.0625）=9750///min

测定状态下干烟气中污染物的浓度：

C=^-xl06=2328.2/7^//n3

9750

标态下的浓度：

=232&2x出包X—=421l.Omg/m3N

96.93273

Q2P8.2

（3）空气过剩系数:a=1+=1+=1.613

0.268N)p—Onp0.268x81.1-8.2

（4）校正至a=1.8条件下的浓度:

"=c实能

1.613

C校=4217.0x=3778.9/H.?//H3/V

1.8

§2-4燃烧过程SOx的形成及控制

一、燃料中硫的氧化机理

燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO,和S0.3,但so,的浓度相当低，既使

在贫燃料状态下，生成的S&,也只占S0?生成量的百分之几。在富燃料状态下，除so2

外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（S0）2,还有少量一氧化二硫so这

些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。

燃烧时S+O?tso?

2so2+6-2so3（此时并非含氧量越高，越完全，温度越高，SO2越稳定。）

故一般主要生成S02,计算时可忽略S03。

二、SOx的控制

初步估算：全球从燃烧系统排入大气的硫化物总量约93X10't/a,其中70%从燃用化石燃料

的发电厂排出。进入大气中SOx转化成MeSO,,硫酸烟雾等污染环境必须加以控制。控制的

办法有：低硫燃料、燃料脱硫、燃烧过程中脱硫或烟气脱硫等。

1.燃料脱硫

1）煤炭的固态加工

国外要求用于发电、冶金、动力的燥质标准是：

炼焦煤:硫分＜1%,灰分6~8版

动力煤:硫分0.51%,灰分15~20机

故原煤必经分选以除去煤中的矿物质。

目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低40、90釉勺S），此法对有机硫含量

较大或精炼还不能达到环保条例的要求。

正在研究的新脱琉法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱

硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等工业上应用的很少。

型煤固硫是控制$02的一芸经济有效途径。

美国型煤，（加石灰）固硫率达87乐烟尘减少2/3；

日本蒸汽机车用石灰固硫率达70~80%,脱硫费用仅为选煤的8%；

我国已投产的型煤工艺十大类，民用蜂窝煤固硫率＞50%,唐山、河北石家庄、承德、

北京矿冶研究生院、工业型煤。

2）煤炭的转化

煤炭的转化主要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清

洁的二次燃料。

a）煤的气化

煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯-托切克

气化；“第二代”液态排泄气化、Hygas气化、Cogas气化等未商业化；“第三代”处于实

验阶段的煤催化气化。

气化后的叫煤气：煤气主要是出、CO、C乩等煤中硫的H2s形式存在，我国规定标准20mg/m3,

生产出煤气中ILS含量几百到几千mg/m:,o

需去除：方法有干法、湿式法。

干法的氧化铁系为代表。

b）煤的液化「直接液化SRC-II法

煤的液化分两类《

I间接液化鲁奈气化-弗托合成法

煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD,要求大规模水处理设施。

（3）重油脱硫

重油脱硫常用的方法：在铝、钻和银等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应，加

断碳与硫的化合键，以氢置换出碳，同时氢与硫作用形成H?S,从重油中分离出来。

重油脱硫的困难；要彻底加工燃料，破坏了原来的组织，并产生新的产物：固、液、气态物。

2.硫化床燃烧脱硫

硫化床燃烧脱硫具有炉内脱销脱硫的优点，故普遍受到重视。

原理：硫化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原气氛，热型Nox基本上不产

生，因而Nox的气成量减少，原理见Pas图2-6。

硫化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云工。石灰石粉碎至与煤同样的粒度

（dp2mm左右）与煤同时加入炉内。在1073—1173K下燃烧:

石灰石艾刿f+QO+SO2f硫酸盐（CaO为多孔）

达固硫目的。

影响脱硫效率的因素有：沸腾床温度、流化速度、脱硫剂川量等。脱硫剂用量以Ca/S

比表示。

B工/。空尔比）-脱硫剂消耗量xQ的含量MO」

"公弹燃料消耗量xS的含量/32

脱硫率与B和硫化速度的关系：

当硫化速率一定M，n随Ca/S的增大而增大；

当Ca/S比一定时，n随硫化速度的增加而降低。

氧化钙再生:

氧化钙与SO,生成的CaSOi在1320K时还原气氛下分解，重新释放出S02,反应式为：

C（）SO4+jc-o+SC）2+~co2

（CaO返回硫化床在利用，S&的浓度一般为6—7%可制H2sol

再生床面积约为吸收床的1/10。目前流化床燃烧脱硫技术只适用于中小容量的工、业锅炉和

炉窑烟气脱硫的后章节介绍。

§2-5NOx的形成及控制（燃烧中）

大气中的N0x90%以上产生于燃烧过程，主要是NO、NO?,在此不详细介绍。

另外燃烧过程除上述污染物外，还有颗粒物、有机物、C0的形成。在此仅介绍一卜C0

的形成及控制。

§2-6NOx的形成及控制

co是所有大气污染物中量最大，分布最广的一种。它的危害很大，对人体健康有害，甚至

能致死。