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)達到一定濃度，并持續(xù)足夠的時間，以致對公眾健康、動物、植物、材料、大氣特性或環(huán)境美學產(chǎn)生可測量的不利影響，就是大氣污染。固定源：燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)移動源：交通運輸工具（機動車、火車、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：由于人類生產(chǎn)、生活活動形成的污染源。定義來源分類主要的大氣污染物，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，必須了解燃燒過程的基本原理、污染物的生成機理，從而有效地控制燃燒過程。2.燃料的分類按來源分按物態(tài)分天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁巖木炭、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、焦爐煤氣3.燃料組成及對燃燒的影響：固體燃料碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒，放熱7850kcal，當不完全燃燒生成CO時，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、硫等組成有機聚合物。煤形成的地質(zhì)年代越長，其揮發(fā)性成分含量越少，而含碳量則相對增加。例如，無煙煤含碳量約90-98%，煙煤的含碳量約75-95%，褐煤的結(jié)構(gòu)類似木材，熱值較低。3.燃料組成及對燃燒的影響：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%，以碳氫化合物的形式存在，1kg氫完全燃燒時放熱28780kcal。氧：與碳、氫結(jié)合以有機化合物存在，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：有機硫、硫化鐵硫（揮發(fā)硫）和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱之為揮發(fā)硫。硫燃燒生成產(chǎn)物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。有機硫：以各種官能團形式存在，如噻吩、芳香基硫化物、環(huán)硫化物、脂肪族硫化物及硫醇等，需要采用化學方法進行脫硫。硫化鐵硫：煤中主要的含硫成分，呈獨立相彌散分布，本身無磁性，在強磁場作用下轉(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。低硫煤主要為有機硫，高硫煤主要為無機硫。3.燃料組成及對燃燒的影響：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。灰分：是燃料中不可燃礦物質(zhì)，為燃料中有害成分。3.燃料組成及對燃燒的影響：固體燃料3.燃料組成及對燃燒的影響液體燃料石油液體燃料的主要來源鏈烷烴、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，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、天然氣的燃燒是國民經(jīng)濟各個部門的主要熱能、動力的來源；航天技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)；防火：以消滅燃燒為目的；燃燒學或燃燒理論是流體力學、化學反應(yīng)動力學、傳熱傳質(zhì)學的結(jié)合。4.燃料燃燒過程－－燃燒產(chǎn)物燃燒過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；但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達到燃料的著火溫度時間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時間應(yīng)超過燃料燃燒所需時間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合(湍流度)燃料燃燒過程—典型燃料的著火溫度燃料燃燒理論空氣量的計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在燃燒時轉(zhuǎn)化為N2，不考慮NOX的生成料燃燒理論空氣量的計算燃燒方程式：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

理論空氣量計算例題12.5mol的氧氣空氣過剩系數(shù)空氣過剩系數(shù)：實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燃燒產(chǎn)物的絕對量和相對量都有影響燃料種類和燃燒方式對燃燒產(chǎn)物也有影響5.1燃燒污染物－硫氧化物有機硫的分解溫度較低無機硫的分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍色，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程:碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴散離開表面并與O2反應(yīng)灰層碳層外擴散5.2燃燒污染物－燃煤煙塵出現(xiàn)黑煙的燃料順序為：無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時最易形成黑煙5.3燃燒污染物－有機污染物(VOC)比較活潑的碳氫化合物是產(chǎn)生光化學煙霧的直接原因，多核有機化合物（POM）引起癌癥碳氫化合物的產(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān)，燃料中高分子碳氫化合物濃度與POM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物的含量，但不利于NOx的控制同時減少CH和NOx的排放需要嚴格控制混合的型式、溫度及停留時間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。5.5燃燒污染物－NOx燃料型NOx：燃料中的固定氮瞬時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污染的主要來源煤中Hg的析出率與燃燒條件有關(guān)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一5.7燃燒污染物－二惡英“二惡英”(Dioxin)：氯代含氧三環(huán)芳烴類化合物。無色無味、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)的化學物質(zhì)，尤其是氯系化學物質(zhì),象殺蟲劑、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)品的過程中派生；二是來自對垃圾的焚燒。焚燒溫度低于800℃，塑料之類的含氯垃圾不完全燃燒，極易生成二惡英。二惡英的環(huán)境化學特性熱穩(wěn)定性：極其穩(wěn)定,需要超過1000℃才降解,超過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：極具親脂性，因而在食物鏈中，可以通過脂質(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。一旦進入土壤，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，視力和聽力減退以及四肢無力，感覺喪失，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。國際