_燃烧过程中污染物的形成与控制

1、燃烧过程中气态污染物的形成与控制The formation and control of the combustion process of gaseous pollutants基本定义 燃烧（burning）是一种放热发光的化学反应，其反应过程极其复杂，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中发生的物理现象。发生燃烧必须具备的三个条件，可燃物、助燃物（氧化剂）、燃烧点。 气态污染物（ Gaseous pollutants ）是在常态、常压下以分子状态存在的污染物。气态污染物包括气体和蒸汽。常见的气体污染物有：CO、SO2、NO2、NH3、H2S等。 燃烧中的产生污染物的原因是可燃

2、物与助燃剂或可燃物本身在高温下发生的化学反应。在燃烧过程中产生的气态污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物和有机化合物等；目录污染物的排放及危害污染物的排放及危害Emissions and hazardous pollutants污染物的形成与控制污染物的形成与控制 Formation and Control of Pollutants我国目前的现状与解决思路我国目前的现状与解决思路Chinas current status quo and SolutionsBackgroundContentExpand粉尘的危害对人体的危害粉尘对五官、皮肤的刺激作用引发炎症有毒粉尘（铅、珅、汞等）引起中毒

3、各类粉尘进入肺部引起尘肺病对生产的危害粉尘降低产品质量降低机器工作精度降低光照和能见度、诱发事故对环境的污染污染物的排放及危害污染物的排放及危害粉尘与气溶胶粉尘与气溶胶Emissions and hazardous pollutantsDust and aerosolsBackground污染物的排放及危害污染物的排放及危害二氧化硫与酸雨二氧化硫与酸雨Emissions and hazardous pollutantsSulfur dioxide and acid rainBackgroundSO2气相SO3H2O分子（凝聚H2SO4（雾）H2SO3氧化固相SO3H2O雾 煤中通常含有1%左右

4、的硫，每燃烧1t煤，就会产生20kg左右的硫氧化物，其中大部分是SO2。当SO2的日均浓度达到3.5mg/m3时，会使人们的呼吸系统、心血管系统的发病率和死亡率显著增加。历史上曾发生多起污染事件，如1948年美国多诺拉镇由于工厂排放的二氧化硫等有害气体大量积累使6000余人受害，我国重庆市肺癌死亡率逐年上升也与二氧化硫污染密切相关。污染物的排放及危害污染物的排放及危害氮氧化物与光化学烟雾氮氧化物与光化学烟雾Emissions and hazardous pollutantsNitrogen oxides and photochemical smogBackground 氮氧化物可刺激肺部，亚硝

5、酸进入人体生成强致癌物亚硝酸氨，也可与人体血液中的血红蛋白结合，生成正铁血红蛋白造成缺氧。 NOx还可以因飞行器在平流层中排放而积累，打破O3平衡，导致O3层的耗损。 氮氧化物与碳氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾,称为光化学烟雾.光化学烟雾具有特殊气味,刺激眼睛,伤害植物,并能使大气能见度降低污染物的排放及危害污染物的排放及危害二氧化碳与温室效应二氧化碳与温室效应Emissions and hazardous pollutantsCarbon dioxide and the greenhouse effectBackground污染物的排放及危害污染物的排放及危害重金属重金属Emis

6、sions and hazardous pollutantsHeavy metalBackground汞、砷、铅等重金属在高温下一部分以气态形式存在，一部分氧化后吸附在烟气的颗粒物上，排入大气中。重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除。而重金属具有富集性，不能被生物分解且能在生物体内富集或形成毒性更强的化合物，通过食物链最终对人体造成危害。危害程度取决于其在环境、食品和生物体中存在的浓度和化学形态。污染物的排放及危害污染物的排放及危害氟、氯等无机污染物氟、氯等无机污染物Emissions and hazardous

7、pollutantsFluorine, chlorine and other inorganic contaminantsBackground煤中存在几乎元素周期表中所示的所有元素，有很多元素虽然数量很小，但由于毒性大，对生态环境和人类健康产生巨大影响，例如氟、氯等无机污染物。低浓度氟中毒主要表现为氟斑牙，高浓度则刺激皮肤和粘膜，引起皮肤灼伤、皮炎、呼吸道炎症，引起物质代谢紊乱等。氯在燃烧过程中以HCl形式释放，当超过一定浓度就会腐蚀设备，产生结皮和堵塞现象，并促进氮氧化物的形成。HCl能腐蚀皮肤和粘膜，致使声音嘶哑，鼻粘膜溃疡，眼角膜浑浊、咳嗽直至咳血等。污染物的排放及危害污染物的排放及危害

8、有机污染物有机污染物Emissions and hazardous pollutantsOrganic PollutantsBackground 化石燃料燃烧除了排放大量烟尘颗粒及上述污染物之外，还有相当浓度的有机污染物，如多环芳烃（PAHs），苯系物、脂环烃及直链烃、二噁英类物质。 有机污染物种类多，毒性复杂。一些多环芳烃有强烈的致癌、致畸特性。此外，有机化合物进入大气后，有些烃类参与大气光化学烟雾的形成过程，有些作为臭氧的前体物破坏臭氧层，引起紫外辐射增多和地球升温。目录污染物的排放及危害污染物的排放及危害Emissions and hazardous pollutants污染物的形成与控

9、制污染物的形成与控制 Formation and Control of Pollutants我国目前的现状与解决思路我国目前的现状与解决思路Chinas current status quo and SolutionsBackgroundContentExpand气态污染物控制的方法和设备主要有两大类气态污染物控制的方法和设备主要有两大类: : 分离法：分离法：是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使污染物从废气中分离出来，如：污染物从废气中分离出来，如：吸收吸收吸吸 附附冷冷 凝凝催化转化催化转化膜分离膜分离 转化法：转化法：是使废气中污染

10、物发生某些化学反应，把污染物转化是使废气中污染物发生某些化学反应，把污染物转化成无害物质或易于分离的物质，如：成无害物质或易于分离的物质，如：燃烧法燃烧法生物处理法生物处理法电子束法电子束法污染物的形成与控制污染物的形成与控制控制方法控制方法Formation and Control of PollutantsMethodContent污染物的形成与控制污染物的形成与控制控制方法控制方法Formation and Control of PollutantsMethodContent吸收净化吸收净化 吸收是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中的溶解度不同，或吸收是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中

11、的溶解度不同，或者与吸收剂发生选择性化学反应，从而将有害组分从气流中分离出来者与吸收剂发生选择性化学反应，从而将有害组分从气流中分离出来的过程。的过程。捕集效率高、设备简单、一次性投资低。捕集效率高、设备简单、一次性投资低。广泛地用于气态污染物的处理，例如：广泛地用于气态污染物的处理，例如：SO2、H2S、HF、NOx等。等。吸附净化吸附净化 使气体混合物与适当的多孔性固体接触，利用固体表面存在的未使气体混合物与适当的多孔性固体接触，利用固体表面存在的未平衡的分子引力或化学键力，把混合物中某一组分或某些组分吸留在平衡的分子引力或化学键力，把混合物中某一组分或某些组分吸留在固体表面上，达到气体混

12、合物分离的目的。固体表面上，达到气体混合物分离的目的。物理吸收物理吸收；化学吸收化学吸收。 效率高，能回收有用组分，设备简单，操作方便，易于实现自动效率高，能回收有用组分，设备简单，操作方便，易于实现自动控制。控制。 已广泛地应用于化工、冶金、石油、食品、轻工及高纯气体的制已广泛地应用于化工、冶金、石油、食品、轻工及高纯气体的制备等部门。备等部门。污染物的形成与控制污染物的形成与控制控制方法控制方法Formation and Control of PollutantsMethodContent 冷凝法是利用气态污染物在不同温度及压力下具有不同的饱和蒸冷凝法是利用气态污染物在不同温度及压力下具有

13、不同的饱和蒸汽压，在降低温度和加大压力下，某些污染物凝结出来，以达到净化汽压，在降低温度和加大压力下，某些污染物凝结出来，以达到净化或回收的目的。或回收的目的。膜分离法膜分离法 使气体混合物在压力梯度作用下，透过特定薄膜，因不同气体具使气体混合物在压力梯度作用下，透过特定薄膜，因不同气体具有不同的透过速度，从而使气体混合物中不同组分达到分离的效果。有不同的透过速度，从而使气体混合物中不同组分达到分离的效果。 过程简单，控制方便，操作弹性大，能在常温下工作。过程简单，控制方便，操作弹性大，能在常温下工作。 目前已用于石油化工、合成氨气中回收氢、天然气体净化、空气目前已用于石油化工、合成氨气中回收

14、氢、天然气体净化、空气中氧的富集、以及中氧的富集、以及COCO2 2的去除与回收等。的去除与回收等。接触冷凝接触冷凝表面冷凝表面冷凝 特别适用于处理废气度在特别适用于处理废气度在10000ppm以上的有机溶剂蒸汽，常作以上的有机溶剂蒸汽，常作为吸附、燃烧等净化高浓度废气的前处理为吸附、燃烧等净化高浓度废气的前处理 。 冷凝净化冷凝净化污染物的形成与控制污染物的形成与控制控制方法控制方法Formation and Control of PollutantsMethodContent催化转化催化转化 使气态污染物通过催化剂床层，经历催化反应，转化为无害物质使气态污染物通过催化剂床层，经历催化反应，

15、转化为无害物质或易于处理和回收利用的物质。或易于处理和回收利用的物质。 如：可以用催化氧化法将如：可以用催化氧化法将SOSO2 2转化为转化为SOSO3 3以回收硫酸；以回收硫酸； SOSO2 2和和NONOx x均均可以用催化还原法净化。可以用催化还原法净化。 净化效率较高，在净化过程中可直接将主气流中的有害物转化为净化效率较高，在净化过程中可直接将主气流中的有害物转化为无害物，避免了二次污染；但催化剂价格高，操作要求高，难以回收无害物，避免了二次污染；但催化剂价格高，操作要求高，难以回收有用物质。有用物质。燃烧法燃烧法 利用氧化燃烧或高温分解的原理把有害气体转化为无害物质的方利用氧化燃烧或

16、高温分解的原理把有害气体转化为无害物质的方法。该方法可回收燃烧后产物或燃烧过程中的热量。法。该方法可回收燃烧后产物或燃烧过程中的热量。直接燃烧直接燃烧热力燃烧热力燃烧催化燃烧催化燃烧污染物的形成与控制污染物的形成与控制控制方法控制方法Formation and Control of PollutantsMethodContent生物处理法生物处理法 利用微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分的特性，利用微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分的特性，经代谢降解，转化为简单的无机物（经代谢降解，转化为简单的无机物（HO2和和CO2）或细胞组成物质。）或细胞组成物质。电子束照射法

17、电子束照射法 温度为温度为150150度的排放气体通过冷却装置冷却至度的排放气体通过冷却装置冷却至7070度，根据气体中二氧度，根据气体中二氧化硫和氮氧化物的浓度加入氨量，然后将含有氨的混合气体导入反应器，化硫和氮氧化物的浓度加入氨量，然后将含有氨的混合气体导入反应器，在电子束照射下，转化为硫酸铵，和硝酸在电子束照射下，转化为硫酸铵，和硝酸- -硫酸铵分离，回收作为肥料，硫酸铵分离，回收作为肥料， 可用于脱除硫氧化物、氮氧化物。可用于脱除硫氧化物、氮氧化物。na.煤炭nb.石油nc.天然气及油田伴生天然气（含硫主要是硫化氢H2S）污染物的形成与控制污染物的形成与控制硫氧化物硫氧化物Format

18、ion and Control of PollutantsSulfur oxidesContent类型类型煤中含硫组成或含硫官能团煤中含硫组成或含硫官能团燃烧性质燃烧性质备注备注无机硫硫铁矿FeS2元素硫S2硫酸盐：石膏CaSO4*2H2O绿矾FeSO4*7H2O可燃烧可燃烧不燃烧可洗选脱硫有机硫硫醇类RSH硫醚类RSR二硫化物RSSR均可燃烧硫与碳、氢结合成化合物，且在煤中分布均匀，洗选不能脱除原油中的含硫化合物及官能团原油中的含硫化合物及官能团备注备注硫化氢H2S硫醇类RSH硫醚类RSR硫酚类二硫化物RSSR多存在于低沸点馏分中，具有难闻的臭味含量较多，分布随沸点上升而增加，高沸点馏分中可

19、占总硫量的70%在油中易变质生胶较集中于高沸点馏分，热稳定性较差，高于200开始分解为硫醇、硫醚及H2S等n正常条件下，空气过剩系数高于1.1，可燃硫化物虽然形成一些中间产物，但最后生成SO2，由于O2的过量，约有0.5%-5%的SO2进一步氧化成SO3。na.二氧化硫的形成n燃料中的可燃硫完全燃烧时，其原则反应式如下n S+ O2 SO2n产生的SO2的量计算为nGSO2=2BSnGSO2SO2产生量nB 消耗的燃料量nS燃料中全硫含量的百分比n全硫中可燃硫占的百分比（煤炭一般为60%-90%，石油天然气可视为1）nb.三氧化硫的形成nO2 2OnSO2+O SO3污染物的形成与控制污染物的

20、形成与控制硫氧化物（形成机理）硫氧化物（形成机理）Formation and Control of PollutantsSulfur oxides（ Formation Mechanism ）Contentna.烟气脱硫nb.燃料脱硫n 煤炭中的无机硫通过粉碎浮选等方式；有机硫则通过气化和液化 n重油通过催化加氢的方法脱硫污染物的形成与控制污染物的形成与控制硫氧化物（控制措施）硫氧化物（控制措施）Formation and Control of PollutantsSulfur oxides（ Control Measures ）Content方法方法操作原理操作原理产物产物湿法抛弃流程石灰/

21、石灰石法双碱法加镁的石灰/石灰石法利用化学吸收原理，产物抛弃CaCO3/CaO浆液吸收Na2SO3溶液吸收，CaCO3/CaO再生MgSO2溶液吸收，CaCO3/CaO再生CaSO3/CaSO4CaSO3/CaSO4CaSO3/CaSO4湿法回收流程氨法钠碱法氧化镁法碱式硫酸铝法液相催化氧化法利用化学吸收；再生吸收液；产品回收氨水吸收Na2SO3溶液吸收Mg(OH)2浆液吸收Al2(SO4)3*Al2O3溶液吸收在溶液中SO2催化转化为SO3再转化为硫酸(NH4)2SO4、石膏、硫磺Na2SO3、SO2SO2SO2、CaSO4稀硫酸、CaSO4干法流程活性炭吸附法喷雾干燥法催化氧化法吸附、吸收

22、或催化氧化活性炭吸附后洗涤或加热再生将碳酸钠溶液或石灰浆液喷入烟气用V2O5为主催化剂，氧化成SO3再吸收稀硫酸、SO2、硫磺Na2SO3/Na2SO4稀硫酸q燃料型NOx（Fuel NOx ）n燃料中的固定氮生成的NOx,约占60%-80%。q热力型NOx（Thermal NOx ）n高温下空气中的N2与O2反应生成的NOx，约占20%左右。q瞬时NOx （Prompt NOx ）n它是燃料中的碳氢化合物CHx与空气中的N2，在过量空气系数为0.7-0.8时，由于缺氧燃烧生成，其生成地点不是发生在火焰面的下游，而是在燃烧初期的火焰面内部，而且反应时间极短，就煤粉炉而言，小于5%。污染物的形成

23、与控制污染物的形成与控制氮氮氧化物（形成机理）氧化物（形成机理）Formation and Control of PollutantsNitrogen oxidesContentq燃料型NOx（Fuel NOx ）n燃料中的固定氮生成的NOx,约占60%-80%。燃料中的N通常以原子状态与HC结合，CN键的键能较N N 小，燃烧时容易分解，经氧化形成NOx火焰中燃料氮转化为NO的比例取决于火焰区NO/O2的比例，燃料中2080的氮转化为NOx污染物的形成与控制污染物的形成与控制氮氮氧化物（形成机理）氧化物（形成机理）Formation and Control of PollutantsNitr

24、ogen oxidesContentFuel NHCNN2NONHi(i=0,1,2)O,H,OHfastO,H,OHfastO,H,OHfastNHislowNHi,NOslowq热力型NOx（Thermal NOx ）高温下空气中的N2与O2反应生成的NOx，约占20%左右。（Zeldovich模型）总反应方程：由于氮气分子分解反应所需的活化能较大（约941kj/mol），故该反应所需的温度也高。因此，该步为整体反应的控速步骤。上述反应的化学平衡受温度、空气中的氮和氧浓度以及在高温区的停留时间的影响，其中温度对生成速率影响最大，几乎成指数关系。污染物的形成与控制污染物的形成与控制氮氮氧化物

25、（形成机理）氧化物（形成机理）Formation and Control of PollutantsNitrogen oxidesContent 2222NO2NO 11NOONO 22 121222NONON (4)NONOO (5)2OM2OM (3)q瞬时NOx （Prompt NOx ）碳氢化合物燃烧时，分解成CH、CH2和C2等基团，与N2发生如下反应火焰中存在大量O、OH基团，与上述产物反应瞬时NOx，只有在富燃的情况下才能发生，即碳氢化合物多，氧浓度相对较低时才能发生。因此生成量很小。只要保持氧气足够即可。污染物的形成与控制污染物的形成与控制氮氮氧化物（形成机理）氧化物（形成机理

26、）Formation and Control of PollutantsNitrogen oxidesContent22222CHNHCNNCHNHCNNHCN2CN2222HCNOHCNH OCNOCONOCNOCONNHOHNH ONHONOHNOHNOHNONOOna.低氮氧化物燃烧技术（降低炉内NOx生成量）1.选用N含量较低的燃料，包括燃料脱氮；2.降低过剩空气系数，降低燃料周围氧浓度，即低过量空气燃烧（LEA）；3.在适宜的过剩空气条件下，降低温度峰值，以减少“热力”NOx的生成；4.在氧浓度较低的情况下，增加可燃物在火焰前峰和反应区中的停留时间。n空气分级燃烧q第一段：氧气不足，

27、烟气温度低，NOx生成量很小q第二段：二次空气，CO、HC完全燃烧，烟气温度低n燃料分级燃烧q空气和燃料均分级送入炉膛q一次火焰区下游形成低氧还原区，还原已生成的NOx污染物的形成与控制污染物的形成与控制氮氮氧化物（控制措施）氧化物（控制措施）Formation and Control of PollutantsNitrogen oxides（ Control Measures ）Contentnb.烟气脱硝n烟气脱硝率较高，但投资和运行费用较高，使其使用受到一定的限制，燃烧脱硝率尽管较低，但投资和运行费用较低，因而受到人们的重视。污染物的形成与控制污染物的形成与控制氮氮氧化物（控制措施）氧化

28、物（控制措施）Formation and Control of PollutantsNitrogen oxides（ Control Measures ）Content方法方法干法干法湿法湿法催化还原法非催化还原法催化分解法吸收法吸附法电子射线照射法选择性催化还原法非选择性催化还原法碱吸收法酸吸收法生成络盐吸收法氧化吸收法液相还原法污染物的形成与控制污染物的形成与控制一氧化碳（形成机理）一氧化碳（形成机理）Formation and Control of PollutantsCarbon monoxideContent污染物的形成与控制污染物的形成与控制碳氢化合物（形成机理）碳氢化合物（形成机

29、理）Formation and Control of PollutantsHydrocarbonsContent污染物的形成与控制污染物的形成与控制碳氢化合物（形成机理）碳氢化合物（形成机理）Formation and Control of PollutantsHydrocarbonsContent目录污染物的排放及危害污染物的排放及危害Emissions and hazardous pollutants污染物的形成与控制污染物的形成与控制 Formation and Control of Pollutants我国目前的现状与解决思路我国目前的现状与解决思路Chinas current status quo and SolutionsBackgroundContentExpand我国目前的现状与解决思路我国目前的现状与解决思路排放标准排放标准Chinas current status quo and SolutionsEmission StandardsExpand 根据发达国家制修订标准“先宽后严，逐步发展；新建机组和现有机组区别对待；大型机组和小型机组区别对待；逐步向高标准发展”的原则，我国经历了从烟尘到二氧化硫、再到氮氧化物的过程，先