燃烧学第八章燃烧污染物的生成和控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,燃 烧 学,第8章,燃烧污染物的生成和控制,8.1大气污染物,大气污染物质,大气的污染物主要有：,粉尘,SOx,F和HF,NOx,CO,H,2,S,CO,2,典型案例,最严重的一次毒雾(光化学烟雾)事件是发生在1952年12月5日早晨，伦敦上空受高气压的影响，地面处于无风状态，浓雾笼罩整个城市：由于在50150m高空出现逆温层，使得大量烟尘和二氧化硫等污染物被封闭在逆温层下，污染物不能得到扩散，造成了迅速地积累烟尘浓度高达4.5mg/m,3,，二氧化硫浓度高达3.8mg/m,3,，均超过平时的5倍以上。这次污染事件造成4000多人死亡，有更多市民患病。,粉尘,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。,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。,SO,2,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。,英国：每年由于Sox腐蚀造成的损失8亿美元之多。,NOx,构成：,硝酸,亚硝酸,NO、NO,2,、N,2,O、N,2,O,3,、N,2,O,4,N,2,O,5,NOx,NOx危害,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。,CO,无色无味，比O,2,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(,a,1)要低于500ppm。,F和HF,无色有臭味剧毒气体，毒性比SO,2,大20倍，空气中浓度达8ppm时对人即有伤害。,H,2,S,无色有臭味；,浓度达1.5mg/m,3,时可分辨出；,浓度为上述200倍时，可致神经麻痹。,CO,2,温室气体；,8.2 NOx的生成机理和控制,NOx生成机理,锅炉燃烧过程中，生成的NOx几乎全部是NO和NO,2,，称其为NOx。,NOx包括以下三种：,热力型,快速型,燃料型,NOx生成机理,热力型,空气中N,2,高温下氧化生成,快速型,碳氢化合物浓度过高时燃烧产生,燃料型,燃料中的N元素燃烧生成,NO,2,的光化学效应,在空气中的含量始终处在变动之中，既有日变化，又有季节变化。,在一天中，含量早上最高，黄昏次高，午后最低；在一年中，冬季高，夏季低。,氮氧化物的变动主要由于光化学作用，与阳光强弱密切相关。,温度型NOx,温度型NOx生成机理和控制原理,锅炉实际排放浓度数百至1000ppm,按理论燃烧温度下的平衡浓度计几千ppm,按排烟温度下的平衡浓度计缺乏1ppm,锅炉NOx生成量和中间过程有关，,需用化学动力学理论揭示,捷里道维奇机理,捷里道维奇机理推导,原子N的浓度甚低，较NO浓度低10,5,10,8,倍,假定：短时间内原子N的生成速度和消失速度到达平衡。,捷里道维奇机理推导,整理后得到：,NO,O,2,；,k,2,k,-1,；,k,-1,NO,k,2,O,2,简化后得到：,捷里道维奇机理推导,假设离解反响处于平衡状态：,捷里道维奇机理推导,根据实验结果整理得到：,式中：R通用气体常数，J/molK,O,2,N,2,NO,O,2,N,2,NO,的浓度，mol/cm,3,扩大的捷里道维奇机理,对于O2浓度大，燃料少的预混火焰，计算结果和实验结果相当一致；,当燃料过浓时，还需要考虑下面的反响：,温度型NOx影响因素,当O、CO很快到达平衡后，还没有N、NO生成。和其他成分相比，NO生成的相当晚，是在燃烧过程结束，其他成分生成后，在“火焰的反面生成。,NO生成的初期，NO生成速度和N生成速度相等，决定NO生成速度的因素是N的生成速度。,温度对温度型NOx的影响,当燃烧温度低于1500 时，温度型N0生成量极少。,当温度高于1500 时，随温度升高，反响速度根据阿累尼乌斯定律，按指数规律迅速增加。,实验说明，温度在 500附近变化时，温度每增大100，反响速度将增大67倍。,当温度为2000时，生成极为迅速。,温度的影响具有决定性的作用。,过量空气系数对NO生成的影响,NO的生成量在燃料过多时，随氧气浓度增大而成比例增大，在当量比略少于1时，生成量下降。,燃烧温度在当量比等于1附近出现最大值，相应的NO的生成速度也到达最大。在过量空气系数远离1时，生成速度将急剧降低。,温度、氧气浓度对NO的生成速度和生成量的这种影响是非常重要的。,控制温度型NOx生成量方法,降低燃烧温度水平；,降低氧气浓度；,使燃烧过程在远离化学当量比条件下进行；,缩短燃料在高温区停留时间。,快速型,NOx,快速型NOx生成机理,Fenimore根据碳氢燃料预泥火焰的轴向NO分布的实验结果，认为在反响区附近会快速生成NO，于是起名为“快速NO。,他指出“快速NO是先通过燃料产生CH原子团撞击N2分子，生成CN类化合物,快速型NO形成的主要反响途径,Miller等在1989年指出，“快速NO的形成与以下三个因素有关：,CH原子团的浓度及其形成过程；,N2分子反响生成氮化物的速率；,氮化物间相互转化率。,“快速NO形成的主要反响途径如下：,快速型NO形成的主要反响途径,由图可见，随燃烧温度上升，首先出现HCN，在火焰面内到达最高点后，在火焰面背后降低下去。在HCN浓度降低的同时，NO生成量就急剧上升；,此外，还发现在HCN浓度经最高点转入下降阶段时，有大量的NHi存在。这些胺化物NHi进一步氧化而生成NO。,燃料型NOx,燃料型NOx,燃料中假设含有氮的化合物，那么在燃烧过程中氮化合物将会变成NO。这种NO称为燃料NO。,相应的燃料中的N称为燃料N。,它的生成过程及生成特性均与来源于空气中氮气的NO不同，故应区别对待。,当燃料中含有多量的N时，燃料N支配着NO的总生成量。,液体和固体燃料中的含氮量,燃料,A重油,B重油,C重油,煤炭,含氮量,0.0050.08,0.080.4,0.080.4,0.52.5,液体燃料和固体燃料中含有许多N的有机化合物，如：喹啉C,2,H,5,N，吡啶C,9,H,7,N等。这些物质中的N以原子状态与各种碳氢化合物结合，与空气中的N,2,相比，其结合键能量小，约是N,2,的1/31/2,燃烧过程中容易释放出N，NH,i,等化学成分，这些成分即使在较低的温度下，也容易转化成NO。,燃料N的转变率,燃烧过程中，假设某一液体燃料中含有0.1(按重量比)的N，而且它全部转化成NO，那么烟气中NO的浓度将为150ppm，重油中燃料N最高含量为0.4ppm，那么烟气中NO的浓度将为600ppm。但是实际只有一局部燃料N能够转变成燃料型N0。两者之比称为燃料N向燃料型NO的转变率。,Turner等实验证明，转变率与所含氮的化合物种类无关成机理还不十分清楚。巳知的有两点：,1燃料N向燃料型No的转变率；,2燃料型No的转变率和氧气浓度的关系。,燃料N向燃料型NO的转变率,一般燃料N含量越多，转变率反而降低。,当燃料N含量n在0.1以下时，转变宰,a,在90以上；n在0.2左右时，转变率,a,为6070；n0.4时,n=4050；n再增大时。,转变率趋近于2532，产生所谓饱和现象。,燃料型NO转变率和燃料N含量关系,a,=100(1-4.58,n,+9.5,n,2,-6-67,n,3,),普通燃烧条件下，燃油锅炉中的转变率大多为3240,煤粉锅炉中燃料型,NO,的转变率较为复杂。某些实验指出，一般转变率为2025，高的也不过32,燃料型NO与过量空气系数关系,随过剩空气系数降低，燃料型NO的生成量一直降低，尤其当过剩空气系数,a,1.0时，其中生成量急剧降低。这是因为氮与碳、氢竞争氧气时，氮缺乏竞争能力，因而减少了NO的形成。,Turner等实验得到的燃料型NO与过量空气系数的关如下：,燃料NO的反响过程模式,氮化物向NO的转化取决于氮化物对NO的生成和分解反响的综合影响。氮化物在反响带分解，产生含有N原子的中间产物I，之后，I和含有O原子的化学成分R起反响生成NO，或者I与NO起反响使NO分解为N2，即反响按如下两条路线进行：,燃料NO的中温生成特性,Martine认为，这些中间产物I就是N，CN，HCN和NHi等化合物，反响中的含氧化合物R是O、O2和OH等。,I和R之间的反响与快速温度型帅反响式相同。不同之处是这些中间产物不是由燃料与空气中的氮反响而生成，而是燃料中含有原子氮的有机化合物直接分解而产生的。,燃料型NO受温度的影响很小。这是因为，燃料N的分解温度低于现有燃烧设备中的燃烧温度。NHi向NO的转变率在温度为7001100C的范围内最高。而超过900C时，将急剧降低。认为燃料型NO具有中温生成特性，是在经过600800C的生成带时生成而保存下来的。现有燃烧设备中的燃烧温度都在1200C以上。所以温度的影响很小。,控制燃料型NO生成的方法,燃用燃料N含量低的燃料；,采用燃料过浓燃烧；,扩散燃烧时，抑制燃料与空气的混合。,NOx生成控制技术,控制NOx生成的方法,燃料脱氮技术；,纯氧燃烧技术；,低NOx燃烧技术；,尾部脱硝技术。,