1、,第八章 燃料燃烧的污染及防治,第一节 燃烧过程中产生的主要污染物,燃烧产物与温度的关系,烟尘 SOx NOx CO2 CO H2S 噪声,1、烟尘 降尘和飘尘 直径10微米，容易沉降降尘； 直径10微米，不宜沉降，易进入人体飘尘； 小于5微米的飘尘将进入肺泡，并进入血液循环系统，导致癌症。城市中癌症发病率高于农村13倍。,2、SOx 一种无色有臭味的窒息性气体。单独存在时刺激粘膜，引起呼吸道疾病，更多与飘尘结合在一起，进入人体肺部，引起各种恶性疾病。 在湿度较大的空气中，可形成硫酸烟雾，毒性比本身达10倍。 SO2为8ppm时，人体感到难受； 硫酸烟雾浓度不到0.8ppm时，人就忍受不住。,
2、3、NOx 构成： 硝酸；亚硝酸；NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5NOx溶于水，形成硝酸雨，危害作物； 与动物血液中的血红蛋白结合，造成血液缺氧，引起中枢神经系统麻痹。与血红蛋白的亲和能力为CO的数百1000倍。 最低致死量100ppm 经紫外线照射，与汽车尾气中的碳氢化合物结合，生成一种浅蓝色光化学烟雾，具有强烈刺激性，可致癌。,4、CO 无色无味，比O2与血红蛋白的亲和力高300倍，最低致癌浓度2000ppm。 燃气灶具规定烟气中一氧化碳含量(1)要低于500ppm。 5、H2S 无色有臭味； 浓度达1.5mg/m3时可分辨出； 浓度为上述200倍时，可致神经麻痹。 6、
3、CO2 温室气体。 7、噪声对人、动物、仪器仪表以及建筑物均构成危害。,燃料燃烧时生成的烟尘，按其生成机理可分为气相析出型、剩余型烟尘和粉尘三种：（1）气相析出型,气相析出型的烟尘来源于气体燃料、已蒸发的液体燃料气和固体燃料的挥发分气体，在空气不足的高温条件下热分解所生成的固体烟尘。粒径很小，一般在0.02-0.05m范围内。火焰中含有这种炭黑后，辐射力增强，发出亮光，形成发光焰，由于其粒子细，容易粘附于物体而难于清除。研究表明，气相析出型烟尘是经过一系列氢聚合反应面生成的。,一、 烟尘,第二节 污染物的形成与防治,1、 烟尘的形成,甲烷在缺氧条件下进行热分解：,乙烷的热分解：,一次反应：,二
4、次反应：,500： 9001100：,（2）剩余型烟尘,液体燃料燃烧时剩余下来的固体颗粒，它是由重质油雾化滴在高温下蒸发产生蒸汽的同时，发生聚缩反应，一面激烈地发泡，一面固化，从而生成絮状空心微珠，通常称之为油灰或烟炱，油灰粒径较大，约100-300m。积炭也是剩余型烟尘的一种，它是重质油滴附着在喷口、炉壁上，并在炉内高温加热气化而残留下来的固体残渣，它的颗粒较大，形状不定。,（3）粉尘,粉尘是固体燃料燃烧时产生的飞灰，其主要成分是碳和灰，固体燃料在燃烧之后，一部分变成炉渣，一部分以飞灰形式排入大气中。以煤粉炉为例，有85-95%的灰分以飞灰排入大气。,2、影响烟尘生成的因素,（1）燃料种类的
5、影响 对碳氢化合物燃料而言 C/H越大，产生炭黑数量越多； 碳原子数越多就越容易产生炭黑； 液体燃料的残碳含量越多，产生碳黑就越大； 挥发分多的煤，其炭黑生成量要比挥发分少的煤多得多，但煤燃烧时产生的烟尘主要以飞灰形式出现。,（2）氧气浓度和过剩空气系数的影响,碳黑是在富燃缺氧条件下产生，因此如果碳氢化合物燃烧与足够的氧气充分混合，能防止碳黑产生，防止产生烟尘所需要的氧气量，随着燃烧种类而异。,（3）燃料粒径的影响燃料粒径大，其燃烬时间也长，因而在炉内有限的停留时间内燃料滴不易燃尽，使烟尘浓度急剧增加。而且燃料滴粒径大，所生成的空心微珠也大，当燃料滴碰到炉壁时，如果炉壁温度低，则燃料滴焦化成炭
6、块，它们可能会脱落而随烟尘排入大气中，使烟尘浓度增加。,（4）温度与燃烧时间的影响炉内温度越高，燃烧时间越长，产生烟尘越少。温度越高，燃烧时间越长，直径小的炭黑、炭和飞灰可以燃烬。,（5）惰性气体的影响空气加入惰性气体时，碳黑浓度降低，如加入CO2效果较好。,3、控制烟尘的措施,（1）改进燃烧方式及改善燃烧过程,a. 供给足够的空气，而燃烧温度又不能太低选用合适的燃烧空气量十分重要，一般都采用过剩空气尽可能少的情况下进行燃烧。 b. 燃料和空气要在燃烧室内良好混合燃料与空气的良好混合，是组织燃烧非常关键的一个环节，因此必须掌握好空气流动、燃料喷雾特性，使送风方式和燃料的供给相搭配，燃料和空气能
7、充分地接触和混合。 c. 提高燃烧室温度提高燃烧温度对防止产生炭黑有显著的效果。从炭黑反应速度可知，温度从1200时烧掉炭黑需要0.1S，则在1600时只需不到0.01S就可以了。因此，预热空气、保持炉膛温度，保证有足够的燃烧时间与空间，都可以减少炭黑的生成。,（2）加装除尘装置,应根据尘粒的性质、烟气的性质、除尘的工作特性以及其通用范围来进行，在能满足排烟标准的前提下，应尽量选用阻力小的除尘设备，以免安装风机，节约费用。,二、 SOx,1、SOx的生成机理,空气中的硫氧化物主要来源于含硫燃料的燃烧。燃料中的硫，除少量非燃烧性硫(510%)残留在灰分中外，绝大部分都氧化成SO2。不过即使空气过
8、量，也只有0.52%的SO2转化成SO3。煤炭中的可燃硫有两种：有机硫：硫茂、硫醇和二硫化物无机硫：FeS2有机硫构成煤分子的一部分，在煤中均匀分布，而无机硫颗粒尺寸较小，在煤中通常呈独立相弥散分布。低硫煤中主要是有机硫，约为无机硫的8倍；高硫煤中主要是无机硫，约为有机硫的3倍。,煤受热后分解时，煤中有机硫和无机硫同时被挥发出来，结合松散的有机硫在低温（700K）下分解，结合紧密的有机硫在较高温度（800K）下分解释出，遇氧全部氧化成SO2，在还原性气氛下，挥发分主要气体H2S反应路线为：,无机硫的分解速度很慢，在还原性气氛和温度800K以及足够停留时间的条件下，无机硫将分解成FeS、S2和H
9、2S，其中FeS必须在更高温度（1700K）和更长时间下才能分解成Fe、S2等，并氧化成SO2，在氧化气氛下，FeS2直接生成SO2：,（1）在火焰高温区内：,火焰温度越高，氧原子浓度越大，则SO3生成量越大,（2）受热面积上灰和氧化膜的催化作用：,SO3除了从SO2与O2直接反应生成外，还可由下列两个途径产生：,2、影响SOx生成量的主要因素,（1）燃料中含硫量越多，SO2和SO3生成量也越多； （2）过剩空气系数越大，SO3生成量也越多； （3）火焰区温度高，氧分子离解成氧原子多，因而SO3生成量也多。,（1）燃料脱硫 a. 物理净化法通过煤的粉碎，使非化学键结合的不纯物质与煤脱离，利用F
10、eS2的密度与煤密度的相差，用水洗除FeS2，也可利用二者表面润湿、磁性或导电性不同加以分离。此法不能除去有机硫 b. 化学净化法如用碱液浸煤后通过微波照射，使有机硫和黄铁矿的化学键被微波打断，生成硫化氢，它与碱反应而被去除。可除去90%的无机硫和70%有机硫。 c. 煤的气化将煤进行气化，使煤中硫转变成H2S，然后再将其去除。,3、SOx的抑制技术,SOx的抑制技术有：燃料脱硫；炉内固硫；烟气脱硫,（2）炉内固硫喷钙脱硫：先将脱硫剂破碎成一定粒度，然后送入炉膛，在温度800-1000范围下脱硫剂受热分解，把燃烧过程中产生的部分SO2固化：,脱硫剂分解：,硫化反应：,再生反应：,（3）烟气脱硫
11、,烟气脱硫是目前防止SOx污染大气的有效方法。烟气脱硫的技术基础主要是由于很多金属氧化物（如碱金属、碱土金属、金属氧化物）以及活性炭具有吸附或吸收SO2能力。把这些金属氧化物作为吸收剂吸收SO2后生成中间产物，再将含硫中间产物进行再生，再生后的吸收剂可循环使用，再生过程中释放出的SO2可做成硫制品加以利用。,a. 湿法烟气脱硫； b. 再生洗涤烟气脱硫； c. 烟气同时脱流脱硝技术。,a. 湿法烟气脱硫,可固结95%SO2以及90%的氯化物和氟化物,b. 再生洗涤烟气脱硫,使用来硫酸钠为吸收剂，在预先洗涤操作中除去灰尘和HCl后在吸收装置里洗涤SO2并形成硫酸氢钠，在再生装置中热力分解硫酸氢钠
12、，产生的SO2可加工成液态的SO2、硫酸钠和元素硫。,c. 烟气同时脱流脱硝技术,活性炭吸附NH3法来同时脱硫脱硝，在温度为80-130下用活性炭作SO2的吸收剂，把吸收了SO2的活性炭进行再分解，并进一步处理成硫酸和元素硫。,1、NO的生成机理,燃烧过程中所产生的氮的氧化物：,NO（占95%）,NO2（占5%）,（1）燃烧所用的空气中氮（分子氮）的氧化；（大多数燃烧装置中，这是NO的主要来源）。 （2）燃料中含氮化合物（燃料氮）在火焰中热分解后再氧化（在烧原油或煤的燃烧装置中，燃料氮是NO的主要来源）。 （3）燃烧生成NO按来源不同可分为：,热力NO 瞬发NO 燃料NO,三、NOx,a. 热
13、力NO：,燃烧所用的空气中氮高温氧化生成NO，称为热力NO，它的生成机理（链锁反应）是Zeldovich于1946年提出的：, Zedovich热力NO生成率，与贫燃料预混火焰的实验结果吻合。,Fenimore指出富燃料燃烧还与下列反应有关：,热力NO排放量与反应温度的关系,限制热力NO的生成，主要是降低温度，具体措施可归纳为： （1）降低燃烧温度，避免局部高温； （2）降低氧气浓度； （3）缩短在高温区的停留时间； （4）在偏离1的条件下进行燃烧；,b. 瞬发NO：,燃烧时燃料中碳氢化合物分解生成的CH和C等原子团，与空气中N2进行反应而生成氰化物：,氰化物生成反应活化能小，反应快，氰化物又
14、与火焰中大量的O、OH等原子团生成NO：,研究表明，在火焰中不仅有HCN等存在，而且还有胺化物（NH、NH2、NH3）存在，同样与OH、N等原子团反应生成NO：,瞬发NO生成与下列三个因素有关：,（a）CH原子团的浓度及其形成过程 （b）N2分子反应生成氮化物的速率与下列反应有关：,（c）氮化物间相互转化率,此反应对NO的生成起重要作用（富燃料及贫燃料），可以认为：,瞬发NO形成的主要途径：,在温度T2000K时，NO生成率主要取决于CHN2反应，即瞬发NO，随着温度增加，瞬发NO比例减小，热力NO增加，当T2500K时，NO生成主要按Zeldovich的热力NO生机理控制。,大气压力下甲烷与
15、空气预混火焰中NO的生成,c. 燃料NO：,试验表明：燃烧装置中所用的燃料含有氮化合物时，排出燃气中含有大量的NO，且随着燃料中N含量增加而增加。燃料中N与各种碳氢化合物结合成环状或链状化合物，与空气中N相比，其结合键较小，燃烧时易分解生成低分子含氮化合物，氧化后生成NO,不同燃料中含氮量,燃料NO的形成途径：,影响燃料NO的因素：,（a）燃料含N量的影响：,实际燃烧过程中只有部分燃料N转化为NO，实际生成NO与全部燃料N之比称为燃料N转换率，影响燃料N转换率的因素：,当1.3时，NO随着燃料N含量增加而增加，但 却下降。,当0.8时，NO随着燃料N含量增加先增加后饱和，而 下降。,（b）过剩
16、空气系数的影响：,（c）燃烧温度的影响：,试验结果表明，燃料NO与热力NO不同，它受温度影响较小，这是因为燃料中N的热分解温度比火焰温度低，当燃烧达到分解温度而进行分解，生成NO与火焰温度关系不大。,燃烧生成的NO可与与含氮原子中间产物反应使NO还原成N2，也可以与各种含氮化合物或氧化物反应生成NO2，如在火焰面附近存在下列反应：,另外在燃烧区由于氧原子增加，NO2又转变成NO，导致NO2含量较少：,2、NO2的生成机理,3、降低NOx的燃烧技术,主要途径：,（1）选用N含量较低的燃料，包括燃料脱氮和转变成低氮燃料； （2）降低过剩空气系数，组织过浓燃烧，以降低燃料周围氧浓度； （3）在过剩空
17、气的条件下，降低温度峰值以减少热力NO； （4）在氧浓度较低情况下，增加可燃物在火焰前锋和反应区中的停留时间。,减少Nox的形成和排放的具体方法为：分级燃烧、再燃烧法、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧和烟气再循环等。,（1）分级燃烧,将燃烧所需的空气量分成两级送入，一级空气所用的过剩空气系数：气体燃料0.7，油0.8，煤0.80.9，其余空气在燃烧器附近适当位置送入，使燃烧分两级完成。,a. 一级燃烧区：,燃料在过浓情况下燃烧，因缺氧富燃料使得燃烧速度和温度降低，从而抑制了挥发分燃烧生成的热力NO。另外燃烧生成CO与NO还原反应及燃料中N分解成中间产物相互复合作用或与NO还原分解，从而抑制了燃料NO的生
18、成：,b. 二级燃烧区：,贫燃料燃烧区，因空气量多，一些中间产物氧化生成NO：,但因火焰温度低，NO生成量不大，最终二级燃烧可使NOx生成量降低（30-40%）。,分级燃烧室：,分级燃烧需注意的问题：,（1）一次空气量与二次空气量比例应合适； （2）二次风送入位置适当。,（2）再燃烧室法（对燃料分级）,分为三个区：主燃区、再燃烧区及燃尽区,主燃区：在燃烧室下部，送入（80-85%）燃烧并以正常过剩空气系数1.05配置燃烧，生成NO、CO、H2O、SO2、O2和灰分。 再燃烧区：主燃区上部，把其余（15-20%）燃料作为二次燃料喷入。此区在还原气氛下进行，生成CH基团并把一次燃烧区中70-90%
19、的NO还原成N2，或形成中间产物HCN、CN、NHi等基团。 燃尽区：把燃烧所需其余作为二次空气送入，在该区把残余的燃料烧完，同时将残留的HCN、CN等部分氧化成NO，部分还原成N2。,（3）低氧燃烧,一般用于扩散燃烧，要求炉内燃烧反应在尽可能接近理论空气条件下进行，可在一定程度上限制反应区氧气量对热力NO和燃料NO有一定的抑制作用。,（4）浓淡燃烧技术,应用于两个燃烧器以上的锅炉，使部分燃烧器贫燃料燃烧，另一部分燃烧器富燃料燃烧，由于两者都偏离了理论空气比，因此燃烧温度降低，较好的抵制NO的生成。,（5）烟气再循环法,四、 噪声,1、 燃烧噪声的来源 （1）火焰噪声； （2）振荡燃烧噪声； （3）风机噪声。 2、燃烧噪声的控制 （1）减小湍流火焰噪声； （2）减小燃烧系统中有关设备的噪声； （3）设置隔声装置； （4）使用吸声材料； （5）安装消声器。,
