第二章燃烧与大气污染 1 大气污染的定义 如果大气中的物质达到一定浓度 并持续足够的时间 以致对公众健康 动物 植物 材料 大气特性或环境美学产生可测量的不利影响 就是大气污染 固定源 燃料燃烧和工业生产移动源 交通运输工具 机动车 火车 轮船 飞行器等 自然污染源 由于火山爆发 森林火灾 生物腐烂等非人力所能控制的自然现象形成的污染源 人为污染源 由于人类生产 生活活动形成的污染源 定义 来源 分类 主要的大气污染物 如NOx SOx CO及HC化合物等 源于燃料燃烧 为了减少污染物的排放 必须了解燃烧过程的基本原理 污染物的生成机理 从而有效地控制燃烧过程 2 燃料的分类 3 燃料组成及对燃烧的影响 固体燃料 碳 可燃元素 1kg纯碳完全燃烧 放热7850kcal 当不完全燃烧生成CO时 放热2214kcal 纯碳起燃温度很高 燃烧缓慢 火焰短 煤中的碳不是单质状态存在 而是与氢 氮 硫等组成有机聚合物 煤形成的地质年代越长 其挥发性成分含量越少 而含碳量则相对增加 例如 无烟煤含碳量约90 98 烟煤的含碳量约75 95 褐煤的结构类似木材 热值较低 3 燃料组成及对燃烧的影响 固体燃料 氢 燃料中发热量最高的元素 固体燃料中含氢2 10 以碳氢化合物的形式存在 1kg氢完全燃烧时放热28780kcal 氧 与碳 氢结合以有机化合物存在 降低了燃料的发热量 氮 燃料中含氮量很少 一般为0 5 1 5 硫以三种形态存在 有机硫 硫化铁硫 挥发硫 和硫酸盐硫 前两种能放出热量 称之为挥发硫 硫燃烧生成产物为SO2和SO3 其中SO2占95 以上 有机硫 以各种官能团形式存在 如噻吩 芳香基硫化物 环硫化物 脂肪族硫化物及硫醇等 需要采用化学方法进行脱硫 硫化铁硫 煤中主要的含硫成分 呈独立相弥散分布 本身无磁性 在强磁场作用下转变为顺磁性 选煤 硫酸盐硫 以钙 铁 锰的硫酸盐形式存在 以石膏为主 低硫煤主要为有机硫 高硫煤主要为无机硫 3 燃料组成及对燃烧的影响 固体燃料 水分 水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少 煤中水分由表面水分 外部水分 和吸附水分 内部水分 组成 外部水分可以靠自然干燥方法除去 内部水分要放在干燥箱中加热到102 105 C 保持2h后才能除掉 灰分 是燃料中不可燃矿物质 为燃料中有害成分 3 燃料组成及对燃烧的影响 固体燃料 3 燃料组成及对燃烧的影响 液体燃料石油液体燃料的主要来源链烷烃 环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物主要含碳和氢 还有少量硫 氮和氧氢含量增加时 比重减少 放热量增加 气体燃料天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷85 乙烷10 丙烷3 Evolvingenergysystem Towardsalow emissionsfuture 3 燃料组成的表示方法 CxHySzOwNv Sample 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 燃料燃烧过程 燃烧产物 燃烧过程是可燃化合物的快速氧化 伴随光和热的能量释放 完全燃烧产物 CO2 H2O不完全燃烧产物 CO2 H2O及CO 黑烟等部分氧化产物如果燃料中含有S和N 则会生成SO2和NO空气中的部分N被氧化成NO 热力型NOx 4 燃料燃烧过程 燃料完全燃烧的条件 空气条件 提供充足的空气 但是空气量过大 会降低炉温 增加热损失温度条件 Temperature 达到燃料的着火温度时间条件 Time 燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件 Turbulence 燃料与氧充分混合 湍流度 燃料燃烧过程 典型燃料的着火温度 燃料燃烧理论空气量的计算 建立燃烧方程式的假定 空气组成 79 1 N2和20 9 O2 两者体积比为 N2 O2 3 78燃料的化学方程式为CxHySzOw燃料中固定氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为SO2燃料中的N在燃烧时转化为N2 不考虑NOX的生成 料燃烧理论空气量的计算 燃烧方程式 燃料摩尔质量 12x 1 008y 32z 16w理论空气量 煤4 7m3 kg 液体燃料10 11m3 kg 理论空气量计算例题 12 5mol的氧气 空气过剩系数 空气过剩系数 实际空气量与理论空气量之比 以 表示 通常 1 5 燃烧污染物 燃烧可能释放的污染物 CO SOx NOx CH 烟 飞灰 金属及其氧化物等 温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响 燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响 5 1燃烧污染物 硫氧化物 有机硫的分解温度较低无机硫的分解速度较慢含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色 由于反应 在所有的情况下 它都作为一种重要的反应中间体 烟尘 固体燃料燃烧产生的颗粒物 包括 黑烟 未燃尽的碳粒飞灰 不可燃矿物质微粒 灰分中含有Hg As Se Pb Cu Zn等污染元素煤粉燃烧过程 碳表面的燃烧产物为CO 它扩散离开表面并与O2反应 5 2燃烧污染物 燃煤烟尘 理论上碳与氧的摩尔比近1 0时最易形成黑烟 5 3燃烧污染物 有机污染物 VOC 比较活泼的碳氢化合物是产生光化学烟雾的直接原因 多核有机化合物 POM 引起癌症碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关 燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM排放水平具有相关性燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量 但不利于NOx的控制同时减少CH和NOx的排放需要严格控制混合的型式 温度及停留时间 5 4燃烧污染物 CO CO是所有大气污染物中量最大 分布最广的一种CO的全球排放量为200 106t a燃料中的碳都先形成CO 然后进一步氧化在火焰温度下有足够的氧并且停留时间足够长 可以降低CO含量 5 5燃烧污染物 NOx 燃料型NOx 燃料中的固定氮瞬时NOx 低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx热力型NOx 高温下N2与O2反应生成的NOx 5 燃烧污染物 5 6燃烧污染物 Hg污染 Hg对人的肾和神经系统有危害煤碳燃烧是Hg污染的主要来源煤中Hg的析出率与燃烧条件有关燃烧温度 900oC时 析出率 90 还原性气氛的析出率低于氧化性气氛Hg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一 5 7燃烧污染物 二恶英 二恶英 Dioxin 氯代含氧三环芳烃类化合物 无色无味 脂溶性 包括210种化合物 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强的有毒化合物 二恶英的发生源 一是在制造包括农药在内的化学物质 尤其是氯系化学物质 象杀虫剂 除草剂 木材防腐剂 落叶剂 美军用于越战 多氯联苯等产品的过程中派生 二是来自对垃圾的焚烧 焚烧温度低于800 塑料之类的含氯垃圾不完全燃烧 极易生成二恶英 二恶英的环境化学特性 热稳定性 极其稳定 需要超过1000 才降解 超过1200 才能被完全破坏 低挥发性 这些化合物的蒸汽压极低 因而除了气溶胶颗粒吸附外在大气中分布较少 而在地面可以持续存在 脂溶性强 极具亲脂性 因而在食物链中 可以通过脂质发生转移和生物富积 环境稳定性高 在大气中主要吸附于气溶胶颗粒而可以抵抗紫外线 一旦进入土壤 平均半衰期为9年 可在环境中持续存在 二恶英的危害 二恶英中毒症状 眼睛 鼻子和喉咙等部位有刺激感 头晕 呕吐 在脸部 颈部等裸露的皮肤出现红肿 数周后出现 氯座疮 等皮肤受损症状 二恶英急性中毒症状 肝肿 肝组织受损 肝功能改变 血脂和胆固醇增高 消化不良 腹泻 呕吐等 精神 神经系统症状主要为失眠 头痛 烦躁不安 易激动 视力和听力减退以及四肢无力 感觉丧失 性格变化 意志消沉等 最令人注目的是二恶英的致癌性和致畸性 国际组织将二恶英划分为人类一级致癌物 通过呼吸进入人体的二恶英极少 主要是通过食品被人体吸收 作业 燃料油的重量组成为 C86 H14 计算理论空燃比 在干空气下燃烧 烟气分析结果 基于干烟气 为 O21 5 CO600ppm 体积分数 计算燃烧过程的空气过剩系数 在汽油组成未作任何调整的普通汽油中加入重量百分比10 的乙醇得到乙醇汽油 E10 已知普通汽油的理论空燃比为14 6 计算E10的理论空燃比