第3講 第二章-燃燒與大氣污染

能源與環(huán)境學院環(huán)境系第二章燃燒與大氣污染2023/1/16-1-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能源與環(huán)境學院環(huán)境系第五節(jié)燃燒過程中顆粒物的形成1.碳粒子的生成

由氣相反應生成積炭，由液態(tài)烴燃料高溫分解產(chǎn)生的那些粒子都是結焦或煤胞。

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；核表面上發(fā)生非均質反應；較為緩慢的聚團和凝聚過程。燃料的分子結構是影響積炭的主導因素積炭的生成與火焰的結構有關提高氧氣量可以防止積炭生成壓力越低則積炭的生成趨勢越小止於至善2023/1/16-2-能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.碳粒子的生成火焰的結構Premixedflame:gasfuelandairaremixedbeforecombustion（bursenburner,meekerburner)Diffusionflame:fuelandairseparatelyenterthecombustionzone,andmixbeforethereaction(inmostpracticalsystem),different

(0-)oversites.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：積炭由大量粗糙的球形粒子組成，很像項鏈上的珍珠，其粒子直徑在100～2000

范圍。

止於至善2023/1/16-3-能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.碳粒子的生成火焰的結構（續(xù)）Laminarflame:Re<2200,dominatedbymoleculardiffusionandconductionturbulentflame:Re>2200,significantturbulence,butmoleculardiffusionstillinplayLaminar transition developedturbulent heightJetvelocity止於至善2023/1/16-4-能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反應過程（續(xù)）止於至善2023/1/16-5-能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.碳粒子的生成燃料的分子結構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。在所有火焰中，壓力越低則積炭生成的趨勢越小。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，可在工業(yè)汽油中加入鋇鹽作為積炭的一種抑制劑。

止於至善2023/1/16-6-能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.碳粒子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)生液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)結焦。（石油焦）多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞（一種焦粒），難以燃燒。煤胞：外形為微小空心的球形粒子，10～300微米。焦粒生成反應的順序：烷烴烯烴帶支鏈芳烴凝聚環(huán)系瀝青半圓體瀝青瀝青焦焦炭止於至善2023/1/16-7-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒，黑煙中含有芘、蒽、苯并芘等。飛灰：不可燃礦物質微粒，飛灰中含有煤粉燃燒過程碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴散離開表面并與O2反應灰層碳層

外擴散止於至善2023/1/16-8-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成燃燒碳層中成分和溫度分析止於至善2023/1/16-9-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成煤粉燃燒過程理論上碳與氧的摩爾比接近于1.0時最易形成黑煙在預混火焰中，C/O大約為0.5時最易形成黑煙不同燃料黑煙增加的順序為：無煙煤焦炭褐煤低揮發(fā)分煙煤高揮發(fā)分煙煤碳粒子燃燼的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃度等有關止於至善2023/1/16-10-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成黑煙形成的化學過程脂肪族的止於至善2023/1/16-11-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成高灰分燃料的擴散燃燒止於至善2023/1/16-12-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素止於至善2023/1/16-13-能源與環(huán)境學院環(huán)境系利用聲學及其他的原理，使得顆粒團聚利用熱解析作用分離揮發(fā)性和非揮發(fā)性的氣溶膠熔融灰的分離煙氣中使之吸附和凝結蒸汽態(tài)細粒子飛灰的形成過程止於至善2023/1/16-14-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素煤質：一般灰分越高，含水量越少，則排塵濃度就越高。

燃燒方式煙氣流速爐排和爐膛的熱負荷鍋爐運行負荷鍋爐結構止於至善2023/1/16-15-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素——煤質止於至善2023/1/16-16-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響止於至善2023/1/16-17-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素——燃燒方式止於至善2023/1/16-18-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成幾種燃燒方式的煙塵百分比止於至善2023/1/16-19-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況止於至善2023/1/16-20-能源與環(huán)境學院環(huán)境系爐排熱負荷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，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比增加，灰分被氣流夾帶而飛逸的可能性就越大。爐膛熱負荷是每立方米爐膛容積內每小時燃料燃燒所釋放出的熱量。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，提高鍋爐的消煙效果。

爐排熱負荷和爐膛熱負荷止於至善2023/1/16-21-2.燃煤煙塵的形成能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.燃煤煙塵的形成影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素——熱負荷止於至善2023/1/16-22-能源與環(huán)境學院環(huán)境系我國城市空氣的PM2.5大大超過環(huán)境標準PM2.5年平均濃度

g/m3清華大學環(huán)境系1999年測定我國PM10環(huán)境標準美國PM2.5環(huán)境標準2023/1/16-23-能源與環(huán)境學院環(huán)境系第六節(jié)燃燒過程中其他污染物的形成1.有機污染物的形成

形成歷程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C6－C2型芳香族化合物C6－C2基逐步合成為多環(huán)有機物止於至善2023/1/16-24-能源與環(huán)境學院環(huán)境系1.有機污染物的形成比較活潑的碳氫化合物可能是產(chǎn)生光化學煙霧的直接原因碳氫化合物的產(chǎn)生量與燃料組成密切相關燃料中高分子碳氫化合物濃度與多核有機化合物(POM)排放水平具有相關性燃料與空氣的充分混合可降低有機物的含量，但不利于NOx的控制同時減少CH和NOx的排放需要仔細控制混合的型式、溫度水平和整個系統(tǒng)的停留時間止於至善2023/1/16-25-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.CO的形成CO是主要大氣污染物之一；CO的全球排放量為200×106t/a；燃料中的碳都先形成CO，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，可以降低CO含量；CO的形成和破壞都由動力學控制，反應路線：

RHRRCHORCOCO止於至善2023/1/16-26-能源與環(huán)境學院環(huán)境系2.CO的形成止於至善2023/1/16-27-CH4的燃燒能源與環(huán)境學院環(huán)境系3.Hg的形成與排放汞的揮發(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。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)。孕婦、胎兒、嬰兒最易受到傷害。止於至善2023/1/16-28-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，首先直接從煤炭顆粒揮發(fā)，繼而參與氣相反應，通過成核過程形成新的粒子，或者凝結在已存在的顆粒表面。

能源與環(huán)境學院環(huán)境系3.Hg的形成與排放煙氣中Hg的形態(tài)：與顆粒物結合的汞(HgP)、單質汞（Hg0）和二價的氣態(tài)汞（Hg2+）

煤炭燃燒是Hg的一大來源煤中Hg的析出率與燃燒條件有關燃燒溫度>900oC時，析出率>90％還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛Hg排放控制是燃煤污染控制的新課題之一止於至善2023/1/16-31-對燃煤循環(huán)流化床鍋爐的汞平衡計算結果表明，不加石灰石的工況下，煙氣中汞排放為0.17

在添加石灰石的工況(Ca／S＝2.2)下，煙氣中汞的濃度為0.018—0.044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-33-據(jù)調查，美國煤炭中平均汞含量范圍為0.06-0.33mg／kg。1994～1995年間，僅電站鍋爐向大氣排放的汞達51t/a，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。2003年，中國人為源大氣汞排放為696t，約占全球排放的1/3，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41%和40%。。

3.Hg的形成與排放能源與環(huán)境學院環(huán)境系4.NOx的形成(P.380-389)NOx的形成機理止於至善2023/1/16-34-燃料型NOx熱力型NOx瞬時型NOx

燃料中的固定氮生成的NO

高溫下N2與O2反應生成的NOx

低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx能源與環(huán)境學院環(huán)境系4.NOx的形成熱力型NOx的形成產(chǎn)生NO和NO2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平衡時NO濃度隨溫度升高迅速增加止於至善2023/1/16-35-能源與環(huán)境學院環(huán)境系平衡常數(shù)和平衡濃度止於至善2023/1/16-36-熱力型NOx的形成能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型NOx的形成平衡常數(shù)和平衡濃度止於至善2023/1/16-37-能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型NOx的形成上述數(shù)據(jù)說明：室溫條件下，幾乎沒有NO和NO2生成，并且所有的NO都轉化為NO2800K左右，NO與NO2生成量仍然很小，但NO生成量已經(jīng)超過NO2常規(guī)燃燒溫度（>1500K)下，有可觀的NO生成，但NO量仍然很小止於至善2023/1/16-38-能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型NOx的形成煙氣冷卻過程中，根據(jù)熱力學計算，NOx應主要以NO2的形式存在，但實際90％～95％的NOx以NO的形式存在，主要原因在于動力學控制NO/NOxRatioboiler vehiclesnaturegas 0.9-1.0 internalcomb.engine 0.99-1.0coal 0.95-1.0 6#fueloil 0.96-1.0 dieselengine 0.77-1.0止於至善2023/1/16-39-能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型NOx的形成熱力型NOx形成的動力學——Zeldovich模型NO生成的總速率止於至善2023/1/16-40-能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型NOx的形成假定N原子的濃度保持不變得到代入6式得止於至善2023/1/16-41-能源與環(huán)境學院環(huán)境系熱力型NOx的形成假定O原子的濃度保持不變