北京化工大学第二讲 大气污染物的生成控制2.1 能源与大气污染 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制 2.3 燃烧计算2.4 机动车大气污染物的生成控制2.5 清洁生产1北京化工大学2.1 能源与大气污染2.1.1 能源的分类能源的分类 能源是能提供可利用能量的资源，可分为直接从自然界取得的一次能源和由一次能源转换得到的二次能源。一次能源还可分为可再生能源和不可再生能源。 一次能源一次能源可再生能源可再生能源风能、水能、太阳能、生物质能、海洋热能、潮汐能、地震、火山、地热等不可再生能源不可再生能源化石燃料（煤、石油、天然气）、核燃料（铀、钍、氢）二次能源二次能源电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、甲醇、丙烷、硝化甘油等2北京化工大学 通常还把能源分为常规能源煤、石油、天然气、水能、核能等与新能源太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能和氢能等两大类。 能源又可分为污染型能源化石燃料和清洁型能源水力、电力、太阳能、风能和核能等。2.1 能源与大气污染3北京化工大学1能源结构决定大气污染的形成和特点 a. 能源结构中污染性能源如煤、石油、天然气等占主体大量消耗是大气污染形成的根本原因； b. 努力开发并尽可能采用清洁能源是减轻大气污染的根本方法。 2能源的利用方式与利用效率对大气污染也有很大影响 改进能源的利用方式，提高能源的利用率是改善大气污染的另一根本方法。 如清洁煤技术Clean Coal technology) 能源利用与大气污染能源利用与大气污染2.1 能源与大气污染4北京化工大学2003年全球的能源需求量已到达140亿吨标准煤，其中石油占38%，煤炭占26%，天然气占24%, 核能占6%, 其它能源占6%，污染型能源占88%。据预测，到2021和2050年全世界煤炭和石油的总耗量仍将分别占世界总能耗的64%和52%。我国是目前世界上最大的煤炭生产和消耗国，煤炭的生产和消耗均占世界总量的30%左右，同时，也是世界上极少数以煤炭为主要能源的国家之一。2005年我国一次能源生产总量约为12.3亿吨标准煤，其中煤炭占63.8%、石油18.8%、天然气6.0%、水电和核电11.4%。我国煤炭燃烧产生的SO2、CO2、NOX及TSP排放量分别约占总排放量的90%、85%、60%和70%。2.1 能源与大气污染5北京化工大学燃料燃烧产生的大气污染物黑烟炭黑 粉尘氮氧化物一氧化碳碳氢化合物铅化合物二氧化硫燃料不完全燃烧含铅汽油灰分燃料硫空气氮和燃料氮大气污染物主要来自燃烧过程。2.1 能源与大气污染6北京化工大学2.1 能源与大气污染 能源利用过程中的污染控制能源利用过程中的污染控制1 1清洁能源的开发和利用清洁能源的开发和利用 2 2提高能源利用效率、节约能源提高能源利用效率、节约能源3 3研究燃烧过程中污染物的生成机理，采取适当措研究燃烧过程中污染物的生成机理，采取适当措施减少污染物的生成量。施减少污染物的生成量。4 4净化烟气，降低排烟中已经生成的污染物排放量。净化烟气，降低排烟中已经生成的污染物排放量。7北京化工大学2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 2.2.1 燃料的分类 煤1煤的分类褐煤：最低品位的煤，形成年代最短，水分含量高，热值较低；烟煤：成焦性强，碳含量为 7590，含氧量低，适用于工业一般应用，在空气中比褐煤更能抵抗风化；无烟煤：碳含量最高(93%)，煤化时间最长，着火困难，贮存时稳定，成焦性极差。8北京化工大学2煤的工业分析水分 水分包括外部水分318K323K，8h和内部水分375K380K，2h，水分使热值降低，一般控制煤中水分在1013左右。灰分 煤中不可燃矿物质的总称。我国煤炭的平均灰分为25。挥发分 煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质。挥发分越高，就越容易燃着；但挥发分含量过高，容易直接逸出，污染环境。固定碳2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 9北京化工大学3煤中硫的形态有机硫CxHySz黄铁矿硫FeS2硫酸盐硫MeSO4元素硫可燃硫可燃硫灰分灰分2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 单质硫单质硫无机硫无机硫可燃硫可燃硫在我国煤炭资源中，硫的平均质量分数为1.1110北京化工大学4煤的成分表示方法一般用质量百分数表示，通常有四种基准。 1收到基以下标“ar表示 包括水分与灰分的煤作为100的成分，即煤的实际应用成分。燃烧计算通常采用此方法。 2空气枯燥基以下标“ad表示 指去除外在水分的煤作为100的成分。通常是在实验室内作煤样分析时采用。 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 11北京化工大学3枯燥基以下标“d表示 失去水分的煤作为100的成分。 因为排除了水分的影响，所以枯燥基能准确反映出灰分的多少。4枯燥无灰基以下标“daf表示 失去水分、去掉灰分的煤作为100的成分。常用以表示煤的挥发分的含量。12北京化工大学2 石油3 石油是液体燃料的主要来源。原油由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成，主要含有C、H，少量的S、N和O，微量的钒、镍、铅、砷、氯等。4 原油中的硫含量一般在0.1%0.7%，大局部硫以有机硫的形式存在。在轻馏分中，硫以H2S、RSH、RSR、RSSR等形态存在。原油中的硫80%90%留于重馏分中，以复杂的环硫结构存在。重馏分与一定比例的轻油相配合而成为重油，原油中的硫大局部转入重油中。 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 13北京化工大学3 天然气 组成一般为甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%，含碳更高的碳氢化合物也可能存在于其中。 4 非常规燃料 城市固体废弃物、商业和工业固体废弃物、农产物及农村废物、水生植物和水生废物、污泥处理厂废物、天然存在的含碳和含碳氢的资源等。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 14北京化工大学2.2.2 烟尘的生成机理及其控制气相析出型烟尘剩余型烟尘酸性尘积炭粉尘2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 按烟尘的生成机理不同，可分为按烟尘的生成机理不同，可分为1.烟尘的分类及生成机理15北京化工大学 根据气体燃料和空气混合状况的不同，可将气体燃料的燃烧过程分为：有焰燃烧扩散燃烧、无焰燃烧预混燃烧和半无焰燃烧三种过程。有焰燃烧扩散燃烧 ：可燃物与氧化物的混合时间远大于燃烧反响时间的燃烧，如可燃气与空气分别通入燃烧室，边混合边燃烧的情况属于此类。无焰燃烧预混燃烧：可燃物与氧化物的混合时间远小于燃烧反响时间的燃烧，预先混合均匀的可燃混合气体的燃烧属于此类。16北京化工大学脱氢分解聚合气液固相燃料燃烧释放可燃性气体缺氧尘炭黑气相析出型烟尘粒径很细如重油燃烧产生的炭黑粒径在0.020.05m，比外表很大，每公斤可达数万平方米。收集下来的烟尘呈絮状，体积大，重量轻。1 1气相析出型烟尘气相析出型烟尘2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 17北京化工大学2 液体燃料的燃烧和剩余型烟尘也称石油焦或煤胞液体燃料的燃烧和剩余型烟尘也称石油焦或煤胞 工业窑炉常用的液体燃料有重油和渣油。工业窑炉常用的液体燃料有重油和渣油。 燃料油的燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。它包燃料油的燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。它包括燃料油的雾化、油雾粒子中可燃物的蒸发与扩散、可燃括燃料油的雾化、油雾粒子中可燃物的蒸发与扩散、可燃气体与空气的混合以及可燃气体的氧化燃烧等诸过程。此气体与空气的混合以及可燃气体的氧化燃烧等诸过程。此外还可能有油滴热解和裂化过程。外还可能有油滴热解和裂化过程。 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 18北京化工大学液体油滴裂化热分解气体成分絮状空心球焦炭煤胞主要发生在未完全氧化之前，热反响速度大于与氧气的反响速度。粒径为10300微米。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 19北京化工大学3 酸性尘酸性尘 气相析出型烟尘和剩余型烟尘在烟气温度接近露点时，气相析出型烟尘和剩余型烟尘在烟气温度接近露点时，吸收烟气中的吸收烟气中的H2SO4，长大成为像雪片形状的烟尘。酸性，长大成为像雪片形状的烟尘。酸性尘由于颗粒较大，一般沉落在烟囱附近。尘由于颗粒较大，一般沉落在烟囱附近。4 积炭积炭 油滴附着在燃烧器、燃烧器旋口、燃烧室炉墙上，受油滴附着在燃烧器、燃烧器旋口、燃烧室炉墙上，受炉内高温气化而剩余下来的烟尘。其颗粒形状不定，但粒炉内高温气化而剩余下来的烟尘。其颗粒形状不定，但粒度较大。度较大。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 20北京化工大学5 粉尘粉尘固体燃料燃烧产生粉尘，包括飞灰和黑烟。固体燃料燃烧产生粉尘，包括飞灰和黑烟。飞灰：不可燃矿物质黑烟：未完全燃烧的炭粒21北京化工大学2. 影响烟尘生成量的因素 1 燃料种类的影响 a. 气体燃料： 氢气、甲醇、乙醇燃烧时不产生烟尘； 烯烃比烷烃易产生黑烟； 乙炔、芳香族、链状碳氢化合物易产生黑烟； 碳氢比越高，产生黑烟愈多； 碳原子数愈多，愈容易产生碳黑。 b. 液体燃料： 与残留碳含量有关，油质愈重，残留碳越多，烟尘越多。对扩散燃烧而言2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 22北京化工大学c. 固体燃料：与燃料中灰分率有关，劣质煤灰份高，粉尘浓度就高。易于燃烧又不易出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤、焦炭、褐煤、低挥发分烟煤、高挥发分烟煤。2 燃料粒度的影响 重油燃烧时，油滴的直径越大，残留性烟尘浓度急剧增大。 固体燃料粒度越大，燃烧可能越不充分，可能使黑烟增多。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 23北京化工大学3 氧气浓度和空气过剩系数的影响 空气过剩系数实际供给的空气量理论空气量 必须保证一定大小的空气过剩系数1.21.3，使得有足够的氧气浓度供燃料燃烧充分。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 图2-1 排尘浓度与剩余氧气体积分数的关系24北京化工大学4 燃烧方式及其它因素的影响 a. 对气体燃料燃烧而言，预混无焰燃烧生成烟尘量少，但扩散燃烧易于控制。故大多采用扩散燃烧。 b.对固体燃料而言，燃烧炉型、燃烧温度及煤质情况均有影响自然引风锅炉的烟气流速较低，排尘浓度也较低。但自然引风只适用于小锅炉对于较大锅炉，自然引风会造成炉膛内氧量缺乏，致使炉温降低燃烧不完全热损失较大。对于机械引风锅炉，需合理地控制风量，防止引风带尘的浓度过高。25北京化工大学炉排和炉膛的热负荷也将对排尘浓度产生影响。 炉排热负荷是每平方米炉排面积上每小时燃料燃烧所释放出来的热量。炉排热负荷增加，导致单位炉排面积上燃煤量增大，那么流过炉排的气流速度也将成正比增加，灰分被气流夹带而飞逸的可能性就越大。 炉膛热负荷是每立方米炉膛容积内每小时燃料燃烧所释放出的热量。炉膛必须保持足够的燃烧空间，以使燃烧逸出的可燃气体有充分的时间进行燃烧提高锅炉的消烟效果。锅炉负荷增加，烟尘浓度增大2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 26北京化工大学炉型不同，燃料中的灰分变为飞灰的份额不同。燃烧方式占燃料中的灰分（）手烧炉1520链条炉1520抛煤机炉2440沸腾炉4060煤粉炉7585 各炉型下的烟尘颗粒粒径组成不同。如：手烧炉燃烧排放的烟尘中大于149微米的颗粒占51，而煤粉炉燃烧排放的烟尘中大于149微米的颗粒只占2。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 27北京化工大学3. 烟尘生成量的控制 在燃料一定时，促进燃料的完全燃烧是减少烟尘量的主要措施。保证燃料完全燃烧的条件是适宜的过剩空气系数、良好的湍流混合Turbulence、足够的温度Temperature和停留时间Time，即供氧充分下的“三T条件。 1适宜的过量空气系数燃烧时，如果空气供给缺乏，燃烧就不完全；相反，空气量过大，会降低炉温，增加锅炉的排烟损失。因此按燃烧不同阶段供给相适应的空气量是十分必要的。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 28北京化工大学2改善燃料与空气的混合改善燃料与空气的混合 燃料和空气充分混合是有效燃烧的又一根本条件，燃料和空气充分混合是有效燃烧的又一根本条件，混合不均匀就会产生大量的烟尘和不完全燃烧产物。混合不均匀就会产生大量的烟尘和不完全燃烧产物。混合程度取决于湍流度，对于蒸气相的燃烧，湍流可混合程度取决于湍流度，对于蒸气相的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发；对于固体燃料的燃烧，湍流以加速液体燃料的蒸发；对于固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在燃料颗粒外表形成的边界层，有助于破坏燃烧产物在燃料颗粒外表形成的边界层，从而提高外表反响的氧利用率，并使燃烧过程加速。从而提高外表反响的氧利用率，并使燃烧过程加速。 29北京化工大学3保证足够的温度保证足够的温度 燃料只有到达着火温度，才能与氧化合而燃烧。燃料只有到达着火温度，才能与氧化合而燃烧。着火温度通常按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺着火温度通常按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺序上升，如无烟煤序上升，如无烟煤713773K，重油，重油803853K，发生炉，发生炉煤气煤气9731073K。在着火温度以上，温度越高，燃烧。在着火温度以上，温度越高，燃烧反响速度越快，燃烧越完全，烟尘越少。反响速度越快，燃烧越完全，烟尘越少。30北京化工大学4保证足够的燃烧时间保证足够的燃烧时间 燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需要燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需要的时间。燃料粒子燃尽时间的时间。燃料粒子燃尽时间tb与粒子初始直径与粒子初始直径(2r0)、粒子外表温度粒子外表温度T和氧气浓度和氧气浓度P0有关。有关。 31北京化工大学图2-2 焦粒燃烧时间与初始直径、粒子外表温度的关系图2-3 炭黑烧掉95%所需时间32北京化工大学参考：参考：燃尽时间计算公式的推导燃尽时间计算公式的推导 假设固体物质的燃烧主要在其外表进行，那么该燃假设固体物质的燃烧主要在其外表进行，那么该燃烧速度取决于氧气扩散到固体外表上的扩散速度和固体烧速度取决于氧气扩散到固体外表上的扩散速度和固体外表进行的化学反响速度。外表进行的化学反响速度。 以单个球形固体粒子为例，设粒子半径为以单个球形固体粒子为例，设粒子半径为r，氧分压，氧分压为为P0，粒子密度为，粒子密度为 p。对于如下非催化气固反响：。对于如下非催化气固反响：CsO2gCO2g B A C2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 33北京化工大学单位面积上的反响速度为：固体物质B的减少表现为未反响核的缩小，故式代入式，得：2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 34北京化工大学根据阿累尼乌斯公式，反响常数与温度的关系：假定反响期间，T与P0均不变，那么：2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 35北京化工大学2.2.3.1 燃烧过程中含硫污染物的生成燃烧过程中含硫污染物的生成1. 燃料中的硫含量 燃料种类不同，硫的形态与含量也有区别。 天然气、煤气：以硫化氢为主，有机硫较少，含硫量一般小于1。表表2-2 液体和固体燃料中含硫量和含氮量液体和固体燃料中含硫量和含氮量 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 含硫污染物的生成机理及控制含硫污染物的生成机理及控制36北京化工大学 2. 二氧化硫的生成 燃料中的可燃硫包括无机硫和有机硫在燃烧条件下空气过剩系数大于1全部生成二氧化硫，煤中的硫酸盐一般转入灰分。假设空气过剩系数小于1，有机硫将分解，除SO2外，还有S、H2S、SO等。 烟气中的SO2量正比于燃料中的含硫量。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 （mg/Nm3）kgwt%m337北京化工大学3. 三氧化硫的生成 在一般燃烧条件下，有15的SO2会继续氧化为SO3。 其生成机理为： a. 火焰中生成的原子氧参加反响SO2OSO3O2OOk+k_ 空气过剩系数越大，温度越高，反响时间越长， SO3生成量就越多。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 38北京化工大学 b. 对流受热面上的积灰和氧化膜的催化作用 生成SO3的危害： SO3的存在会使烟气露点温度大大升高，易产生结露，而形成低温腐蚀。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 39北京化工大学4. 硫酸SO3H2OH2SO4 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 这一反响从200250左右开始进行，当烟气温度降到110时，反响根本完成。当温度进一步降低时，硫酸蒸汽才凝结成硫酸液滴。如果硫酸蒸汽凝结在锅炉尾部受热面上，将引起低温腐蚀，并产生硫酸尘。因此，锅炉排烟温度不能太低。 排入大气中的烟气，与大气混合，温度进一步降低，烟气中的硫酸蒸汽将再次凝结而形成硫酸雾，雾滴在大气中的漫反射使烟气呈白色，故又称为白烟。40北京化工大学5. 酸性尘 含有硫酸蒸汽的烟气，当温度降低到露点以下，硫酸蒸汽将凝结在微小的烟尘粒子外表，然后，这些粒子凝结在一起，长大成雪片状的酸性尘。另外，锅炉尾部、金属烟道和烟囱被硫酸腐蚀生成的盐类和含酸粉尘脱落后也形成酸性尘。 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 排入大气中的SO2，由于金属飘尘的触媒作用，也会被空气中的氧氧化为SO3，遇水汽形成硫酸雾，再与粉尘结合而形成酸性粉尘，或者被雨水淋落而产生硫酸雨。41北京化工大学SOX的生成控制的生成控制 1. SO2生成控制生成控制 生成控制方法有：采用低硫燃料、燃料脱硫、生成控制方法有：采用低硫燃料、燃料脱硫、以及燃烧过程脱硫。以及燃烧过程脱硫。 1燃料脱硫燃料脱硫 1 煤炭洗选脱硫：是指通过物理、化学或生煤炭洗选脱硫：是指通过物理、化学或生物的方法对煤炭进行净化，以去除原煤中的硫。原物的方法对煤炭进行净化，以去除原煤中的硫。原煤经过洗选既可脱硫又可除灰，提高煤炭质量和热煤经过洗选既可脱硫又可除灰，提高煤炭质量和热能利用效率。能利用效率。 2003年，我国煤炭年产量约为年，我国煤炭年产量约为15亿吨，入洗率亿吨，入洗率为为38.6%，全硫脱除率为，全硫脱除率为45%55%，硫铁矿硫脱，硫铁矿硫脱除率除率60%80%。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 42北京化工大学 目前国内外应用最广的是物理选煤方法中的跳汰选煤、重介质选煤和浮选三种。 跳汰选煤 通过流体作用下不断变化过程，使原本为不同类型颗粒混合物的床层呈现出以密度差异为主要特征的分层，从而使煤中密度大的硫铁矿与有机质别离。b.重介质选煤 用密度介于煤与煤矸石之间的悬浮液作为分选介质的选煤方法。目前国内外普遍采用磁铁矿粉与水配制的悬浮液作为选煤的分选介质。c.浮选 包括泡沫浮选、浮选柱、油团浮选、外表和选择性絮凝等，实际生产中最常用的是泡沫浮选和浮选柱。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 43北京化工大学2 煤的气化：煤炭气化是在一定的温度和压力下，通过参加气化剂使煤转化为煤气的过程。它包括煤的热解、气化和燃烧三个化学反响过程。 煤气化所用的原煤可以是褐煤、烟煤或无烟煤。气化剂有空气、氧气和水蒸气，近年来也开始用氢气以及这些成分的混合物作气化剂。生成气体的主要成分有CO、CO2、H2、CH4和H2O，气化介质为空气时，还带入N2。 煤气化后便于净化除去硫和灰分 煤气中的硫主要以硫化氢存在，多用湿法干法去除。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 44北京化工大学3 煤的液化： 煤的液化是将固体煤在适宜的反响条件下转化为洁净的液体燃料和化工原料的过程。 根据提高煤中含氢量的过程不同，煤液化工艺可分为直接液化、间接液化和煤油共炼三种。 我国石油资源比较缺少，而煤炭储量丰富，因此，煤的液化是解决我国石油紧缺的重要途径之一。同时，煤的液化还便于回收利用煤中的硫和氮，环境效率显著。 45北京化工大学4气体燃料脱硫 在煤炭气化过程中，煤中的绝大局部硫转变为H2S等气相产物进入煤气，小局部残存于灰渣中。现在的煤气净化除了脱硫以外，通常还包括NH3、CO2、C6H6、HCN等物质的脱除与回收利用。煤气净化的费用约占整个煤气生产费用的50%。 天然气和煤气等气体燃料中含硫主要是H2S和有机硫，大多数情况下，有机硫被转化为H2S加以脱除。目前脱除H2S的方法很多，如吸收法、液相催化氧化法、吸附法和气固相反响法等。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 46北京化工大学5液体燃料脱硫 通常，石油及石油产品的脱硫，几乎都可以采用加氢脱硫或加氢裂解的方法，使原料中的硫化物与氢起催化作用，碳硫键断裂，氢取而代之生成H2S，可以很容易地从油中别离出来，同时还可以除去油中的含氮化合物。RSR2H22RHH2SC5H5N5H2C5H12NH3 47北京化工大学2燃烧过程脱硫燃烧过程脱硫 1燃烧过程加脱硫剂脱硫燃烧过程加脱硫剂脱硫 在煤燃烧过程中参加的脱硫剂石灰石或白云石粉受热分解生成CaO和MgO，再与烟气中的SO2结合生成硫酸盐进入炉渣和烟尘。脱硫剂的热分解CaCO3CaOCO2Ca(OH)2CaOH2O脱硫反响Ca(OH)2SO2CaSO3H2O CaOSO2CaSO32.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 750以下，困难以下，困难 48北京化工大学中间产物的氧化和歧化反响中间产物的氧化和歧化反响 2CaSO3O22CaSO4 4CaSO3CaS3CaSO4脱硫产物的高温分解反响脱硫产物的高温分解反响 CaSO3CaOSO2 CaSO4CaOSO2O分解温度分解温度10401040分解温度分解温度13201320在在850950的流化床锅炉内脱硫较为适宜。的流化床锅炉内脱硫较为适宜。49北京化工大学工业燃煤炉有层燃炉、悬燃炉和流化床炉三类。层燃炉层燃炉是中、小型工业锅炉的主要燃烧方式，是将较大块的煤撒在炉排上呈层状燃烧。向层燃炉直接喷射石灰石利用率很低。悬燃炉悬燃炉是使用细煤粉悬浮于炉膛空间燃烧的一种锅炉，燃烧完全，但飞灰量大，一般用于大型锅炉。炉温可达1600，工业上一般不在这类锅炉中加石灰石粉脱硫。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 50北京化工大学流化床炉系使碎煤目前国内多采用流化床炉系使碎煤目前国内多采用8mm以下的粒度以下的粒度在料层中呈流态化状态燃烧的设备。在料层中呈流态化状态燃烧的设备。流化床炉是工业上炉内脱硫的主要炉型。掺有一定比流化床炉是工业上炉内脱硫的主要炉型。掺有一定比例石灰石粉的燃料在流化床内的适宜温度例石灰石粉的燃料在流化床内的适宜温度(850950)下进行燃烧和脱硫反响，可获得高的脱下进行燃烧和脱硫反响，可获得高的脱硫率。硫率。流化床炉是一种有利于环境保护的炉型。炉内温度适流化床炉是一种有利于环境保护的炉型。炉内温度适当可使当可使NOX生成量和灰分中钾、钠的挥发大为减少。生成量和灰分中钾、钠的挥发大为减少。51北京化工大学 图2-4说明，当流化速度一定时，脱硫率随Ca/S比增大而增大；当Ca/S比一定时，随流化速度降低，脱硫率升高。 图2-4 脱硫率与Ca/S摩尔比的关系52北京化工大学2型煤脱硫技术 用沥青、石灰、电石渣、无硫纸浆黑液等作为黏结剂，将粉煤经机械加工成一定形状和体积的煤。可减少二氧化硫排放4060，提高燃烧热效率2030。3水煤浆技术： 20世纪70年代开展起来的一种以煤代油的新型燃料，是将灰分很低而挥发分很高的煤研磨成细微煤粉，按煤水合理的比例，参加分散剂和稳定剂配制而成，可以象燃料油一样运输、贮存和燃烧。由于水煤浆以液态输送，这给参加石灰石粉或石灰与煤浆均匀混合而进行脱硫创造了条件。 生产水煤浆的原料煤，灰分一般小于8，硫分小于0.5。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 53北京化工大学 2. SO3生成控制 低氧燃烧 控制空气过剩系数低于1.05，一般为1.021.03。 要注意采取以下技术措施，防止出现燃烧不完全和不稳定的现象：选用性能良好的雾化器，使雾化良好；选用性能良好的调风器，以获得需要的空气动力工况，并保证燃料与空气混合良好到达完全燃烧；选用适宜的配风系统，保证各燃烧器空气分配均匀；选用高质量的仪表和自动调整设备。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 54北京化工大学2.2.4 NOX的生成机理及控制的生成机理及控制 氮氧化合物有氮氧化合物有N2O、NO、NO2、N2O4等，总称等，总称氮氧化物氮氧化物 。其中主要污染大气的是。其中主要污染大气的是NO和和NO2 ，主，主要来源于燃料燃烧过程。要来源于燃料燃烧过程。 NOx的排放依气、油、煤的顺序而增加。的排放依气、油、煤的顺序而增加。 2.2.4.1 燃烧过程燃烧过程NOx的生成机理的生成机理 1. 分类分类 燃烧过程中生成的燃烧过程中生成的NOx有三种：有三种： a. 温度型温度型NOxThermal NOx：燃烧用空气中：燃烧用空气中的氮气的氮气 在高温下氧化生成在高温下氧化生成NOx。 b. 瞬时机理型瞬时机理型NOx Prompt NOx ：碳氢系燃：碳氢系燃料在过浓燃烧时产生料在过浓燃烧时产生,通常生成量很少。通常生成量很少。 2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 55北京化工大学其中NO约占90，其余为NO2。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 c. 燃料型NOx fuel NOx ：燃料中含有的氮的化合物，在燃烧过程中氧化而生成的氮氧化物。56北京化工大学2. 各类型各类型NOx生成机理及其控制原理生成机理及其控制原理 a. 温度型温度型NOx的生成机理及其控制原理的生成机理及其控制原理根据“准定常近似，控制步骤2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 - -+ +57北京化工大学，k2和k1数量级根本相同。令氧气的离解反响处于平衡状态，可得：2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 58北京化工大学K0为离解反响平衡常数，2K0k1=31014exp(-542000/RT)由式可知：(1) 温度对NO的生成速度起决定作用。 当T1500时，反响才变得明显。(参看图25)(2)氧气浓度和停留时间对NO的生成量也有影响2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 59北京化工大学60北京化工大学 空气过剩系数1时， NO生成量由于温度降低而减少。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 图2-6 NO浓度与过量空气系数和停 留时间的关系61北京化工大学 NO生成反响在燃料根本燃烧完后进行，即是在火焰的下游区域生成。 故控制措施为： 1降低燃烧温度； 2降低氧气浓度； 3燃烧条件远离理论空气比； 4缩短高温区的停留时间。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 62北京化工大学b. 快速温度型快速温度型NO的生成的生成 快速温度型NO是碳氢系燃料在过量空气系数为0.70.8并采用预混合燃烧时产生的，是这种情况下的特有现象。 通常情况下在不含氮的碳氢系燃料低温燃烧时，才重点考虑快速温度型NO。快速温度型NO的生成对温度依赖性很弱。生成量也很少。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 63北京化工大学c. 燃料型燃料型NO生成及控制原理生成及控制原理 液体燃料和固体燃料中含有一定数量的含氮有机物，如哇液体燃料和固体燃料中含有一定数量的含氮有机物，如哇林林C5H5N、吡啶、吡啶C9H7N等，燃烧时有机物中的原子氮容易分等，燃烧时有机物中的原子氮容易分解出来，并生成解出来，并生成NO。影响因素：影响因素：生成燃料型生成燃料型NO步骤的反响活化能较低，燃料中步骤的反响活化能较低，燃料中N的分解温度的分解温度低于现有燃烧设备中的燃烧温度，因此，燃料型低于现有燃烧设备中的燃烧温度，因此，燃料型NO的生成受的生成受燃烧温度的影响很小。燃烧温度的影响很小。 燃料燃料N含量愈高，燃料含量愈高，燃料N向燃料型向燃料型NO的转化率反而降低。的转化率反而降低。 普通燃烧条件下，燃油锅炉中氮的转化率为普通燃烧条件下，燃油锅炉中氮的转化率为3240；粉煤锅炉中一般为粉煤锅炉中一般为2025，不会超过，不会超过32。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 64北京化工大学燃料N的转化率在空气过剩系数大于1.1后，不再增加。 1.0时，燃料生成量急剧下降，低于0.7时，转化率 0。这是因为氮与碳氢在燃烧过程中竞争氧气的能力较弱。 燃料中N向燃料型NO的转化率与含氮化合物的种类无关。控制措施为：采用含氮量低的燃料；降低过量空气系数燃烧；扩散燃烧时，推迟混合。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 65北京化工大学 总的来说，温度和空气过剩系数对NO生成量有很大影响。具体到实际操作，包括空气燃料比、燃烧空气的预热温度、燃烧区的冷却程度及燃烧器的形状设计。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 66北京化工大学例 某锅炉燃煤量为1000kg/min，煤中氮含量为1%质量分数，其中40%在燃烧时转化为NOX。设燃料型NOX占总排放量的80%，求锅炉的：燃料型NOX排放量；NOX总排放量；NOX排放系数。67北京化工大学 燃烧过程中生成的NOX以温度型和燃料型为主。其中，机动车以汽油和柴油为主要燃料，含N量比较低，但是燃烧温度较高，因此生成的NOX主要是温度型；在我国，固定源燃烧以煤和重油为主要燃料，它们的含N量较高，生成的NOX以燃料型为主，其次是温度型。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 68北京化工大学2.2.4.2 低NOX燃烧技术 1. 低氧燃烧 在低空气过剩系数状况下运行。主要对燃料型NO有作用。 应防止由于空气缺乏，烟尘生成量增大 。 2. 烟气再循环燃烧 采用较多的控制温度型NO的有效方法，可以用于大型锅炉。原理：利用循环烟气降低炉内温度。对燃料型NO没有作用，适合含氮量少的燃料。通常取再循环率为2030。 采用排气再循环方法时，装置中需要有再循环泵和管路设备，在某些情况下，可能还需要冷却器，并需设置排气再循环率控制机构。这样，设备面积将会增大。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 69北京化工大学 3. 二段燃烧法 分两次供给空气：第一次供给的一段空气低于理论空气量，约为理论空气量的8085，燃烧在燃料过浓的条件下进行；第二次供给的二段空气，约为理论空气量的2025，过量的空气与过浓燃料燃烧生成的烟气混合，完成整个燃烧过程。 原理：一段利用空气过剩系数控制；二段利用温度控制。 存在问题：二段空气分配不当，会使烟尘浓度和不完全燃烧的损失增加。2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 70北京化工大学低NOX燃烧器混合促进型改善燃料与空气的混合，缩短在高温区内的停留时间，同时可降低氧气剩余浓度需要精心设计自身再循环型利用空气抽力，将部分炉内烟气引入燃烧器内，进行再循环燃烧器结构复杂多股燃烧型用多只小火焰代替大火焰，增大火焰散热表面积，降低火焰温度，控制NOX生成量阶段燃烧型让燃料先进行过浓燃烧，然后送入余下空气，由于燃烧偏离理论当量比，可降低NOX浓度容易引起烟尘浓度增加喷水燃烧型让油、水从同一喷嘴喷入燃烧区，降低火焰中心高温区温度，以降低NOX浓度喷水量过多时，将产生燃烧不稳定2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 4 4低低NONOX X燃烧器燃烧器 71北京化工大学低NOX炉膛燃烧室大型化采用较低的热负荷，增大炉膛尺寸，降低火焰温度，控制温度型NOX炉膛体积增大分割燃烧室用双面露光水冷壁把大炉膛分成小炉膛，提高炉膛冷却能力，控制火焰温度，从而降低NOX浓度炉膛结构复杂，操作要求高切向燃烧法火焰靠近炉壁流动，冷却条件好，再加上燃料与空气混合较慢，火焰温度低，而且比较均匀，对控制温度型NOX十分有效2.2 固定源燃烧过程中大气污染物固定源燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制的生成机理及控制 5低低NOX炉膛炉膛72北京化工大学2.3.1 气体燃料的燃烧计算气体燃料的燃烧计算2.3.1.1 发热量发热量燃料发热量有高、低位之分。燃料发热量有高、低位之分。 高位发热量或高热值指燃料完全燃烧，并当高位发热量或高热值指燃料完全燃烧，并当燃烧产物中的水蒸汽包括燃料中所含水分生成燃烧产物中的水蒸汽包括燃料中所含水分生成的水蒸汽和燃料中氢燃烧生成的水蒸汽凝结为的水蒸汽和燃料中氢燃烧生成的水蒸汽凝结为水时的反响热。水时的反响热。低位发热量或低热值是燃料完全燃烧，其燃低位发热量或低热值是燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸汽仍以气态存在时的反响热。烧产物中的水蒸汽仍以气态存在时的反响热。因为当前各种炉、窑的排烟温度均远远超过水蒸因为当前各种炉、窑的排烟温度均远远超过水蒸汽的凝结温度，因此对能源转换设备大都按低位汽的凝结温度，因此对能源转换设备大都按低位发热量计算。发热量计算。2.3 燃烧计算73北京化工大学 可燃气体发热量可根据该气体燃烧反响热算得。 混合气体的发热量可直接用量热计测定，也可以由各单一气体的发热量按下式计算：式中 Q高位发热量或低位发热量(kJ/Nm3)； Qin种可燃气体中任一组分i的高位发热量或低位 发热量(kJ/Nm3)； 2.3 燃烧计算74北京化工大学2.3.1.2 理论空气量和实际空气量理论空气量和实际空气量1. 理论空气量理论空气量 理论空气量是指单位燃料气体燃料一般用理论空气量是指单位燃料气体燃料一般用1，固体，固体和液体燃料一般用和液体燃料一般用1kg按燃烧反响计量方程式，完全燃按燃烧反响计量方程式，完全燃烧所需的空气量。理论空气量是燃料完全燃烧所需的最烧所需的空气量。理论空气量是燃料完全燃烧所需的最小空气量。小空气量。 可燃气体的分子式用一般式可燃气体的分子式用一般式CxHyOz来表示。来表示。CxHyOz完全燃烧的反响式如下完全燃烧的反响式如下CxHyOz+(x+y/4-z/2)O2+3.76(x+y/4-z/2)N2 = xCO2+ y/2H2O + 3.76(xy/4-z/2)N2 2.3 燃烧计算75北京化工大学 假设燃料气中还有H2 S，其完全燃烧反响为H2 S1.5O2SO2H2O 那么1m3干燃料气(标准状态燃烧需要的理论氧量V0O2标准状态和理论空气量V0a 标准状态分别为 76北京化工大学2.3 燃烧计算2. 空气过剩系数与实际空气量 空气过剩系数是指实际空气量与理论空气量之比。 值与燃料的种类、燃烧方法、燃烧装置的构造、燃料和助燃空气的接触状态以及混合难易程度等因素有关。燃烧方法煤气烧嘴油烧嘴煤粉烧嘴移动炉栅手烧水平炉栅值1.11.21.21.41.21.41.31.61.52.077北京化工大学3. 3. 空燃比空燃比AFAF 燃烧也通常采用空燃比燃烧也通常采用空燃比A/FA/F这一术语，分为这一术语，分为理论空燃比和实际空燃比两种。理论空燃比是指单位质理论空燃比和实际空燃比两种。理论空燃比是指单位质量的燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧反响式量的燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧反响式计算得到。例如甲烷的理论计算得到。例如甲烷的理论A/FA/F为为17.217.2，汽油辛烷的，汽油辛烷的理论理论A/FA/F为为1515。2.3 燃烧计算78北京化工大学2.3.1.3 理论烟气量理论烟气量 理论烟气量是指供给理论空气量的情况下，理论烟气量是指供给理论空气量的情况下，燃料完全燃烧产生的烟气量。假设不考虑氮的氧燃料完全燃烧产生的烟气量。假设不考虑氮的氧化，那么理论烟气的组成是化，那么理论烟气的组成是CO2、SO2、N2和水和水蒸汽。前三种组分合起来称为干烟气，包括水汽蒸汽。前三种组分合起来称为干烟气，包括水汽在内时称为湿烟气。在内时称为湿烟气。2.3 燃烧计算 二氧化碳量 氢转化为水 燃料和空气含水 空气中氮气 燃料氮当空气过剩系数为时，那么完全燃烧产生的湿烟气体积为：干烟气体积为：79北京化工大学2.3.1.4 利用烟气分析数据计算过剩空气系数利用烟气分析数据计算过剩空气系数 燃料燃烧时，由于各种原因，实际的过剩空燃料燃烧时，由于各种原因，实际的过剩空气系数常与设计值不符。过剩空气量的大小直接气系数常与设计值不符。过剩空气量的大小直接影响其热效率。因此，必须经常根据奥氏烟气分影响其热效率。因此，必须经常根据奥氏烟气分析仪测定的烟气分析结果干烟气中析仪测定的烟气分析结果干烟气中CO2、SO2、O2和和CO的含量计算过剩空气系数，及时检查的含量计算过剩空气系数，及时检查和调节过剩空气量，使其符合燃烧过程的需要。和调节过剩空气量，使其符合燃烧过程的需要。2.3 燃烧计算80北京化工大学1.完全燃烧时的过剩空气系数2. 3.式中， 、 、 、 分别为干烟气中O2、SO2、CO2和N2的体积分数，均可由烟气成分分析而得。4. 2. 不完全燃烧时的过剩空气系数 5. 气体燃料在不完全燃烧时，干烟气的成分除了CO2、SO2和O2之外，还有CO、H2、CH4。与完全燃烧相比，消耗的氧量少。所以不完全燃烧时，烟气的含氧量就包括过剩空气的氧和由于不完全燃烧而未耗用的氧两局部。 2.3 燃烧计算81北京化工大学式中， 、 、 、 、 、 、 分别为干烟气中相应组分的体积分数。 2.3 燃烧计算82北京化工大学2.3 燃烧计算2.3.2 液体和固体燃料的燃烧计算液体和固体燃料的燃烧计算2.3.2.1 发热量发热量 液体和固体燃料的高位与低位发热量的换算可依照下式：假设燃料中氢和水的重量百分数，可采用下式计算低位发热量：83北京化工大学2.3.2.2 理论空气量和实际空气量理论空气量和实际空气量式中式中 ，WC、 WH 、 WS、 WO分别为燃料中分别为燃料中碳、氢、硫、氧元素的质量分数。碳、氢、硫、氧元素的质量分数。实际空气量实际空气量VNm3为为2.3 燃烧计算84北京化工大学例2-2 某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下按质量：C 88.3%，H 9.5%；S 1.6%，H2O 0.05%，灰分0.10%。求：燃烧1kg重油所需要的理论空气量。解： (1.8660.8835.5560.0950.6990.016)/0.21 10.41m32.3 燃烧计算85北京化工大学2.3.2.3 理论烟气量理论烟气量 理论烟气量等于理论烟气量等于1kg燃料完全燃烧生成的燃燃料完全燃烧生成的燃烧产物量，加上空气和燃料带入的水和氮的量。烧产物量，加上空气和燃料带入的水和氮的量。因此，理论湿烟气量因此，理论湿烟气量 Nm3为为式中，式中，Ww为燃料中水的质量分数。为燃料中水的质量分数。过剩空气系数为过剩空气系数为时，完全燃烧的湿烟气量时，完全燃烧的湿烟气量 2.3 燃烧计算86北京化工大学例2-3：某锅炉燃烧组成成分为C86、H11、S=3的燃料重油，经对烟气基于干烟气组分分析得知，其组成为CO2+SO213.0，O23.0，CO0。试求每燃烧1kg重油所需的理论空气量和排烟中SO2的浓度。解：燃烧1kg重油所需理论空气量A0为：2.3 燃烧计算87北京化工大学生成的干烟气中CO2+SO2量为：2.3 燃烧计算=1.63 m3/kgV CO2+SO2=1.866WC+0.699WS生成的干烟气量为：Vf =1.63/0.13=12.5 m3/kg88北京化工大学例例. . 燃料油的重量组成为：燃料油的重量组成为：C 86%C 86%，H 14%H 14%。在干。在干空气下燃烧，烟气分析结果基于干烟气为：空气下燃烧，烟气分析结果基于干烟气为：O2 1.5%O2 1.5%；CO 60010CO 600106 6体积分数。计算体积分数。计算燃烧过程的空气过剩系数。燃烧过程的空气过剩系数。89北京化工大学解：以解：以1kg油燃烧计算，油燃烧计算，C 860g 71.67mol； H 140g 140mol，耗氧，耗氧35mol。设生成设生成CO x mol，耗氧，耗氧0.5x mol，那么生成，那么生成CO2 71.67xmol，耗，耗氧氧71.67xmol。烟气中。烟气中O2量量总氧量总氧量 干空气中干空气中N2：O2体积比为体积比为3.76：1，那么含，那么含N2 3.76106.67+24.5x。根据干烟气量可列出如下方程：。根据干烟气量可列出如下方程：解得解得x=0.305例例. 燃料油的重量组成为：燃料油的重量组成为：C86%，H14%。在干空气下燃烧，烟。在干空气下燃烧，烟气分析结果基于干烟气为：气分析结果基于干烟气为：O21.5%；CO600106体体积分数。试计算燃烧过程的空气过剩系数。积分数。试计算燃烧过程的空气过剩系数。90北京化工大学故故CO2%：N2%：空气过剩系数空气过剩系数91北京化工大学补充：理论空气量和烟气量的近似计算 在缺乏燃料组分或元素分析数据，而又希望能快速算出燃烧某种燃料所必需的理论空气量和可能生成的烟气量时，可采用下述经验公式进行近似计算。理论空气量和烟气量与燃料的低位发热量有关。2.3 燃烧计算92北京化工大学2.3 燃烧计算表 理论空气量和烟气量与发热量的关系93北京化工大学2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制2.4.1 概述概述机动车行业开展迅速，机动车行业开展迅速，2003年，我国成为世界上年，我国成为世界上第四大汽车生产国和第三大消费国第四大汽车生产国和第三大消费国 ；2003年我年我国摩托车产量达国摩托车产量达1450万辆，居世界第一，保有万辆，居世界第一，保有量量5929万辆。万辆。由于以往的机动车排放标准比较宽松，控制技术由于以往的机动车排放标准比较宽松，控制技术相对落后，车辆的维修保养不好，因此，我国相对落后，车辆的维修保养不好，因此，我国大局部机动车的单车排放因子很大。另外，由大局部机动车的单车排放因子很大。另外，由于大多数城市交通道路系统不合理，车辆拥堵于大多数城市交通道路系统不合理，车辆拥堵频繁，使汽车处于频繁加、减、怠速状态，运频繁，使汽车处于频繁加、减、怠速状态，运行工况恶劣，这也导致汽车尾气排放的大幅度行工况恶劣，这也导致汽车尾气排放的大幅度增加。增加。 在很多大城市，机动车尾气已成为这些在很多大城市，机动车尾气已成为这些城市空气污染的第一大污染源。城市空气污染的第一大污染源。 94北京化工大学2.4.1.1 机动车的分类机动车的分类按其用途可分为轿车、客运车、货运车、农用车和摩托车等几类。根据其所用能源可分为汽油车、柴油车和清洁能源车等，其中后者目前所占比例极小。2.4.1.2 机动车大气污染源及其主要污染物机动车大气污染源及其主要污染物2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制排放源相对排放率/%COHCNOX碳烟颗粒尾气曲轴箱燃油系统98991205565251020989912010000表表2-12 机动车主要有害物质的排放源及其相对排放率机动车主要有害物质的排放源及其相对排放率95北京化工大学2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制污染物汽油机柴油机备注CO排放比例/%HC排放浓度/10-6NOX排放浓度/10-6PM排放量/g.km-1103000200040000.010.5500100040000.5汽油机约为柴油机的20倍以上汽油机约为柴油机的5倍以上两者大致相当柴油机为汽油机的50倍以上运转工况气体污染物排放比例/%COHCNOX怠速等速加速减速4.07.181.17.84.47.038.550.10.0510.689.30.1表表2-12 汽油车和柴油车的主要污染物排放情况汽油车和柴油车的主要污染物排放情况表表2-13 汽油车各种运转工况下气体污染物排放的体积分数汽油车各种运转工况下气体污染物排放的体积分数96北京化工大学2.4.2 汽油车的污染控制汽油车的污染控制污染源：污染源：汽油车的曲轴箱排气汽油车的曲轴箱排气 ，这局部排放约占汽油车，这局部排放约占汽油车HC总排量的总排量的25%。 汽油蒸发排放，约占汽油车汽油蒸发排放，约占汽油车HC总排放的总排放的20%。尾气尾气污染物主要为：污染物主要为：CO、HC、NOX三种三种 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制97北京化工大学2.4.2.1 汽油机的工作原理汽油机的工作原理通常使用的汽油发动机为火花点火的四冲程汽油机。 进气冲程 压缩冲程 作功冲程 排气冲程 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制98北京化工大学2.4.2.2 汽油车污染物的生成机理汽油车污染物的生成机理CO的生成机理的生成机理空燃比小于理论空燃比时，随着空燃比小于理论空燃比时，随着A/F的减小，的减小，CO浓度增大。浓度增大。混合气空燃比大于理论值时，由于各缸混合不一混合气空燃比大于理论值时，由于各缸混合不一定均匀，燃烧室各处的混合也不均匀，总会出现定均匀，燃烧室各处的混合也不均匀，总会出现局部的浓混合气，因此排气中仍会有少量局部的浓混合气，因此排气中仍会有少量CO产产生。生。由于燃烧后的高温，生成的由于燃烧后的高温，生成的CO2会有一小局部分会有一小局部分解成解成CO和和O2。而且，排气中的。而且，排气中的H2和未燃烃也可和未燃烃也可能将排气中的一局部能将排气中的一局部CO2复原为复原为CO。2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制99北京化工大学2HC的生成机理的生成机理1不完全燃烧：在以预混合气进行燃烧的汽油机中，不完全燃烧：在以预混合气进行燃烧的汽油机中，HC与与CO一样，也是不完全燃烧的产物。一样，也是不完全燃烧的产物。 2壁面淬熄效应：温度较低的燃烧室壁面对火焰迅速壁面淬熄效应：温度较低的燃烧室壁面对火焰迅速冷却也称激冷，使活化分子的能量被吸收，链冷却也称激冷，使活化分子的能量被吸收，链式反响中断，在壁面形成厚约式反响中断，在壁面形成厚约0.10.2mm左右的不左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量的未燃燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量的未燃HC。 3狭缝效应：生成狭缝效应：生成HC的最主要来源。的最主要来源。 4壁面油膜和积炭吸附壁面油膜和积炭吸附 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制100北京化工大学3NOX的生成机理的生成机理 汽油机燃烧过程中生成的NOX主要是NO，NO2量很少，对一般汽油机，NO/NOX90%99%。在汽油机产生NO的三个途径中，燃料型和快速型NO的生成量都很小，高温NO是其主要来源。 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制101北京化工大学汽油车大气污染物的生成控制汽油车大气污染物的生成控制1法规建设和实施法规建设和实施 2加强城市规划和交通管理加强城市规划和交通管理 3在用车排放污染的检测在用车排放污染的检测/维护维护I/M制度制度4燃料的改进和替代燃料的改进和替代汽油的改进汽油的改进清洁气体燃料清洁气体燃料清洁液体燃料清洁液体燃料氢燃料氢燃料新型动力汽车新型动力汽车2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制102北京化工大学5汽油机改进汽油机改进 汽油箱蒸气控制：采用密封式汽油箱蒸气控制装置。碳汽油箱蒸气控制：采用密封式汽油箱蒸气控制装置。碳罐吸收和储存蒸气，当发动机工作时，利用化油器的罐吸收和储存蒸气，当发动机工作时，利用化油器的真空将贮存的汽油蒸气吸入化油器，回收作燃料。真空将贮存的汽油蒸气吸入化油器，回收作燃料。 曲轴箱排气的回收：将抽出的气体引入发动机进气系统，曲轴箱排气的回收：将抽出的气体引入发动机进气系统，强制通风强制通风 。 汽油直接喷射技术：将汽油直接气化、雾化喷入发动机，汽油直接喷射技术：将汽油直接气化、雾化喷入发动机，目前我国生产的轿车，根本上采用了电喷系统。目前我国生产的轿车，根本上采用了电喷系统。 废气再循环废气再循环 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制103北京化工大学2.4.3 柴油车大气污染物的生成控制柴油车大气污染物的生成控制 由于柴油机使用的混合气空燃比大于理论空燃比，混合气的形成及燃烧方式与汽油机不同，因此排放特性与汽油机的不同。柴油机的CO和HC排放不到汽油机的十分之一，NOX总体排放略低于汽油机，但柴油机排放的颗粒物却是汽油机的几十倍。因而柴油机排放控制的重点是颗粒物和NOX。 柴油机的排放特性与燃烧室的形式有很大关系。 扩散型燃烧是柴油机燃烧的主要形式。 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制104北京化工大学2.4.3.1 柴油车污染物的生成机理柴油车污染物的生成机理柴油机气态污染物的生成机理柴油机气态污染物的生成机理1柴油机的喷注模型柴油机的喷注模型 喷入气缸内的油束称为喷注。喷入气缸内的油束称为喷注。 喷注的外形呈焰体状；喷注喷注的外形呈焰体状；喷注心部的油粒粗，速度高，越向外心部的油粒粗，速度高，越向外层，油粒越细，速度越低；在喷层，油粒越细，速度越低；在喷注的最外层和前端几乎为蒸气。注的最外层和前端几乎为蒸气。2喷注燃烧和气态污染物的生喷注燃烧和气态污染物的生成成 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制105北京化工大学2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制2柴油机颗粒物的生成机理柴油机排出的颗粒物一般是汽油机的3080倍，其直径大约在0.110m。 柴油机排出的颗粒物与汽油机不同，汽油机排放的颗粒物主要是含铅微粒和低分子量的物质；柴油机颗粒物是由碳烟DS、可溶性有机物SOF和硫酸盐三局部组成 。106北京化工大学 柴油机的排烟通常可分为白烟、蓝烟和黑烟三种。白烟是直径大于1m的微粒，一般出现在寒冷天气冷起动和怠速工况时。改善柴油机起动性能后，白烟可减少。 蓝烟是燃油或润滑油在几乎没有燃烧或局部燃烧而处于分解状态下，呈直径小于0.4m的液态微粒的排出物。通常发生在柴油机充分暖车之前，或在很小的负荷下运行时 。黑烟通常是在大负荷时产生的。燃油在高温缺氧的条件下，发生局部氧化、热裂解和脱氢，形成碳粒子，经碰撞凝聚而形成碳烟。 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制107北京化工大学2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制对过剩空气系数0.6的混合气，在1500K以上温度燃烧后必定产生碳烟，在16001700K范围内碳烟的生成量到达最大值。假设要使燃烧后的碳烟和NOX都很少，混合气的过剩空气系数应该在0.60.9之间。在实际中如何将过剩空气系数控制在该范围内，又保证完全燃烧，是一个很困难的技术课题。 108北京化工大学 在整个燃烧过程中，碳烟要经历生成和氧化两个阶段。加速碳烟氧化的措施，往往会引起NOX的增加，因此，为了同时降低NOX的排放，控制碳烟排放应着重控制碳烟的生成阶段。 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制109北京化工大学2.4.3.2 柴油车大气污染物的生成控制柴油车大气污染物的生成控制1燃料的改进和替代燃料的改进和替代 使用低硫或无硫柴油；采用单燃料液化石油气；使用低硫或无硫柴油；采用单燃料液化石油气；采用单燃料压缩天然气；采用柴油采用单燃料压缩天然气；采用柴油/压缩天然气压缩天然气双燃料；双燃料；采用清洁的液体燃料、氢燃料。采用清洁的液体燃料、氢燃料。2柴油机改进柴油机改进 改进进气系统；改进进气系统；改进喷油时间改进喷油时间 改进供油系统改进供油系统 废气再循环废气再循环 降低供油量降低供油量 2.4 机动车大气污染物的生成控制机动车大气污染物的生成控制110北京化工大学2.5 清洁生产清洁生产19791979年年4 4月欧洲共同体理事会宣布推行清洁生产的政策。同月欧洲共同体理事会宣布推行清洁生产的政策。同年年1111月在日内瓦举行的月在日内瓦举行的“在环境领域内进行国际合作的全欧在环境领域内进行国际合作的全欧高级会议上，通过了高级会议上，通过了? ?关于少废无废工艺和废物利用的宣关于少废无废工艺和废物利用的宣言言? ?。美国荷兰等国相继推出有关清洁生产的法案和研究方案。美国荷兰等国相继推出有关清洁生产的法案和研究方案。19891989年联合国环境规划署制订年联合国环境规划署制订? ?清洁生产方案清洁生产方案? ?，在全球推行，在全球推行清洁生产。清洁生产。19901990年年9 9月在英国坎特伯雷举办了月在英国坎特伯雷举办了“首届促进清洁生产研讨首届促进清洁生产研讨会。以后每两年举行一次，大力推进清洁生产。会。以后每两年举行一次，大力推进清洁生产。1. 清洁生产的由来与开展清洁生产的由来与开展111北京化工大学末端治理末端治理全过程控制全过程控制中国政府积极响应中国政府积极响应, ,于于19941994年提出了年提出了“中国中国2121世纪议程世纪议程, ,将清洁生产列为将清洁生产列为“重点工程之一。重点工程之一。20022002年年6 6月月2929日中国通过日中国通过? ?清洁生产促进法清洁生产促进法? ?，20032003年年1 1月月1 1日开始实施。日开始实施。112北京化工大学本法所称清洁生产，是指不断采取改进设计、使用清本法所称清洁生产，是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者防止生产、效劳和产品使用过程利用效率，减少或者防止生产、效劳和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。和环境的危害。 2. 2. 清洁生产的概念清洁生产的概念113北京化工大学3. 清洁生产的内容清洁生产的内容清洁的能源清洁的能源 清洁的生产过程清洁的生产过程 清洁的产品清洁的产品贯穿于清洁生产中的全过贯穿于清洁生产中的全过程控制程控制114北京化工大学清洁地利用化石燃料；清洁地利用化石燃料；加速以节能为重点的技术进步和技术改造，加速以节能为重点的技术进步和技术改造，提高能源利用率；提高能源利用率；加速开发水能资源，优先开展水利发电；加速开发水能资源，优先开展水利发电；开展核能发电；开展核能发电；开发利用太阳能、风能、地热能、海洋能、开发利用太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等可再生的新能源。生物质能等可再生的新能源。 清洁的能源清洁的能源115北京化工大学清洁的生产过程清洁的生产过程 尽量少用和不用有毒有害的原料；尽量少用和不用有毒有害的原料； 选用少废、无废工艺和高效设备；选用少废、无废工艺和高效设备； 减少生产过程中的各种危险性因素；减少生产过程中的各种危险性因素； 采用无毒、无害的中间产品；采用无毒、无害的中间产品； 物料实行再循环；物料实行再循环； 完善生产管理。完善生产管理。116北京化工大学清洁的产品清洁的产品节约原料和能源，少用昂贵和稀缺的原料，利用二次节约原料和能源，少用昂贵和稀缺的原料，利用二次资源作原料；资源作原料；产品在使用过程中以及使用后不含危害人体健康和生产品在使用过程中以及使用后不含危害人体健康和生态环境的因素；态环境的因素；易于回收、重复使用和再生；易于回收、重复使用和再生；合理的使用功能，以及具有节能节水降低噪声的功能；合理的使用功能，以及具有节能节水降低噪声的功能；合理的使用寿命；合理的使用寿命；合理的包装；合理的包装；产品报废后容易处理或容易降解。产品报废后容易处理或容易降解。 117北京化工大学生产原料物料转化的全过程控制，又称为产品的生命产品的生命周期的全过程控制周期的全过程控制。它是指从原材料的加工、提炼到产出产品、产品的使用直到报废处置的各个环节所采取的必要措施，来对污染的预防进行控制；生产组织的全过程控制，也即工业生产的全过程控制。它是指从产品的开发、规划、设计、建设到营运管理，采取必要的措施防止污染发生。贯穿于清洁生产中的全过程控制贯穿于清洁生产中的全过程控制118