第2章燃燒與大氣污染

第二章燃燒與大氣污染1.大氣污染的定義如果大氣中的物質(zhì)達(dá)到一定濃度，并持續(xù)足夠的時(shí)間，以致對(duì)公眾健康、動(dòng)物、植物、材料、大氣特性或環(huán)境美學(xué)產(chǎn)生可測(cè)量的不利影響，就是大氣污染。固定源：燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)移動(dòng)源：交通運(yùn)輸工具（機(jī)動(dòng)車(chē)、火車(chē)、輪船、飛行器等）自然污染源：由于火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、生物腐爛等非人力所能控制的自然現(xiàn)象形成的污染源。人為污染源：由于人類(lèi)生產(chǎn)、生活活動(dòng)形成的污染源。定義來(lái)源分類(lèi)主要的大氣污染物，如NOx、SOx、CO及HC化合物等，源于燃料燃燒。為了減少污染物的排放，必須了解燃燒過(guò)程的基本原理、污染物的生成機(jī)理，從而有效地控制燃燒過(guò)程。2.燃料的分類(lèi)按來(lái)源分按物態(tài)分天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁(yè)巖木炭、焦炭、煤粉等液體燃料石油汽油、煤油、柴油、重油氣體燃料天然氣、煤層氣高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣3.燃料組成及對(duì)燃燒的影響：固體燃料碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒，放熱7850kcal，當(dāng)不完全燃燒生成CO時(shí)，放熱2214kcal。純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰短。煤中的碳不是單質(zhì)狀態(tài)存在，而是與氫、氮、硫等組成有機(jī)聚合物。煤形成的地質(zhì)年代越長(zhǎng)，其揮發(fā)性成分含量越少，而含碳量則相對(duì)增加。例如，無(wú)煙煤含碳量約90-98%，煙煤的含碳量約75-95%，褐煤的結(jié)構(gòu)類(lèi)似木材，熱值較低。3.燃料組成及對(duì)燃燒的影響：固體燃料氫：燃料中發(fā)熱量最高的元素，固體燃料中含氫2-10%，以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖冢?kg氫完全燃燒時(shí)放熱28780kcal。氧：與碳、氫結(jié)合以有機(jī)化合物存在，降低了燃料的發(fā)熱量。氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5-1.5%。硫以三種形態(tài)存在：有機(jī)硫、硫化鐵硫（揮發(fā)硫）和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱(chēng)之為揮發(fā)硫。硫燃燒生成產(chǎn)物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。有機(jī)硫：以各種官能團(tuán)形式存在，如噻吩、芳香基硫化物、環(huán)硫化物、脂肪族硫化物及硫醇等，需要采用化學(xué)方法進(jìn)行脫硫。硫化鐵硫：煤中主要的含硫成分，呈獨(dú)立相彌散分布，本身無(wú)磁性，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕ㄟx煤）。硫酸鹽硫：以鈣、鐵、錳的硫酸鹽形式存在，以石膏為主。低硫煤主要為有機(jī)硫，高硫煤主要為無(wú)機(jī)硫。3.燃料組成及對(duì)燃燒的影響：固體燃料水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對(duì)地減少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內(nèi)部水分）組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內(nèi)部水分要放在干燥箱中加熱到102-105

C，保持2h后才能除掉?；曳郑菏侨剂现胁豢扇嫉V物質(zhì)，為燃料中有害成分。3.燃料組成及對(duì)燃燒的影響：固體燃料3.燃料組成及對(duì)燃燒的影響液體燃料石油液體燃料的主要來(lái)源鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧氫含量增加時(shí)，比重減少，放熱量增加氣體燃料天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％3.燃料組成的表示方法:CxHySzOwNvSample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/molC77.2(

12=)6.43(

6.43=)1.00H5.20(

1=)5.20(

6.43=)0.808N1.20(

14=)0.0857(

6.43=)0.013S2.60(

32=)0.0812(

6.43=)0.013O5.90(

16=)0.369(

6.43=)0.057Thenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

4.燃料燃燒過(guò)程－－燃燒反應(yīng)燃燒（Combustion）：是可燃物與氧化劑作用發(fā)生的放熱反應(yīng)，通常伴有火焰、發(fā)光和（或）發(fā)煙的現(xiàn)象。煤、石油、天然氣的燃燒是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)的主要熱能、動(dòng)力的來(lái)源；航天技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)；防火：以消滅燃燒為目的；燃燒學(xué)或燃燒理論是流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)的結(jié)合。4.燃料燃燒過(guò)程－－燃燒產(chǎn)物燃燒過(guò)程是可燃化合物的快速氧化，伴隨光和熱的能量釋放。完全燃燒產(chǎn)物：CO2、H2O不完全燃燒產(chǎn)物：CO2、H2O及CO、黑煙等部分氧化產(chǎn)物如果燃料中含有S和N，則會(huì)生成SO2和NO空氣中的部分N被氧化成NO－熱力型NOx4.燃料燃燒過(guò)程—燃料完全燃燒的條件空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過(guò)大，會(huì)降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達(dá)到燃料的著火溫度時(shí)間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需時(shí)間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合(湍流度)燃料燃燒過(guò)程—典型燃料的著火溫度燃料燃燒理論空氣量的計(jì)算建立燃燒方程式的假定：空氣組成：79.1%N2和20.9%O2，兩者體積比為：N2/O2=3.78燃料的化學(xué)方程式為CxHySzOw燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2燃料中的N在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2，不考慮NOX的生成料燃燒理論空氣量的計(jì)算燃燒方程式：燃料摩爾質(zhì)量=12x+1.008y+32z+16w理論空氣量：煤4-7m3/kg，液體燃料10-11m3/kg

理論空氣量計(jì)算例題12.5mol的氧氣空氣過(guò)剩系數(shù)空氣過(guò)剩系數(shù)：實(shí)際空氣量與理論空氣量之比，以

表示通常>15.燃燒污染物燃燒可能釋放的污染物：CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物的絕對(duì)量和相對(duì)量都有影響燃料種類(lèi)和燃燒方式對(duì)燃燒產(chǎn)物也有影響5.1燃燒污染物－硫氧化物有機(jī)硫的分解溫度較低無(wú)機(jī)硫的分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍(lán)色，由于反應(yīng)：在所有的情況下，它都作為一種重要的反應(yīng)中間體煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒，灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素煤粉燃燒過(guò)程:碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴(kuò)散離開(kāi)表面并與O2反應(yīng)灰層碳層外擴(kuò)散5.2燃燒污染物－燃煤煙塵出現(xiàn)黑煙的燃料順序?yàn)椋簾o(wú)煙煤焦炭褐煤低揮發(fā)分煙煤高揮發(fā)分煙煤理論上碳與氧的摩爾比近1.0時(shí)最易形成黑煙5.3燃燒污染物－有機(jī)污染物(VOC)比較活潑的碳?xì)浠衔锸钱a(chǎn)生光化學(xué)煙霧的直接原因，多核有機(jī)化合物（POM）引起癌癥碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān)，燃料中高分子碳?xì)浠衔餄舛扰cPOM排放水平具有相關(guān)性燃料與空氣的充分混合可降低有機(jī)物的含量，但不利于NOx的控制同時(shí)減少CH和NOx的排放需要嚴(yán)格控制混合的型式、溫度及停留時(shí)間5.4燃燒污染物－COCO是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種CO的全球排放量為200×106t/a燃料中的碳都先形成CO，然后進(jìn)一步氧化在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以降低CO含量。5.5燃燒污染物－NOx燃料型NOx：燃料中的固定氮瞬時(shí)NOx：低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx熱力型NOx：高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx5.6燃燒污染物－Hg污染Hg對(duì)人的腎和神經(jīng)系統(tǒng)有危害煤碳燃燒是Hg污染的主要來(lái)源煤中Hg的析出率與燃燒條件有關(guān)燃燒溫度>900oC時(shí)，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一5.7燃燒污染物－二惡英“二惡英”(Dioxin)：氯代含氧三環(huán)芳烴類(lèi)化合物。無(wú)色無(wú)味、脂溶性，包括210種化合物，毒性是氰化物的130倍，砒霜的900倍，目前世界上已知的毒性最強(qiáng)的有毒化合物。二惡英的發(fā)生源:一是在制造包括農(nóng)藥在內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)，尤其是氯系化學(xué)物質(zhì),象殺蟲(chóng)劑、除草劑、木材防腐劑、落葉劑（美軍用于越戰(zhàn)）、多氯聯(lián)苯等產(chǎn)品的過(guò)程中派生；二是來(lái)自對(duì)垃圾的焚燒。焚燒溫度低于800℃，塑料之類(lèi)的含氯垃圾不完全燃燒，極易生成二惡英。二惡英的環(huán)境化學(xué)特性熱穩(wěn)定性：極其穩(wěn)定,需要超過(guò)1000℃才降解,超過(guò)1200℃才能被完全破壞。低揮發(fā)性：這些化合物的蒸汽壓極低，因而除了氣溶膠顆粒吸附外在大氣中分布較少，而在地面可以持續(xù)存在。脂溶性強(qiáng)：極具親脂性，因而在食物鏈中，可以通過(guò)脂質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)移和生物富積。環(huán)境穩(wěn)定性高：在大氣中主要吸附于氣溶膠顆粒而可以抵抗紫外線(xiàn)。一旦進(jìn)入土壤，平均半衰期為9年，可在環(huán)境中持續(xù)存在。二惡英的危害二惡英中毒癥狀：眼睛、鼻子和喉嚨等部位有刺激感，頭暈，嘔吐。在臉部、頸部等裸露的皮膚出現(xiàn)紅腫，數(shù)周后出現(xiàn)“氯座瘡”等皮膚受損癥狀。二惡英急性中毒癥狀：肝腫，肝組織受損，肝功能改變，血脂和膽固醇增高，消化不良，腹瀉，嘔吐等。精神-神經(jīng)系統(tǒng)癥狀主要為失眠，頭痛，煩躁不安，易激動(dòng)，視力和聽(tīng)力減退以及四肢無(wú)力，感覺(jué)喪失，性格變化，意志消沉等。最令人注目的是二惡英的致癌性和致畸性。國(guó)際