第四章污染源控制

第四章污染源的控制1.污染源及其控制思想2.燃燒過程的污染控制3.生產(chǎn)過程污染散發(fā)的控制(自學)第一節(jié)污染源及其控制思想一、污染源的種類與特性種類特性源強源高排氣溫度排放熱量排氣速度排氣口直徑二、污染排放量估算污染源排放因子污染源排放清單三、污染源控制的基本方法生產(chǎn)污染控制交通污染源的控制散發(fā)源的控制第二節(jié)燃燒過程的污染控制一、

燃料

按獲得方法分

按物態(tài)分

天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁巖

木炭、焦炭、煤粉等

液體燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油

氣體燃料

天然氣

高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、焦爐煤氣

固體燃料

煤的基本分類褐煤最低品味的煤，形成年代最短，熱值較低。煙煤形成年代較褐煤長，碳含量75%~90％。成焦性較強，適宜工業(yè)一般應(yīng)用。無煙煤煤化時間最長，含碳量最高（高于93％），成焦性差,發(fā)熱量大。燃料的成分

煤的成分分析工業(yè)分析測定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱值，是評價工業(yè)用煤的主要指標。元素分析用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。燃料的成分煤的工業(yè)分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內(nèi)318～323K(45~50℃)溫度下干燥8h，取出冷卻，稱重外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375～380K(102~107℃)下，約2h后，稱重內(nèi)部水分揮發(fā)分：煤在與空氣隔絕的條件下加熱分解出的可燃氣體物質(zhì)。將風干的煤密封在坩堝內(nèi)，放在1200K的馬弗爐中加熱7min，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重。

燃料的成分煤的工業(yè)分析（續(xù)）固定碳扣除水分、灰分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）。放在80020C的環(huán)境中灼燒到重量不再變化時，取出冷卻?；曳郑菏敲褐胁豢扇嫉V物質(zhì)的總稱。燃料的成分煤中灰分的組成：我國煤炭的平均灰分含量為25％?；曳值拇嬖诮档土嗣旱臒嶂担苍黾恿藷焿m污染和出渣量。燃料的成分煤的元素分析碳和氫：通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定。氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉(zhuǎn)化為氨，堿液吸收，滴定。硫：與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應(yīng)，使S轉(zhuǎn)化為SO42-，再以重量法滴定。煤的質(zhì)量基準質(zhì)量基準要確切說明煤的特性，必須同時指明百分比的基準，常用的基準有以下四種：收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分

空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實驗室內(nèi)進行燃料分析時的試樣成分

煤的質(zhì)量基準干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少。干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分。煤的質(zhì)量基準煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系

煤的質(zhì)量基準我國部分煤種的分析結(jié)果

煤的質(zhì)量基準我國部分煤種的分析結(jié)果(續(xù)）

燃料的發(fā)熱量發(fā)熱量：單位燃料完全燃燒時，所放出的熱量，即在反應(yīng)物開始狀態(tài)和反應(yīng)產(chǎn)物終了狀態(tài)相同下的熱量變化（kJ/kgorkcal/kg）高位發(fā)熱量：包括燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱低位發(fā)熱量：燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時，完全燃燒過程所釋放的熱量其他燃料非常規(guī)燃料城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農(nóng)產(chǎn)物和農(nóng)村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業(yè)和采礦廢物天然存在的含碳和含碳氫的資源合成燃料

非常規(guī)燃料通常需要專門技術(shù)轉(zhuǎn)化為易于利用的形式城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問題二、燃燒過程和燃燒方式燃燒過程氣體燃燒受空氣與燃料的擴散和混合控制液體燃燒受蒸發(fā)過程控制固體燃燒受擴散控制，餾分受混合控制燃燒條件燃料完全燃燒的條件空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失。溫度條件（Temperature）：達到燃料的著火溫度。時間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時間應(yīng)超過燃料燃燒所需時間。燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合。燃燒條件典型燃料的著火溫度不完全燃燒化學不完全燃燒機械不完全燃燒燃燒方式層狀燃燒懸浮燃燒流化床燃燒三、煙氣體積及污染物排放量計算建立燃燒方程式的假定：空氣組成

21%O2和79%N2，兩者體積比為：N2/O2=3.76燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2不考慮NOX的生成燃料中的N在燃燒時轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學式為CxHySzOw要注意噢!!燃燒方程式：1.燃燒方程式2.燃燒空氣量理論空氣量對于液體和固體燃料，按元素組成計算：2.燃燒空氣量實際空氣量與理論空氣量之比。以表示，通常>1部分爐型的空氣過剩系數(shù)實際空氣量空氣過剩系數(shù)為α假定燃燒是完全的，過?？諝庵械难跻設(shè)2形式存在，燃燒產(chǎn)物以下標p表示。2.燃燒空氣量假如燃燒過程中產(chǎn)生CO，過剩氧量必須加以校正。從測得的過剩氧中減去氧化CO為CO2所需的氧量。2.燃燒空氣量奧氏煙氣測定儀的測定結(jié)果為：CO2為10%，O2為4%，CO為1%，試計算空氣過剩系數(shù)。解：煙氣中含N2為1－10%－4%－1%＝85%舉例3.煙氣量理論煙氣量干煙氣量濕煙氣量3.煙氣量實際煙氣量干煙氣量濕煙氣量4.污染物的發(fā)生量燃燒可能釋放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等溫度對燃燒產(chǎn)物的絕對量和相對量都有影響燃料種類和燃燒方式對燃燒產(chǎn)物也有影響4.污染物的發(fā)生量燃燒產(chǎn)物與溫度的關(guān)系：4.污染物的發(fā)生量燃料種類對燃燒產(chǎn)物的影響（以1000MW電站為例）：舉例例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結(jié)果如下（按質(zhì)量）C：88.3%，H：9.5%，S：1.6%，H2O：0.05%；灰分：0.10%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。解：重量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H959523．75S160．50．5H2O0．50．02780解：以1kg重油燃燒為基礎(chǔ)，則：理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比)則，理論空氣量為：mol/kg重油即mN3/kg重油四、不完全燃燒產(chǎn)物的發(fā)生和控制一氧化碳的發(fā)生碳氫化物的發(fā)生不完全燃燒產(chǎn)物的控制措施CO的形成CO是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種CO的全球排放量為200×106t/a燃料中的碳都先形成CO，然后進一步氧化在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以降低CO含量。CO的形成和破壞都由動力學控制，反應(yīng)路線：RHRRCHORCOCOCO的形成五、氮氧化物的發(fā)生與控制氮氧化物的發(fā)生燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx熱力型NOx高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx低溫火焰下由于含碳自由基的存在，與N2反應(yīng)，生成的產(chǎn)物被火焰中存在的自由基氧化，生成NO氮氧化物的發(fā)生熱力型NOx形成的動力學——Zeldovich模型NO的形成機理：O的分解平衡常數(shù)很小N的更小實際上N原子濃度忽略

NO生成的總速率-5+5-4+4氮氧化物的發(fā)生假定N原子的濃度保持不變(穩(wěn)態(tài)假定)得到代入（6）式得氮氧化物的發(fā)生NOx生成速率與溫度的關(guān)系可簡化為：看出“熱力”NOx生成速率強烈依賴于反應(yīng)溫度T，與T呈指數(shù)關(guān)系，同時正比于N2濃度和O2濃度的平方根以及停留時間。氮氧化物的發(fā)生NOx生成量與溫度的關(guān)系當燃燒溫度低于1500℃時，幾乎觀察不到NO的生成，“熱力”NO生成量極少；當溫度高于1500℃時，這一反應(yīng)才變得明顯，反應(yīng)速度根據(jù)阿累尼烏斯定律，按指數(shù)規(guī)律迅速增加。實驗表明溫度在1500℃附近變化時，每增大100℃，反應(yīng)速率將增大6—7倍，當溫度為2000℃時，NO的生成就極為迅速。氮氧化物的發(fā)生影響熱力型NOx的另一個因素是氧氣濃度在燃料過多(即過量空氣系數(shù)小于1.0)時，隨氧氣濃度增大而成比例增大，在過量空氣系數(shù)為1.0或稍大于1.0時達到最大，隨后雖然氧的濃度繼續(xù)增大，但由于過量空氣使溫度降低，NO生成量反而減少。燃料中的N通常以原子狀態(tài)與CH結(jié)合，C—N鍵的鍵能較N≡N小，燃燒時容易分解，經(jīng)氧化形成NOx火焰中燃料氮轉(zhuǎn)化為NO的比例取決于火焰區(qū)NO/O2的比例燃料中20％～80％的氮轉(zhuǎn)化為NOx氮氧化物的發(fā)生FuelNHCNN2NONHi(i=0,1,2)O,H,OHfastO,H,OHfastO,H,OHfastNHislowNHi,NOslow燃料氮氧化物氮氧化物的發(fā)生氮氧化物的發(fā)生氮氧化物的發(fā)生碳氫化合物燃燒時，分解成CH、CH2和C2等基團，與N2發(fā)生如下反應(yīng)火焰中存在大量O、OH基團，與上述產(chǎn)物反應(yīng)快速熱力型NO的生成快速熱力型NO的費尼摩利反應(yīng)機理CNHCNN、CNONON2NH3(a)CH、CH2、CH3、C2O2(b)O,OH(c)O,OHH(d)O,O2NO,N瞬時NO不同來源的對比NOx的形成煤燃燒過程中三種NO形成機理的貢獻從熱力型、燃料型和瞬時型三種NO生成機理可以得出抑制NO生成的途徑，圖中還原氣氛箭頭所指即抑制和促使NO破壞的途徑氧化氣氛空氣N2NO雜環(huán)氮化物烴生成物CH，CH2烴生成物中結(jié)合的氮氰(HCN,CN)氰氧化物(OCN,HNCO)氨類(NH3,NH2，NH，N)N2ONOxHN2還原氣氛空氣中的氮燃料中氮的轉(zhuǎn)換NO再燃燒Zeldovich機理NO2的生成NO向NO2的轉(zhuǎn)化低溫有利于NO2的形成氮氧化物的控制措施低NOx燃燒技術(shù)概況低NOx燃燒技術(shù)概況（續(xù)表）分段燃燒兩段燃燒技術(shù)第一段：氧氣不足，煙氣溫度低，NOx生成量很小第二段：二次空氣，CO、HC完全燃燒，煙氣溫度低煙氣循環(huán)煙氣循環(huán)燃燒降低氧濃度和燃燒區(qū)溫度——主要減少熱力型NO煙氣循環(huán)煙氣循環(huán)工藝示意圖1、燃燒器2、鍋爐3、過熱器4、省煤器5、煙氣循環(huán)機濃淡燃燒降低火焰溫度噴還原性氣體六、硫氧化物的發(fā)生與控制

1.硫的氧化機理

有機硫的分解溫度較低(<800K)無機硫的分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈淺藍色，由于反應(yīng)：在所有的情況下，它都作為一種重要的反應(yīng)中間體了解1.硫的氧化機理H2S的氧化主要反應(yīng)分支反應(yīng)OH濃度達到最大水濃度開始上升第一階段第二階段第三階段1.硫的氧化機理CS2和COS的氧化1.硫的氧化機理元素S的氧化1.硫的氧化機理有機硫化物的氧化

2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化

反應(yīng)方程式SO2+O+MSO3+M（1）SO3+OSO2+O2（2）SO3+HSO2+OH（3）SO3+MSO2+O+M（4）

在熾熱反應(yīng)區(qū)

，[O]

濃度很高，反應(yīng)（1）和（2）起支配作用

2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO3生成速率

當d[SO3]/dt=0時，SO3濃度達到最大在富燃料條件下，[O]濃度低得多，SO3的去除反應(yīng)主要為反應(yīng)（3），SO3的最大濃度：2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結(jié)合生成H2SO4，轉(zhuǎn)化率:轉(zhuǎn)化率與溫度密切相關(guān)H2SO4濃度越高，酸露點越高煙氣露點升高極易引起管道和空氣凈化設(shè)施的腐蝕2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO3的轉(zhuǎn)化率/%七、飛灰的形成和控制1.碳粒子的生成積炭的生成核化過程：氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應(yīng)較為緩慢的聚團和凝聚過程燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導因素積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)提高氧氣量可以防止積炭生成壓力越低則積炭的生成趨勢越小1.碳粒子的生成火焰的結(jié)構(gòu)預(yù)混火焰：氣體燃料和空氣在燃燒前充分混合（bursenburner,meekerburner）擴散火焰：燃料和空氣分別進入燃燒區(qū)，混合然后發(fā)生反應(yīng)（實際中應(yīng)用最多），不同的區(qū)域有不同的(0～)值1.碳粒子的生成火焰的結(jié)構(gòu)（續(xù)）層流火焰：Re<2200，分子擴散和傳導是控制過程湍流火焰：Re>2200，強烈的湍流作用，但分子擴散仍然起作用Laminar transition developedturbulent heightJetvelocity1.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反應(yīng)過程1.碳粒子的生成石油焦和煤胞的生成燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發(fā)生液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)結(jié)焦多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞，難以燃燒。焦粒生成反應(yīng)的順序：烷烴烯烴帶支鏈芳烴凝聚環(huán)系瀝青半園體瀝青瀝青焦焦炭

2.燃煤煙塵的形成煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒煤粉燃