第3講 第二章_燃燒與大氣污染

1、能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系第二章第二章 燃燒與大氣污染燃燒與大氣污染2022/3/7-1-止於至善止於至善煙氣體積計算燃燒過程中硫氧化物的形成顆粒污染物的形成其他污染物的形成燃料燃燒的過程燃料的性質(zhì)能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系第五節(jié)第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成燃燒過程中顆粒物的形成1.1.碳粒子的生成碳粒子的生成 由氣相反應生成由氣相反應生成積炭積炭，由液態(tài)烴燃料高溫分解產(chǎn)生，由液態(tài)烴燃料高溫分解產(chǎn)生的那些粒子都是的那些粒子都是結(jié)焦或煤胞結(jié)焦或煤胞。 積炭的生成積炭的生成核化過程：氣相脫氫反應并產(chǎn)生凝聚相固體碳；核化過程：氣相脫氫反應并產(chǎn)生凝聚相固體碳；核表面上發(fā)生

2、非均質(zhì)反應；核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應；較為緩慢的聚團和凝聚過程。較為緩慢的聚團和凝聚過程。n燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導因素燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導因素n積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)n提高氧氣量可以防止積炭生成提高氧氣量可以防止積炭生成1.壓力越低則積炭的生成趨勢越小壓力越低則積炭的生成趨勢越小止於至善止於至善2022/3/7-2-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系1. 碳粒子的生成碳粒子的生成l火焰的結(jié)構(gòu)火焰的結(jié)構(gòu) Premixed flame: gas fuel and air are mixed before combustion（bursen bur

3、ner, meeker burner) Diffusion flame: fuel and air separately enter the combustion zone, and mix before the reaction (in most practical system),different (0-) over sites. 擴散火焰總是比預混火焰產(chǎn)生的炭粒多。擴散火焰總是比預混火焰產(chǎn)生的炭粒多。 用電子顯微鏡觀測表明用電子顯微鏡觀測表明：積炭由大量粗糙的球形粒子組成，：積炭由大量粗糙的球形粒子組成，很像項鏈上的珍珠很像項鏈上的珍珠，其粒子直徑在，其粒子直徑在1002000 范圍。

4、范圍。 0A止於至善止於至善2022/3/7-3-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系1. 碳粒子的生成碳粒子的生成火焰的結(jié)構(gòu)（續(xù)）火焰的結(jié)構(gòu)（續(xù)）lLaminar flame: Re2200, significant turbulence, but molecular diffusion still in playLaminartransitiondeveloped turbulentheightJet velocity止於至善止於至善2022/3/7-4-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系1. 碳粒子的生成碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反應過程（續(xù)）乙炔火焰中生碳反應過程（續(xù)）止於至

5、善止於至善2022/3/7-5-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系1. 碳粒子的生成碳粒子的生成燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導因素在擴散火焰中，碳的生成按下列順序：萘苯炔雙烯單烯烷或按更一般的次序：芳香烴炔烴烯烴烷烴在預混火焰中，順序為：萘苯醇烷烯醛炔如果讓碳氫化合物燃料與足量的氧化合，能夠防止積炭生成。如果讓碳氫化合物燃料與足量的氧化合，能夠防止積炭生成。在所有火焰中，壓力越低則積炭生成的趨勢越小。在所有火焰中，壓力越低則積炭生成的趨勢越小。三氧化硫、三氧化硫、氣態(tài)氫、鎳和堿土金屬鹽都能抑制碳的生成，在實用上，可氣態(tài)氫、鎳和堿土金屬鹽都能抑制碳的生成，在實用上，可在工業(yè)汽油中加入在工業(yè)

6、汽油中加入鋇鹽鋇鹽作為積炭的一種抑制劑。作為積炭的一種抑制劑。 止於至善止於至善2022/3/7-6-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系1. 碳粒子的生成碳粒子的生成 石油焦和煤胞的生成石油焦和煤胞的生成燃料油滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發(fā)生燃料油滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發(fā)生液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)結(jié)焦結(jié)焦。（石油焦）（石油焦）多組分重殘油的燃燒后期會生成多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞煤胞（一種（一種焦粒焦粒），），難以燃燒。難以燃燒。煤胞：煤胞：外形為微小空心的球形粒子，外形為微小空心的球形粒子，10300微米。微米。焦粒生成反應的順序：烷

7、烴焦粒生成反應的順序：烷烴 烯烴烯烴 帶支鏈芳烴帶支鏈芳烴 凝聚凝聚環(huán)系環(huán)系 瀝青瀝青 半圓體瀝青半圓體瀝青 瀝青焦瀝青焦 焦炭焦炭 止於至善止於至善2022/3/7-7-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 煙塵：煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：黑煙黑煙：未燃盡的碳粒，：未燃盡的碳粒，黑煙中含有芘、蒽、苯并黑煙中含有芘、蒽、苯并芘等芘等 。飛灰飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒，：不可燃礦物質(zhì)微粒，飛灰中含有飛灰中含有 煤粉燃燒過程煤粉燃燒過程u碳表面的燃燒產(chǎn)物為碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO， 它擴散離開表面并與它擴散離開表面并與O2

8、反應反應灰層灰層碳層碳層 外擴散外擴散,Hg As Se Pb Cu Zn Cl Br S止於至善止於至善2022/3/7-8-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 燃燒碳層中成分和溫度分析燃燒碳層中成分和溫度分析止於至善止於至善2022/3/7-9-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 煤粉燃燒過程煤粉燃燒過程u理論上碳與氧的摩爾比接近于理論上碳與氧的摩爾比接近于1.0時最易形成時最易形成黑煙黑煙u在在預混火焰中預混火焰中，C/O大約為大約為0.5時最易形成黑煙時最易形成黑煙u不同燃料黑煙增加的順序為：無煙煤不同燃料

9、黑煙增加的順序為：無煙煤 焦炭焦炭 褐煤褐煤 低揮發(fā)分煙煤低揮發(fā)分煙煤 高揮發(fā)分煙煤高揮發(fā)分煙煤u碳粒子燃燼的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、碳粒子燃燼的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃度等有關(guān)氧氣濃度等有關(guān)snmCmHnCOOHC)2(2222止於至善止於至善2022/3/7-10-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 黑煙形成的化學過程黑煙形成的化學過程脂肪族的脂肪族的止於至善止於至善2022/3/7-11-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 高灰分燃料的擴散燃燒高灰分燃料的擴散燃燒止於至善止於至善2022

10、/3/7-12-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 灰分中含有灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素等污染元素止於至善止於至善2022/3/7-13-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系飛飛灰灰的的形形成成過過程程止於至善止於至善2022/3/7-14-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素F煤質(zhì)：煤質(zhì)：一般灰分越高，含水量越少，則排塵濃度就一般灰分越高，含水量越少，則排塵濃度就越高。越高。 F燃燒方式燃燒方式 F煙氣流速煙氣流速F爐

11、排和爐膛的熱負荷爐排和爐膛的熱負荷F鍋爐運行負荷鍋爐運行負荷F鍋爐結(jié)構(gòu)鍋爐結(jié)構(gòu)止於至善止於至善2022/3/7-15-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素煤質(zhì)煤質(zhì)止於至善止於至善2022/3/7-16-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 燃煤燃煤顆粒顆粒大小大小對飛對飛灰含灰含量的量的影響影響止於至善止於至善2022/3/7-17-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響煙煤煙氣中

12、飛灰排放特征的因素燃燒方式燃燒方式止於至善止於至善2022/3/7-18-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 幾種燃燒方式的煙塵百分比幾種燃燒方式的煙塵百分比止於至善止於至善2022/3/7-19-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況止於至善止於至善2022/3/7-20-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系爐排熱負荷爐排熱負荷是指每平方米爐排面積上每小時燃料燃燒是指每平方米爐排面積上每小時燃料燃燒所釋放出來的熱量。爐排熱負荷增加，所釋放出來的熱量。爐排熱負荷

13、增加，導致單位爐排導致單位爐排面積上燃煤量增大，則流過爐排的氣流速度也將成正面積上燃煤量增大，則流過爐排的氣流速度也將成正比增加，比增加，灰分被氣流夾帶而飛逸的可能性就越大?；曳直粴饬鲓A帶而飛逸的可能性就越大。爐膛熱負荷爐膛熱負荷是每立方米爐膛容積內(nèi)每小時燃料燃燒所是每立方米爐膛容積內(nèi)每小時燃料燃燒所釋放出的熱量。釋放出的熱量。爐膛必須保持足夠的燃燒空間，以使爐膛必須保持足夠的燃燒空間，以使燃燒過程逸出的可燃氣體有充分的時間進行燃燒，提燃燒過程逸出的可燃氣體有充分的時間進行燃燒，提高鍋爐的消煙效果。高鍋爐的消煙效果。 爐排熱負荷和爐膛熱負荷爐排熱負荷和爐膛熱負荷止於至善止於至善2022/3/7

14、-21-2. 2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素熱負荷熱負荷止於至善止於至善2022/3/7-22-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系PM2.5年平均濃度年平均濃度 g/m3清華大學環(huán)境系清華大學環(huán)境系19991999年測定年測定2022/3/7-23-020406080100120140160北京清華園北京清華園北京車公莊北京車公莊上海同濟上海同濟上海海南路上海海南路能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系第六節(jié)第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形燃燒

15、過程中其他污染物的形成成1.1.有機污染物的形成有機污染物的形成 形成歷程形成歷程 鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔 延長乙炔的鏈形成各種不飽和基延長乙炔的鏈形成各種不飽和基 不飽和基進一步脫氫形成聚乙炔不飽和基進一步脫氫形成聚乙炔 不飽和基通過環(huán)化反應形成不飽和基通過環(huán)化反應形成C6C2型芳香族型芳香族化合物化合物 C6C2基逐步合成為多環(huán)有機物基逐步合成為多環(huán)有機物止於至善止於至善2022/3/7-24-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.1.有機污染物的形成有機污染物的形成 比較活潑的碳氫化合物可能是產(chǎn)生比較活潑的碳氫化合物可能是產(chǎn)生光化學光化學煙霧煙

16、霧的直接原因的直接原因 碳氫化合物的產(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān)碳氫化合物的產(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān) 燃料中燃料中高分子碳氫化合物濃度高分子碳氫化合物濃度與與多核有機多核有機化合物化合物(POM)(POM)排放水平排放水平具有具有相關(guān)性相關(guān)性 燃料與空氣的充分混合可降低有機物的含燃料與空氣的充分混合可降低有機物的含量，但不利于量，但不利于NOx的控制的控制 同時減少同時減少CH和和NOx的排放需要仔細控制的排放需要仔細控制混合的型式、溫度水平和整個系統(tǒng)的停留混合的型式、溫度水平和整個系統(tǒng)的停留時間時間止於至善止於至善2022/3/7-25-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系2. CO的形成的

17、形成 CO是主要大氣污染物之一；是主要大氣污染物之一； CO的全球排放量為的全球排放量為200106 t/a； 燃料中的碳都先形成燃料中的碳都先形成CO，然后進一步氧化：，然后進一步氧化： 在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以降低降低CO含量；含量； CO的形成和破壞都由動力學控制，反應路線：的形成和破壞都由動力學控制，反應路線： RH R RCHO RCO COOHCOHCO 2止於至善止於至善2022/3/7-26-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系 2. CO的形成的形成止於至善止於至善2022/3/7-27-CH4的燃燒的燃

18、燒能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系3. Hg的形成與排放的形成與排放汞汞的揮發(fā)性很強，對人體健康的危害包括腎功能衰的揮發(fā)性很強，對人體健康的危害包括腎功能衰減，損害神經(jīng)系統(tǒng)等。減，損害神經(jīng)系統(tǒng)等。進入水體的汞經(jīng)甲基化后，易累積在魚類和以食魚進入水體的汞經(jīng)甲基化后，易累積在魚類和以食魚動物為主的食物鏈中，然后進入人的消化系統(tǒng)。孕動物為主的食物鏈中，然后進入人的消化系統(tǒng)。孕婦、胎兒、嬰兒最易受到傷害。婦、胎兒、嬰兒最易受到傷害。止於至善止於至善2022/3/7-28- 黃鐵礦是煤中最普遍的汞載體。 因為汞具有揮發(fā)性金屬的性質(zhì)，首先直因為汞具有揮發(fā)性金屬的性質(zhì)，首先直接從煤炭顆粒揮發(fā)，繼而參

19、與氣相反應接從煤炭顆粒揮發(fā)，繼而參與氣相反應，通過成核過程形成新的粒子，或者凝，通過成核過程形成新的粒子，或者凝結(jié)在已存在的顆粒表面。結(jié)在已存在的顆粒表面。 能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系 3. Hg的形成與排放的形成與排放 煙氣中煙氣中Hg的形態(tài)：與顆粒物結(jié)合的汞的形態(tài)：與顆粒物結(jié)合的汞(HgP)、單質(zhì)汞（、單質(zhì)汞（Hg0）和二價的氣態(tài)汞（）和二價的氣態(tài)汞（Hg2+） u煤炭燃燒是煤炭燃燒是Hg的一大來源的一大來源u煤中煤中Hg的析出率與燃燒條件有關(guān)的析出率與燃燒條件有關(guān)u燃燒溫度燃燒溫度900oC時，析出率時，析出率90u還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛還原性氣氛的析出率低于氧化

20、性氣氛uHg排放控制是燃煤污染控制的新課題之一排放控制是燃煤污染控制的新課題之一止於至善止於至善2022/3/7-31-3/Nmg m3/Nmg m對燃煤循環(huán)流化床鍋爐的汞平衡計算結(jié)果表明，不加石灰石對燃煤循環(huán)流化床鍋爐的汞平衡計算結(jié)果表明，不加石灰石的工況下，煙氣中汞排放為的工況下，煙氣中汞排放為0.17 在添加石灰石的工況在添加石灰石的工況(CaS2.2)下，煙氣中汞的濃度為下，煙氣中汞的濃度為0.0180.044 當添加石灰石時，在飛灰和灰渣中的汞的比例明顯增加。當添加石灰石時，在飛灰和灰渣中的汞的比例明顯增加。 能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系-33-據(jù)調(diào)查，美國煤炭中平均汞含

21、量范圍為據(jù)調(diào)查，美國煤炭中平均汞含量范圍為0.06-0.33 mgkg。19941995年間，僅電站鍋爐向年間，僅電站鍋爐向大氣排放的汞達大氣排放的汞達51t/a，占各行業(yè)汞排放量的，占各行業(yè)汞排放量的32.6，排在第一位，成為最大的人為汞來源。排在第一位，成為最大的人為汞來源。2003年，中國人為源大氣汞排放為年，中國人為源大氣汞排放為696t，約占，約占全球排放的全球排放的1/3，煤炭燃燒和有色金屬冶煉是最，煤炭燃燒和有色金屬冶煉是最主要的人為汞排放源，分別占主要的人為汞排放源，分別占41%和和40%。 。 3. Hg的形成與排放的形成與排放能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系4. N

22、Ox的形成的形成 (P.380-389)nNOx的形成機理的形成機理止於至善止於至善2022/3/7-34-燃料型燃料型NOx熱力型熱力型NOx瞬時型瞬時型NOx 燃料中的燃料中的固定氮生固定氮生成的成的NO 高溫下高溫下N2與與O2反應生成的反應生成的NOx 低溫火焰下由于低溫火焰下由于含碳自由基的存含碳自由基的存在生成的在生成的NOx能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系4. NOx的形成的形成 熱力型熱力型NOx的形成的形成產(chǎn)生產(chǎn)生NO和和NO2的兩個重要反應的兩個重要反應上述反應的化學平衡受溫度和反應物化學組成的影響上述反應的化學平衡受溫度和反應物化學組成的影響平衡時平衡時NO濃度隨

23、溫度升高迅速增加濃度隨溫度升高迅速增加22222 11 22NONONOONO 止於至善止於至善2022/3/7-35-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系 平衡常數(shù)和平衡常數(shù)和平衡濃度平衡濃度止於至善止於至善2022/3/7-36-熱力型熱力型NOx的形成的形成能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型熱力型NOx的形成的形成 平衡常數(shù)和平衡濃度平衡常數(shù)和平衡濃度止於至善止於至善2022/3/7-37-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型熱力型NOx的形成的形成上述數(shù)據(jù)說明：上述數(shù)據(jù)說明： 室溫條件下，幾乎沒有室溫條件下，幾乎沒有NO和和NO2生成，并且所有生成，并且所有的

24、的NO都轉(zhuǎn)化為都轉(zhuǎn)化為NO2 800K左右，左右，NO與與NO2生成量仍然很小，但生成量仍然很小，但NO生生成量已經(jīng)超過成量已經(jīng)超過NO2 常規(guī)燃燒溫度（常規(guī)燃燒溫度（1500K)下，有可觀的下，有可觀的NO生成，生成，但但NO量仍然很小量仍然很小止於至善止於至善2022/3/7-38-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型熱力型NOx的形成的形成 煙氣冷卻過程煙氣冷卻過程中，根據(jù)熱力學計算，中，根據(jù)熱力學計算，NOx應主要以應主要以NO2的形式存在，但實際的形式存在，但實際9095的的NOx以以NO的的形式存在，主要原因在于動力學控制形式存在，主要原因在于動力學控制lNO/NOx R

25、atio boilervehicles nature gas0.9-1.0 internal comb. engine 0.99-1.0 coal0.95-1.0 6# fuel oil0.96-1.0 diesel engine0.77-1.0止於至善止於至善2022/3/7-39-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型熱力型NOx的形成的形成 熱力型熱力型NOx形成的動力學形成的動力學Zeldovich模型模型 NO生成的總速率生成的總速率121222 4 5NONONNONOO22 3OMOM424525 6d NOk O NkNNOk N OkO NOdt止於至善止於至善202

26、2/3/7-40-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型熱力型NOx的形成的形成 假定假定N原子的濃度保持不變原子的濃度保持不變l得到得到l代入代入6式得式得424552 0d Nk O NkNNOkO NOk N Odt425452 k O NkO NONOkNOk O穩(wěn)態(tài)2424552452242,22452( /)2 1 (/)2 1 /() =1 (/)p NOk Nk kNOk Od NOOdtkNOk Ok O NNOKNOkNOk O止於至善止於至善2022/3/7-41-能源與環(huán)境學院環(huán)境系能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型熱力型NOx的形成的形成 假定假定O原子的濃度保持不變原子的濃度保持不變 平衡濃度平衡濃度 最終得最終得1/22,1/2 ()ep NOeOKORT21/ 24,21/ 21