污染排放

第11章污染排放物§11.1概论燃烧污染排放的控制是现代燃烧系统的设计上必须考虑的因素燃烧污染物包括：颗粒物质和各种各样的悬浮物等，如烟气中的烟黑、飞灰、金属蒸汽、硫氧化物（SO2和SO3）、未完全燃烧的碳氢化合物、氮氧化合物（NO和NO2）、温室气体N2O和CO2等。国内大气污染情况：1998年，在我国322个环境统计的城市中，空气质量达到国家二级标准的占27.6%，处于国家三级标准的占28.9%，低于国家三级标准属于严重污染型城市的占43.5%。国内47个重点城市中，空气污染最严重的城市为太原、北京、乌鲁木齐、兰州、重庆、济南、石家庄、青岛、广州、沈阳。1998年国际卫生组织公布全球空气污染严重的城市依此是：太原、米兰、北京、乌鲁木齐、墨西哥城、兰州、重庆、济南、石家庄、德黑兰。10个污染严重的城市中我国占了7个，北京名列第3。第11章燃烧污染物1998年全国一半以上的城市降水年均pH值低于5.6，覆盖面积占国土面积的40%以上。其主要原因是以煤炭为主的能源结构造成的煤烟型污染严重。武汉2012年首次出现灰霾我国“十一五”规划：燃煤发电厂SO2排放由2005年的1300万吨下降到2010年502万吨，减少61.4%。2011年7月颁布燃煤锅炉排放新标准SO2：100mg/m3（新建锅炉）；200mg/m3（现有锅炉）NO2：100mg/m3；200mg/m3（W锅炉，流化床锅炉）烟尘：30mg/m3；20mg/m3（重点地区）汞及其它化合物：0.03mg/m3第11章燃烧污染物美国19401973年由于经济发展致使能源消耗不断增加，SO2排放量呈上升的趋势，1973年的SO2排放量高达2895万吨，为美国历史上SO2排放量最高的年份。19731983年SO2排放量逐年下降，这十年中尽管燃煤量增加，而SO2排放量则削减28.5%，大气中的SO2浓度降低了近35%。日本1970年的SO2排放量500万吨，1981年降到110万吨，11年间SO2总量削减了80%，SO2浓度下降了60%左右。英国19701983年SO2排放量削减了40%。原西德19831988年SO2排放量削减了67.5%。发达国家70年代、80年代前几年是大幅度削减SO2排放量的集中年代，并取得显著效果。美国降低SO2污染的主要技术措施有：①洗煤率高达60%以上；②增加低硫煤开采与使用量；③大规模采用烟气脱硫装置等；④大力采用循环流化床燃烧技术。第11章燃烧污染物第11章燃烧污染物一次空气的污染来自于直接排放烟气，二次污染则是由一次污染物与大气之间的反应形成的，进而从多方面影响我们的生活环境及人类的健康。研究表明，在对流层中空气污染带来的影响主要有4个方面：（1）改变了空气的性质和降雨量。（2）破坏植物生长（3）侵蚀和损坏物件和材料（4）增加人类的疾病的发生率和死亡率由于含碳颗粒物、硫酸盐、硝酸盐、有机化合物及二氧化氮的存在，改变了空气的性质，使空气中的能见度降低。高浓度的SO2形成了硫酸小液滴，成为凝结的核心，这将导致雾的形成、降雨量的增加、光线辐射的减少、以及改变气温和风力分布。SOX和NOX的排放形成的酸雨。温室气体产生温室气体效应，从而改变全球的气候，并影响湖泊和土壤。§11.2污染物带来的影响第11章燃烧污染物植物被SO2的毒素、硝酸盐、C2H4等污染和破坏。这些毒素毁坏叶绿素，破坏植物的光合作用。颗粒物质会弄脏衣物、房屋和其它建筑物，破坏了环境的美丽，并且增加清理环境污染的费用。一些酸性碱性颗粒，尤其是那些含有硫元素的颗粒，能腐蚀漆料、建筑物的砖石、电线、纺织品等，而臭氧能严重破坏橡胶。大气污染能加大呼吸道疾病的发病率。在伦敦（1952年）、纽约（1966年）都曾发生过令人震惊的空气污染事件，造成大量伤亡和极坏影响。这些事件都是由于空气中同时含有高浓度的SO2和颗粒物质造成的。光化学烟雾里的一些污染物能够引起眼的疾病，这些污染物如臭氧、有机氮合物、烃化物。光化学烟雾最初是由氮氧化合物和各种烃化物之间的反应造成的。含氮的碳基颗粒可能包含致癌物质。一氧化碳对健康也有明显的危害。超音速飞机将NOX排放入同温层能够加速同温层臭氧层的破坏，同温层臭氧的破坏会引起更多有害的紫外线穿透入地球表面。因此，发展超音速飞机低NOX排放量燃烧器或发动机在目前受到美国航天局和发动机厂商极大地关注，同时它也是决定超音速飞机前途的一个主要因素。酸雨对水体生态系统的危害对森林生态的危害对农业生态系统的危害对建筑物和材料的危害对人体健康的危害SOx，NOx形成酸雨有毒痕量元素（Hg,Se,As,Pb,Cr,Cu,Zn,Ni等）颗粒物PM2.5，PM10温室气体CO2等燃烧产生的污染问题第11章燃烧污染物占全国排放比例：燃煤污染物SO2－85%CO2－85%NOx－60%粉尘－70%第11章燃烧污染物历史上与SO2有关的大事记时间地点简况后果1873年12月9-10日伦敦（英）烟尘和SO2，一月内因支气管炎死亡人数剧增死亡268人1880年1月26-29日伦敦（英）同上死亡692人1892年12月28-31日伦敦（英）烟尘和SO2，死亡779人1909年格拉斯哥(英)烟尘和SO2，五周内平均死亡率剧增平均周死亡118人1928年曼彻斯特(英)烟尘和SO2，年死亡率剧增较往年多死亡21%1930年12月1-5日马斯河谷(比利时)烟尘和SO2，一周内死亡率剧增6000多人得病，60多人死亡1948年10月27-31日多诺拉(美)烟尘和SO2，大雾看不见人近6000人发病，死亡17人1949年伦敦（英）烟尘和SO2，一周内因支气管炎死亡人数剧增较上周多死亡75人1952年12月5-9日伦敦（英）烟尘和SO2，逆温层、无风、大雾4天内死亡4000人，2月内死亡8000人1956年1月3-6日伦敦（英）烟尘和SO2约1000人死亡1957年12月2-5日伦敦（英）烟尘和SO2，死亡400人1961年四日市（日）烟尘和SO2，著名的“四日市哮喘病”患者800余人，死亡10人1960年12月5-6日伦敦（英）烟尘和SO2死亡750人1970年东京（日）光学烟雾加SO2，无风受害者近万人第11章燃烧污染物§11.3污染排放的计量11.3.1排放指数物质i的排放指数是指物质i的排放量与燃烧过程中的燃料量之比，即，燃烧，排放FiimmEI排放指数是一个无量纲的量，有时为了避免排放指数使用太小的数字，通常排放指数会使用一些单位如g/kg等。排放指数明确表示了单位燃料产生的污染物的数量，而不必考虑产物的稀释或燃烧过程的效率。排放指数是燃料燃烧过程产生污染物能力的量度，且与具体的应用分开。（11-1）11.3.2排放浓度及浓度间的转换排放烟气中污染物浓度，vi/v0%；ppm；mg/m3把烟气中的污染物排放浓度换算到特定的氧气浓度下，可以消除不同稀释程度所造成的影响。这样，污染排放水平才能得到正确的比较。燃烧产物中，任何一种物质组分的浓度或摩尔分数可分为“湿基”或“干基”。浓度的转换将会以“湿基”或“干基”为前提条件下进行。假设燃烧是在化学当量或贫燃条件下进行，燃烧的产物为少量的CO、H2和污染物，一摩尔燃料在空气中（21%O2，79%N2）燃烧可以表示为：第11章燃烧污染物CxHy+aO2+3.76aN2→xCO2+（y/2）H2O+bO2+3.76aN2+微量组分（11-3）在分析之前，将产物样品中的水分除去，得到称之为干基下的浓度。若产物的温度较高，水分仍然保留着，得到称之为湿基下的浓度。物质的干基下的摩尔分数可以定义为：abxNNNidrymixidryi76.3,,（11-4a）相应的湿基下物质i的总摩尔分数是：abyxNNNiwetmixiweti76.32/,,（11-4b）对应于碳氢燃料CxHy第11章燃烧污染物浓度转换是将原始测量得到的污染物浓度转换成特定氧气浓度下的污染物浓度。例如将实测得到的200ppm的NO换算成烟气中氧气为6%浓度时的值。将被测量物质的浓度从一定氧气浓度的数值下换算到另一个氧气浓度下的数值，可按下面公式进行：1,2,2,1,,2,222浓度浓度浓度浓度OmixOmixOiOiNN不同氧浓度之间的转换122,1,21-2122浓度浓度浓度浓度OOOiOi122,1,22浓度浓度浓度浓度OiOi第11章燃烧污染物§11.3预混燃烧污染物的排放预混燃烧的一次污染物主要是氧化氮，一氧化碳，未完全燃烧及部分燃烧的碳氢化合物和烟黑。几乎所有的预混燃烧都使用低硫燃料，因此在预混燃烧系统中SOX的排放通常不必考虑。天然气基本上不含硫，汽油中S的质量含量低于600ppm。对于非预混燃烧，如煤或低质油的燃烧，SOX的排放将是一个主要关注的问题。11.3.1氮氧化物第11章燃烧污染物11.3.1.1氮氧化物形成机理燃料燃烧过程中所生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常把这两种氮氧化物合称为NOX，而其中NO约占95%以上。根据NOX的生成机理及所受影响不同，可将NOX的形成分为热力氧化氮、快速氧化氮和燃料氧化氮三类。热力氧化氮。生成机理是：空气中的N2在高温下氧化，是通过如下一组不分支的连锁反应进行的。其过程中O、OH、N2等组分达到平衡，氮原子（N）的个数处在稳定状态。N2+O→N+NOO2+N→NO+ON+OH→NO+H前两个反应称为捷里多维奇机理，第三个反应称为扩大的捷里多维奇机理。捷里多维奇机理生成特点是生成反应比燃烧反应慢，主要在火焰下游高温区生成NOX。温度：在燃烧过程中，温度越高，生成的NOX量越大。实际燃烧中温度通常高于1500℃，因此易产生较多的NOX。过剩空气系数：由于O2的浓度对热力NOX有直接的影响，因此过剩空气系数对NOX有着明显的影响。在燃料燃烧过程中，当=1.05~1.2范围时，NOX的生成量最大，而偏离这个范围时，NOX的生成量会明显减少。时间：当N和O处于高温区的时间越长，N和O的反应越充分，则生成的NOX越多。第11章燃烧污染物丙烷-空气预混燃烧热力NOX起源于空气中的N2，主要是在1800K以上的高温区产生，其特点是正反应速度比逆反应速度快，且与反应温度、反应时间和O2的浓度成正比，因此影响热力NOX生成有：热力NO可通过O和N离子的热力平衡方法计算得到。根据反应（11-13）和（11-14），若忽略逆反应，我们得到（11-15）其中k1f指有限反应O+N2→NO+N的反应速率。当NO浓度达到一定量时，则需要考虑逆反应。使用式（11-15）的前提条件是：NO生成的速度要比燃烧的速度慢得多，即可以假定燃烧和NO的形成是分别进行的。当O和OH在离子数量上超过平衡态时（约103），热力NO的形成过程不再成立，这种情况能够发生在燃烧的火焰区域。此时NO的生成比O在平衡时更加迅速。计算超平衡态下的离子浓度十分复杂，必须联系到燃料氧化动力学。同样，在火焰区域。eefNOkdtNOd212第11章燃烧污染物第11章燃烧污染物快速氧化氮（Fenimore提出）快速型NOx的生成量与同样源于空气中N2，但它又与热力NOx的机理不同，对温度的依赖性也低。碳氢化合物燃料的过浓预混合燃烧火焰中生成的NOx，虽然是起源于空气中的N，但又是以不同于热力NOx的生成机理，它为急速生成的NOx，这部分NOx称为快速型NOx。快速型NOx是经HCN、NH、N等中间产物形成的，而HCN、NH、N等中间产物又是由碳氢化合物分解过程中形成的活性炭化氢（CH、CH2等）与N2反应生成的：CH＋N2＝HCN＋NCH2＋N2＝HCN＋NHHCN和NH经一系列的反应变成CN、N，再被氧化为NO。右图为是在最高火焰温度保持不变的丙烷-富氧空气平面火焰中，快速型NO浓度、反应带下游的NO最大浓度以及相应于最高火焰温度的NO平衡浓度和当量比的关系。﹤1时，快速型NO所占的比例极小，以热力NO为主。﹥1.4后，几乎都是快速型NO。因为快速