大氣污染控制工程1第2章大氣污染物的生成控制2.1能源與大氣污染2.2固定源燃燒過程中大氣污染物的生成機理及控制2.3燃燒計算2.4機動車大氣污染物的生成控制2.5清潔生產大氣污染控制工程22.1能源與大氣污染2.1.1能源的分類

能源是能提供可利用能量的資源，可分為直接從自然界取得的一次能源和由一次能源轉換得到的二次能源。一次能源還可分為可再生能源和不可再生能源。

一次能源可再生能源風能、水能、太陽能、生物質能、海洋熱能、潮汐能、地震、火山、地熱等不可再生能源化石燃料（煤、石油、天然氣）、核燃料（鈾、釷、氫）二次能源電能、氫能、汽油、煤油、柴油、火藥、酒精、甲醇、丙烷、硝化甘油等大氣污染控制工程3

通常還把能源分為常規能源（煤、石油、天然氣、水能、核能等）與新能源（太陽能、風能、海洋能、地熱能、生物質能和氫能等）兩大類。能源又可分為污染型能源（化石燃料）和清潔型能源（水力、電力、太陽能、風能和核能等）。2.1能源與大氣污染大氣污染控制工程41）能源結構決定大氣污染的形成和特點

a.能源結構中污染性能源（如煤、石油、天然氣等）占主體大量消耗是大氣污染形成的根本原因；

b.努力開發并盡可能采用清潔能源是減輕大氣污染的根本方法。

2）能源的利用方式與利用效率對大氣污染也有很大影響

改進能源的利用方式，提高能源的利用率是改善大氣污染的另一根本方法。如清潔煤技術（CleanCoaltechnology)2.1.2

能源利用與大氣污染2.1能源與大氣污染大氣污染控制工程52003年全球的能源需求量已達到140億噸標準煤，其中石油占38%，煤炭占26%，天然氣占24%,核能占6%,其它能源占6%，污染型能源占88%。據預測，到2010和2050年全世界煤炭和石油的總耗量仍將分別占世界總能耗的64%和52%。我國是目前世界上最大的煤炭生產和消耗國，煤炭的生產和消耗均占世界總量的30%左右，同時，也是世界上極少數以煤炭為主要能源的國家之一。2005年我國一次能源生產總量約為12.3億噸標準煤，其中煤炭占63.8%、石油18.8%、天然氣6.0%、水電和核電11.4%。我國煤炭燃燒產生的SO2、CO2、NOX及TSP排放量分別約占總排放量的90%、85%、60%和70%。2.1能源與大氣污染大氣污染控制工程6燃料燃燒產生的大氣污染物黑煙（炭黑）

粉塵氮氧化物一氧化碳碳氫化合物鉛化合物二氧化硫燃料不完全燃燒含鉛汽油灰分燃料硫空氣氮和燃料氮大氣污染物主要來自燃燒過程。2.1能源與大氣污染大氣污染控制工程72.1能源與大氣污染2.1.3

能源利用過程中的污染控制1）清潔能源的開發和利用

2）提高能源利用效率、節約能源3）研究燃燒過程中污染物的生成機理，采取適當措施減少污染物的生成量。4）凈化煙氣，降低排煙中已經生成的污染物排放量。大氣污染控制工程82.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

2.2.1燃料的分類

煤（1）煤的分類褐煤：最低品位的煤，形成年代最短，水分含量高，熱值較低；煙煤：成焦性強，碳含量為75％－90％，含氧量低，適用于工業一般應用，在空氣中比褐煤更能抵抗風化；無煙煤：碳含量最高(>93%)，煤化時間最長，著火困難，貯存時穩定，成焦性極差。大氣污染控制工程9（2）煤的工業分析水分水分包括外部水分（318K－323K，8h）和內部水分（375K－380K，2h），水分使熱值降低，一般控制煤中水分在10％－13％左右。灰分煤中不可燃礦物質的總稱。我國煤炭的平均灰分為25％。揮發分煤在與空氣隔絕的條件下加熱分解出的可燃氣體物質。揮發分越高，就越容易燃著；但揮發分含量過高，容易直接逸出，污染環境。固定碳2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程10（3）煤中硫的形態有機硫（CxHySz）黃鐵礦硫（FeS2）硫酸鹽硫（MeSO4）元素硫可燃硫灰分2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

單質硫無機硫可燃硫在我國煤炭資源中，硫的平均質量分數為1.11％大氣污染控制工程11（4）煤的成分表示方法一般用質量百分數表示，通常有四種基準。

1）收到基（以下標“ar”表示）包括水分與灰分的煤作為100％的成分，即煤的實際應用成分。燃燒計算通常采用此方法。

2）空氣干燥基（以下標“ad”表示）

指去除外在水分的煤作為100％的成分。通常是在實驗室內作煤樣分析時采用。

2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程12（3）干燥基（以下標“d”表示）失去水分的煤作為100％的成分。因為排除了水分的影響，所以干燥基能準確反映出灰分的多少。（4）干燥無灰基（以下標“daf”表示）失去水分、去掉灰分的煤作為100％的成分。常用以表示煤的揮發分的含量。大氣污染控制工程13

石油石油是液體燃料的主要來源。原油由鏈烷烴、環烷烴和芳香烴等碳氫化合物組成，主要含有C、H，少量的S、N和O，微量的釩、鎳、鉛、砷、氯等。原油中的硫含量一般在0.1%~0.7%，大部分硫以有機硫的形式存在。在輕餾分中，硫以H2S、RSH、RSR′、RSSR′等形態存在。原油中的硫80%~90%留于重餾分中，以復雜的環硫結構存在。重餾分與一定比例的輕油相配合而成為重油，原油中的硫大部分轉入重油中。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程143天然氣

組成一般為甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%，含碳更高的碳氫化合物也可能存在于其中。4非常規燃料城市固體廢棄物、商業和工業固體廢棄物、農產物及農村廢物、水生植物和水生廢物、污泥處理廠廢物、天然存在的含碳和含碳氫的資源等。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程152.2.2煙塵的生成機理及其控制氣相析出型煙塵剩余型煙塵酸性塵積炭粉塵2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

按煙塵的生成機理不同，可分為1.煙塵的分類及生成機理大氣污染控制工程16

根據氣體燃料和空氣混合狀況的不同，可將氣體燃料的燃燒過程分為：有焰燃燒（擴散燃燒）、無焰燃燒（預混燃燒）和半無焰燃燒三種過程。有焰燃燒（擴散燃燒）：可燃物與氧化物的混合時間遠大于燃燒反應時間的燃燒，如可燃氣與空氣分別通入燃燒室，邊混合邊燃燒的情況屬于此類。無焰燃燒（預混燃燒）：可燃物與氧化物的混合時間遠小于燃燒反應時間的燃燒，預先混合均勻的可燃混合氣體的燃燒屬于此類。大氣污染控制工程17脫氫分解聚合氣液固相燃料燃燒釋放可燃性氣體缺氧塵（炭黑）氣相析出型煙塵粒徑很細（如重油燃燒產生的炭黑粒徑在0.02~0.05μm），比表面很大，每公斤可達數萬平方米。收集下來的煙塵呈絮狀，體積大，重量輕。（1）氣相析出型煙塵2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程18（2）液體燃料的燃燒和剩余型煙塵（也稱石油焦或煤胞）工業窯爐常用的液體燃料有重油和渣油。燃料油的燃燒過程是一個復雜的物理化學過程。它包括燃料油的霧化、油霧粒子中可燃物的蒸發與擴散、可燃氣體與空氣的混合以及可燃氣體的氧化燃燒等諸過程。此外還可能有油滴熱解和裂化過程。

2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程19液體油滴裂化熱分解氣體成分絮狀空心球焦炭（煤胞）主要發生在未完全氧化之前，熱反應速度大于與氧氣的反應速度。粒徑為10～300微米。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程20（3）酸性塵氣相析出型煙塵和剩余型煙塵在煙氣溫度接近露點時，吸收煙氣中的H2SO4，長大成為像雪片形狀的煙塵。酸性塵由于顆粒較大，一般沉落在煙囪附近。（4）積炭油滴附著在燃燒器、燃燒器旋口、燃燒室爐墻上，受爐內高溫氣化而剩余下來的煙塵。其顆粒形狀不定，但粒度較大。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程21（5）粉塵固體燃料燃燒產生粉塵，包括飛灰和黑煙。飛灰：不可燃礦物質黑煙：未完全燃燒的炭粒大氣污染控制工程222.影響煙塵生成量的因素（1）

燃料種類的影響

a.氣體燃料：氫氣、甲醇、乙醇燃燒時不產生煙塵；烯烴比烷烴易產生黑煙；乙炔、芳香族、鏈狀碳氫化合物易產生黑煙；碳氫比越高，產生黑煙愈多；碳原子數愈多，愈容易產生碳黑。

b.液體燃料：與殘留碳含量有關，油質愈重，殘留碳越多，煙塵越多。對擴散燃燒而言2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程23c.固體燃料：與燃料中灰分率有關，劣質煤灰份高，粉塵濃度就高。易于燃燒又不易出現黑煙的燃料順序為：無煙煤、焦炭、褐煤、低揮發分煙煤、高揮發分煙煤。（2）

燃料粒度的影響重油燃燒時，油滴的直徑越大，殘留性煙塵濃度急劇增大。固體燃料粒度越大，燃燒可能越不充分，可能使黑煙增多。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程24（3）

氧氣濃度和空氣過剩系數的影響空氣過剩系數＝實際供給的空氣量／理論空氣量必須保證一定大小的空氣過剩系數（1.2～1.3），使得有足夠的氧氣濃度供燃料燃燒充分。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

圖2-1排塵濃度與剩余氧氣體積分數的關系大氣污染控制工程25（4）

燃燒方式及其它因素的影響

a.對氣體燃料燃燒而言，預混（無焰）燃燒生成煙塵量少，但擴散燃燒易于控制。故大多采用擴散燃燒。

b.對固體燃料而言，燃燒爐型、燃燒溫度及煤質情況均有影響自然引風鍋爐的煙氣流速較低，排塵濃度也較低。但自然引風只適用于小鍋爐．對于較大鍋爐，自然引風會造成爐膛內氧量不足，致使爐溫降低．燃燒不完全．熱損失較大。對于機械引風鍋爐，需合理地控制風量，防止引風帶塵的濃度過高。大氣污染控制工程26爐排和爐膛的熱負荷也將對排塵濃度產生影響。爐排熱負荷是每平方米爐排面積上每小時燃料燃燒所釋放出來的熱量。爐排熱負荷增加，導致單位爐排面積上燃煤量增大，則流過爐排的氣流速度也將成正比增加，灰分被氣流夾帶而飛逸的可能性就越大。爐膛熱負荷是每立方米爐膛容積內每小時燃料燃燒所釋放出的熱量。爐膛必須保持足夠的燃燒空間，以使燃燒逸出的可燃氣體有充分的時間進行燃燒．提高鍋爐的消煙效果。鍋爐負荷增加，煙塵濃度增大2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程27爐型不同，燃料中的灰分變為飛灰的份額不同。燃燒方式占燃料中的灰分（％）手燒爐15～20鏈條爐15～20拋煤機爐24～40沸騰爐40～60煤粉爐75～85

各爐型下的煙塵顆粒粒徑組成不同。如：手燒爐燃燒排放的煙塵中大于149微米的顆粒占51％，而煤粉爐燃燒排放的煙塵中大于149微米的顆粒只占2％。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程283.煙塵生成量的控制在燃料一定時，促進燃料的完全燃燒是減少煙塵量的主要措施。保證燃料完全燃燒的條件是適宜的過剩空氣系數、良好的湍流混合（Turbulence）、足夠的溫度（Temperature）和停留時間（Time），即供氧充分下的“三T”條件。

1．適宜的過量空氣系數燃燒時，如果空氣供應不足，燃燒就不完全；相反，空氣量過大，會降低爐溫，增加鍋爐的排煙損失。因此按燃燒不同階段供給相適應的空氣量是十分必要的。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程292．改善燃料與空氣的混合燃料和空氣充分混合是有效燃燒的又一基本條件，混合不均勻就會產生大量的煙塵和不完全燃燒產物。混合程度取決于湍流度，對于蒸氣相的燃燒，湍流可以加速液體燃料的蒸發；對于固體燃料的燃燒，湍流有助于破壞燃燒產物在燃料顆粒表面形成的邊界層，從而提高表面反應的氧利用率，并使燃燒過程加速。大氣污染控制工程303．保證足夠的溫度

燃料只有達到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。著火溫度通常按固體燃料、液體燃料、氣體燃料的順序上升，如無煙煤713~773K，重油803~853K，發生爐煤氣973~1073K。在著火溫度以上，溫度越高，燃燒反應速度越快，燃燒越完全，煙塵越少。大氣污染控制工程314．保證足夠的燃燒時間燃料在高溫區的停留時間應超過燃料燃燒所需要的時間。燃料粒子燃盡時間tb與粒子初始直徑(2r0)、粒子表面溫度T和氧氣濃度P0有關。大氣污染控制工程32圖2-2焦粒燃燒時間與初始直徑、粒子表面溫度的關系圖2-3炭黑燒掉95%所需時間大氣污染控制工程33參考：

燃盡時間計算公式的推導假設固體物質的燃燒主要在其表面進行，則該燃燒速度取決于氧氣擴散到固體表面上的擴散速度和固體表面進行的化學反應速度。以單個球形固體粒子為例，設粒子半徑為r，氧分壓為P0，粒子密度為

p。對于如下非催化氣固反應：C（s）＋O2（g）＝CO2（g）

BAC2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程34單位面積上的反應速度為：①固體物質B的減少表現為未反應核的縮小，故②①式代入②式，得：2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程35根據阿累尼烏斯公式，反應常數與溫度的關系：假定反應期間，T與P0均不變，則：2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程362.2.3.1燃燒過程中含硫污染物的生成1.燃料中的硫含量燃料種類不同，硫的形態與含量也有區別。天然氣、煤氣：以硫化氫為主，有機硫較少，含硫量一般小于1％。表2-2液體和固體燃料中含硫量和含氮量

2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

2.2.3

含硫污染物的生成機理及控制大氣污染控制工程37

2.二氧化硫的生成燃料中的可燃硫（包括無機硫和有機硫）在燃燒條件下（空氣過剩系數大于1）全部生成二氧化硫，煤中的硫酸鹽一般轉入灰分。若空氣過剩系數小于1，有機硫將分解，除SO2外，還有S、H2S、SO等。煙氣中的SO2量正比于燃料中的含硫量。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

（mg/Nm3）kgwt%m3大氣污染控制工程383.三氧化硫的生成在一般燃燒條件下，有1％～5％的SO2會繼續氧化為SO3。

其生成機理為：

a.火焰中生成的原子氧參加反應SO2＋OSO3O2O＋Ok+k_

空氣過剩系數越大，溫度越高，反應時間越長，SO3生成量就越多。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程39b.對流受熱面上的積灰和氧化膜的催化作用生成SO3的危害：

SO3的存在會使煙氣露點溫度大大升高，易產生結露，而形成低溫腐蝕。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程404.硫酸SO3＋H2OH2SO42.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

這一反應從200~250℃左右開始進行，當煙氣溫度降到110℃時，反應基本完成。當溫度進一步降低時，硫酸蒸汽才凝結成硫酸液滴。如果硫酸蒸汽凝結在鍋爐尾部受熱面上，將引起低溫腐蝕，并產生硫酸塵。因此，鍋爐排煙溫度不能太低。排入大氣中的煙氣，與大氣混合，溫度進一步降低，煙氣中的硫酸蒸汽將再次凝結而形成硫酸霧，霧滴在大氣中的漫反射使煙氣呈白色，故又稱為白煙。大氣污染控制工程415.酸性塵含有硫酸蒸汽的煙氣，當溫度降低到露點以下，硫酸蒸汽將凝結在微小的煙塵粒子表面，然后，這些粒子凝結在一起，長大成雪片狀的酸性塵。另外，鍋爐尾部、金屬煙道和煙囪被硫酸腐蝕生成的鹽類和含酸粉塵脫落后也形成酸性塵。

2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

排入大氣中的SO2，由于金屬飄塵的觸媒作用，也會被空氣中的氧氧化為SO3，遇水汽形成硫酸霧，再與粉塵結合而形成酸性粉塵，或者被雨水淋落而產生硫酸雨。大氣污染控制工程422.2.3.2

SOX的生成控制

1.SO2生成控制生成控制方法有：采用低硫燃料、燃料脫硫、以及燃燒過程脫硫。（1）燃料脫硫

1）

煤炭洗選脫硫：是指通過物理、化學或生物的方法對煤炭進行凈化，以去除原煤中的硫。原煤經過洗選既可脫硫又可除灰，提高煤炭質量和熱能利用效率。

2003年，我國煤炭年產量約為15億噸，入洗率為38.6%，全硫脫除率為45%~55%，硫鐵礦硫脫除率60%~80%。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程43

目前國內外應用最廣的是物理選煤方法中的跳汰選煤、重介質選煤和浮選三種。跳汰選煤通過流體作用下不斷變化過程，使原本為不同類型顆粒混合物的床層呈現出以密度差別為主要特征的分層，從而使煤中密度大的硫鐵礦與有機質分離。b.重介質選煤用密度介于煤與煤矸石之間的懸浮液作為分選介質的選煤方法。目前國內外普遍采用磁鐵礦粉與水配制的懸浮液作為選煤的分選介質。c.浮選包括泡沫浮選、浮選柱、油團浮選、表面和選擇性絮凝等，實際生產中最常用的是泡沫浮選和浮選柱。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程442）煤的氣化：煤炭氣化是在一定的溫度和壓力下，通過加入氣化劑使煤轉化為煤氣的過程。它包括煤的熱解、氣化和燃燒三個化學反應過程。煤氣化所用的原煤可以是褐煤、煙煤或無煙煤。氣化劑有空氣、氧氣和水蒸氣，近年來也開始用氫氣以及這些成分的混合物作氣化劑。生成氣體的主要成分有CO、CO2、H2、CH4和H2O，氣化介質為空氣時，還帶入N2。

煤氣化后便于凈化除去硫和灰分煤氣中的硫主要以硫化氫存在，多用濕法－干法去除。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程453）煤的液化：煤的液化是將固體煤在適宜的反應條件下轉化為潔凈的液體燃料和化工原料的過程。根據提高煤中含氫量的過程不同，煤液化工藝可分為直接液化、間接液化和煤油共煉三種。我國石油資源比較缺少，而煤炭儲量豐富，因此，煤的液化是解決我國石油緊缺的重要途徑之一。同時，煤的液化還便于回收利用煤中的硫和氮，環境效率顯著。大氣污染控制工程464）氣體燃料脫硫

在煤炭氣化過程中，煤中的絕大部分硫轉變為H2S等氣相產物進入煤氣，小部分殘存于灰渣中。現在的煤氣凈化除了脫硫以外，通常還包括NH3、CO2、C6H6、HCN等物質的脫除與回收利用。煤氣凈化的費用約占整個煤氣生產費用的50%。天然氣和煤氣等氣體燃料中含硫主要是H2S和有機硫，大多數情況下，有機硫被轉化為H2S加以脫除。目前脫除H2S的方法很多，如吸收法、液相催化氧化法、吸附法和氣固相反應法等。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程475）液體燃料脫硫通常，石油及石油產品的脫硫，幾乎都可以采用加氫脫硫或加氫裂解的方法，使原料中的硫化物與氫起催化作用，碳硫鍵斷裂，氫取而代之生成H2S，可以很容易地從油中分離出來，同時還可以除去油中的含氮化合物。RSR＋2H2→2RH＋H2SC5H5N＋5H2→C5H12＋NH3

大氣污染控制工程48（2）燃燒過程脫硫

1）燃燒過程加脫硫劑脫硫

在煤燃燒過程中加入的脫硫劑石灰石或白云石粉受熱分解生成CaO和MgO，再與煙氣中的SO2結合生成硫酸鹽進入爐渣和煙塵。脫硫劑的熱分解

CaCO3＝CaO＋CO2

Ca(OH)2＝CaO＋H2O脫硫反應

Ca(OH)2＋SO2＝CaSO3＋H2O

CaO＋SO2＝CaSO32.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

750℃以下，困難

大氣污染控制工程49中間產物的氧化和歧化反應

2CaSO3＋O2＝2CaSO4

4CaSO3＝CaS＋3CaSO4脫硫產物的高溫分解反應

CaSO3＝CaO＋SO2

CaSO4＝CaO＋SO2＋O分解溫度1040℃分解溫度1320℃在850℃~950℃的流化床鍋爐內脫硫較為合適。大氣污染控制工程50工業燃煤爐有層燃爐、懸燃爐和流化床爐三類。層燃爐是中、小型工業鍋爐的主要燃燒方式，是將較大塊的煤撒在爐排上呈層狀燃燒。向層燃爐直接噴射石灰石利用率很低。懸燃爐是使用細煤粉懸浮于爐膛空間燃燒的一種鍋爐，燃燒完全，但飛灰量大，一般用于大型鍋爐。爐溫可達1600℃，工業上一般不在這類鍋爐中加石灰石粉脫硫。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程51流化床爐系使碎煤（目前國內多采用8mm以下的粒度）在料層中呈流態化狀態燃燒的設備。流化床爐是工業上爐內脫硫的主要爐型。摻有一定比例石灰石粉的燃料在流化床內的適宜溫度(850℃~950℃)下進行燃燒和脫硫反應，可獲得高的脫硫率。流化床爐是一種有利于環境保護的爐型。爐內溫度適當可使NOX生成量和灰分中鉀、鈉的揮發大為減少。大氣污染控制工程52

圖2-4表明，當流化速度一定時，脫硫率隨Ca/S比增大而增大；當Ca/S比一定時，隨流化速度降低，脫硫率升高。圖2-4脫硫率與Ca/S摩爾比的關系大氣污染控制工程532）型煤脫硫技術

用瀝青、石灰、電石渣、無硫紙漿黑液等作為黏結劑，將粉煤經機械加工成一定形狀和體積的煤。可減少二氧化硫排放40％～60％，提高燃燒熱效率20％～30％。3）水煤漿技術：

20世紀70年代發展起來的一種以煤代油的新型燃料，是將灰分很低而揮發分很高的煤研磨成細微煤粉，按煤水合理的比例，加入分散劑和穩定劑配制而成，可以象燃料油一樣運輸、貯存和燃燒。由于水煤漿以液態輸送，這給加入石灰石粉或石灰與煤漿均勻混合而進行脫硫創造了條件。

生產水煤漿的原料煤，灰分一般小于8％，硫分小于0.5％。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程54

2.SO3生成控制低氧燃燒控制空氣過剩系數低于1.05，一般為1.02~1.03。要注意采取以下技術措施，防止出現燃燒不完全和不穩定的現象：選用性能良好的霧化器，使霧化良好；選用性能良好的調風器，以獲得需要的空氣動力工況，并保證燃料與空氣混合良好達到完全燃燒；選用合適的配風系統，保證各燃燒器空氣分配均勻；選用高質量的儀表和自動調整設備。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

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大氣污染控制工程552.2.4NOX的生成機理及控制

氮氧化合物有N2O、NO、NO2、N2O4等，總稱氮氧化物。其中主要污染大氣的是NO和NO2

，主要來源于燃料燃燒過程。

NOx的排放依氣、油、煤的順序而增加。

2.2.4.1燃燒過程NOx的生成機理

1.分類燃燒過程中生成的NOx有三種：

a.溫度型NOx（ThermalNOx）：燃燒用空氣中的氮氣在高溫下氧化生成NOx。

b.瞬時機理型NOx

（PromptNOx

）：碳氫系燃料在過濃燃燒時產生,通常生成量很少。

2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程56其中NO約占90％，其余為NO2。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

c.燃料型NOx

（fuelNOx

）：燃料中含有的氮的化合物，在燃燒過程中氧化而生成的氮氧化物。大氣污染控制工程572.各類型NOx生成機理及其控制原理

a.溫度型NOx的生成機理及其控制原理根據“準定常近似”，控制步驟2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

-+大氣污染控制工程58，k2和k－1數量級基本相同。令氧氣的離解反應處于平衡狀態，可得：2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程59K0為離解反應平衡常數，2K0k1=3×1014exp(-542000/RT)由★式可知：(1)溫度對NO的生成速度起決定作用。當T<1500℃時，溫度型NOx生成量極少，T>1500℃時，反應才變得明顯。(參看圖2－5)(2)氧氣濃度和停留時間對NO的生成量也有影響2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程60大氣污染控制工程61

空氣過剩系數<1時，NO生成量隨氧氣濃度增大而增加；空氣過剩系數>1時，NO生成量由于溫度降低而減少。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

圖2-6NO濃度與過量空氣系數和停留時間的關系大氣污染控制工程62NO生成反應在燃料基本燃燒完后進行，即是在火焰的下游區域生成。故控制措施為：（1）降低燃燒溫度；（2）降低氧氣濃度；（3）燃燒條件遠離理論空氣比；（4）縮短高溫區的停留時間。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程63b.快速溫度型NO的生成

快速溫度型NO是碳氫系燃料在過量空氣系數為0.7～0.8并采用預混合燃燒時產生的，是這種情況下的特有現象。通常情況下．在不含氮的碳氫系燃料低溫燃燒時，才重點考慮快速溫度型NO。快速溫度型NO的生成對溫度依賴性很弱。生成量也很少。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程64c.燃料型NO生成及控制原理

液體燃料和固體燃料中含有一定數量的含氮有機物，如哇林C5H5N、吡啶C9H7N等，燃燒時有機物中的原子氮容易分解出來，并生成NO。影響因素：生成燃料型NO步驟的反應活化能較低，燃料中N的分解溫度低于現有燃燒設備中的燃燒溫度，因此，燃料型NO的生成受燃燒溫度的影響很小。燃料N含量愈高，燃料N向燃料型NO的轉化率反而降低。普通燃燒條件下，燃油鍋爐中氮的轉化率為32％～40％；粉煤鍋爐中一般為20％～25％，不會超過32％。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程65燃料N的轉化率在空氣過剩系數α大于1.1后，不再增加。

α<1.0時，燃料生成量急劇下降，α低于0.7時，轉化率≈0。這是因為氮與碳氫在燃燒過程中競爭氧氣的能力較弱。燃料中N向燃料型NO的轉化率與含氮化合物的種類無關。控制措施為：采用含氮量低的燃料；降低過量空氣系數燃燒；擴散燃燒時，推遲混合。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程66

總的來說，溫度和空氣過剩系數對NO生成量有很大影響。具體到實際操作，包括空氣／燃料比、燃燒空氣的預熱溫度、燃燒區的冷卻程度及燃燒器的形狀設計。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程67[例]某鍋爐燃煤量為1000kg/min，煤中氮含量為1%（質量分數），其中40%在燃燒時轉化為NOX。設燃料型NOX占總排放量的80%，求鍋爐的：①燃料型NOX排放量；②NOX總排放量；③NOX排放系數。大氣污染控制工程68

燃燒過程中生成的NOX以溫度型和燃料型為主。其中，機動車以汽油和柴油為主要燃料，含N量比較低，但是燃燒溫度較高，因此生成的NOX主要是溫度型；在我國，固定源燃燒以煤和重油為主要燃料，它們的含N量較高，生成的NOX以燃料型為主，其次是溫度型。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程692.2.4.2低NOX燃燒技術

1.低氧燃燒在低空氣過剩系數狀況下運行。主要對燃料型NO有作用。應防止由于空氣不足，煙塵生成量增大。

2.煙氣再循環燃燒采用較多的控制溫度型NO的有效方法，可以用于大型鍋爐。原理：利用循環煙氣降低爐內溫度。對燃料型NO沒有作用，適合含氮量少的燃料。通常取再循環率為20％～30％。采用排氣再循環方法時，裝置中需要有再循環泵和管路設備，在某些情況下，可能還需要冷卻器，并需設置排氣再循環率控制機構。這樣，設備面積將會增大。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程70

3.二段燃燒法分兩次供給空氣：第一次供給的一段空氣低于理論空氣量，約為理論空氣量的80％～85％，燃燒在燃料過濃的條件下進行；第二次供給的二段空氣，約為理論空氣量的20％～25％，過量的空氣與過濃燃料燃燒生成的煙氣混合，完成整個燃燒過程。原理：一段利用空氣過剩系數控制；二段利用溫度控制。存在問題：二段空氣分配不當，會使煙塵濃度和不完全燃燒的損失增加。2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

大氣污染控制工程71低NOX燃燒器混合促進型改善燃料與空氣的混合，縮短在高溫區內的停留時間，同時可降低氧氣剩余濃度需要精心設計自身再循環型利用空氣抽力，將部分爐內煙氣引入燃燒器內，進行再循環燃燒器結構復雜多股燃燒型用多只小火焰代替大火焰，增大火焰散熱表面積，降低火焰溫度，控制NOX生成量階段燃燒型讓燃料先進行過濃燃燒，然后送入余下空氣，由于燃燒偏離理論當量比，可降低NOX濃度容易引起煙塵濃度增加噴水燃燒型讓油、水從同一噴嘴噴入燃燒區，降低火焰中心高溫區溫度，以降低NOX濃度噴水量過多時，將產生燃燒不穩定2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

4．低NOX燃燒器

大氣污染控制工程72低NOX爐膛燃燒室大型化采用較低的熱負荷，增大爐膛尺寸，降低火焰溫度，控制溫度型NOX爐膛體積增大分割燃燒室用雙面露光水冷壁把大爐膛分成小爐膛，提高爐膛冷卻能力，控制火焰溫度，從而降低NOX濃度爐膛結構復雜，操作要求高切向燃燒法火焰靠近爐壁流動，冷卻條件好，再加上燃料與空氣混合較慢，火焰溫度低，而且比較均勻，對控制溫度型NOX十分有效2.2固定源燃燒過程中大氣污染物

的生成機理及控制

5．低NOX爐膛大氣污染控制工程732.3.1氣體燃料的燃燒計算2.3.1.1發熱量燃料發熱量有高、低位之分。高位發熱量（或高熱值）指燃料完全燃燒，并當燃燒產物中的水蒸汽（包括燃料中所含水分生成的水蒸汽和燃料中氫燃燒生成的水蒸汽）凝結為水時的反應熱。低位發熱量（或低熱值）是燃料完全燃燒，其燃燒產物中的水蒸汽仍以氣態存在時的反應熱。因為當前各種爐、窯的排煙溫度均遠遠超過水蒸汽的凝結溫度，因此對能源轉換設備大都按低位發熱量計算。2.3燃燒計算大氣污染控制工程74

可燃氣體發熱量可根據該氣體燃燒反應熱算得。混合氣體的發熱量可直接用量熱計測定，也可以由各單一氣體的發熱量按下式計算：式中Q—高位發熱量或低位發熱量(kJ/Nm3)；

Qi—n種可燃氣體中任一組分i的高位發熱量或低位發熱量(kJ/Nm3)；

2.3燃燒計算大氣污染控制工程752.3.1.2理論空氣量和實際空氣量1.理論空氣量理論空氣量是指單位燃料（氣體燃料一般用1，固體和液體燃料一般用1kg）按燃燒反應計量方程式，完全燃燒所需的空氣量。理論空氣量是燃料完全燃燒所需的最小空氣量。可燃氣體的分子式用一般式CxHyOz來表示。CxHyOz完全燃燒的反應式如下CxHyOz+(x+y/4-z/2)O2+3.76(x+y/4-z/2)N2

=xCO2+y/2H2O+3.76(x＋y/4-z/2)N2

2.3燃燒計算大氣污染控制工程76

若燃料氣中還有H2S，其完全燃燒反應為H2S＋1.5O2＝SO2＋H2O

則1m3干燃料氣(標準狀態）燃燒需要的理論氧量V0O2（標準狀態）和理論空氣量V0a

（標準狀態）分別為大氣污染控制工程772.3燃燒計算2.空氣過剩系數與實際空氣量空氣過剩系數是指實際空氣量與理論空氣量之比。

α值與燃料的種類、燃燒方法、燃燒裝置的構造、燃料和助燃空氣的接觸狀態以及混合難易程度等因素有關。燃燒方法煤氣燒嘴油燒嘴煤粉燒嘴移動爐柵手燒水平爐柵α值1.1~1.21.2~1.41.2~1.41.3~1.61.5~2.0大氣污染控制工程783.空燃比（AF）燃燒也通常采用空燃比（A/F）這一術語，分為理論空燃比和實際空燃比兩種。理論空燃比是指單位質量的燃料燃燒所需要的空氣質量，它可以由燃燒反應式計算得到。例如甲烷的理論A/F為17.2，汽油（辛烷）的理論A/F為15。2.3燃燒計算大氣污染控制工程792.3.1.3理論煙氣量

理論煙氣量是指供給理論空氣量的情況下，燃料完全燃燒產生的煙氣量。若不考慮氮的氧化，則理論煙氣的組成是CO2、SO2、N2和水蒸汽。前三種組分合起來稱為干煙氣，包括水汽在內時稱為濕煙氣。2.3燃燒計算

二氧化碳量氫轉化為水燃料和空氣含水空氣中氮氣燃料氮當空氣過剩系數為α時，則完全燃燒產生的濕煙氣體積為：干煙氣體積為：大氣污染控制工程802.3.1.4利用煙氣分析數據計算過剩空氣系數燃料燃燒時，由于各種原因，實際的過剩空氣系數常與設計值不符。過剩空氣量的大小直接影響其熱效率。因此，必須經常根據奧氏煙氣分析儀測定的煙氣分析結果（干煙氣中CO2、SO2、O2和CO的含量）計算過剩空氣系數，及時檢查和調節過剩空氣量，使其符合燃燒過程的需要。2.3燃燒計算大氣污染控制工程81完全燃燒時的過剩空氣系數

式中，、、、分別為干煙氣中O2、SO2、CO2和N2的體積分數，均可由煙氣成分分析而得。

2.不完全燃燒時的過剩空氣系數氣體燃料在不完全燃燒時，干煙氣的成分除了CO2、SO2和O2之外，還有CO、H2、CH4。與完全燃燒相比，消耗的氧量少。所以不完全燃燒時，煙氣的含氧量就包括過剩空氣的氧和由于不完全燃燒而未耗用的氧兩部分。

2.3燃燒計算大氣污染控制工程82式中，、、、、、、分別為干煙氣中相應組分的體積分數。2.3燃燒計算大氣污染控制工程83例.燃料油的重量組成為：C86%，H14%。在干空氣下燃燒，煙氣分析結果（基于干煙氣）為：O21.5%；CO600×10－6（體積分數）。計算燃燒過程的空氣過剩系數。大氣污染控制工程84解：以1kg油燃燒計算，C860g71.67mol；H140g140mol，耗氧35mol。設生成COxmol，耗氧0.5xmol，則生成CO2（71.67－x）mol，耗氧（71.67－x）mol。煙氣中O2量總氧量干空氣中N2：O2體積比為3.76：1，則含N23.76×（106.67+24.5x）。根據干煙氣量可列出如下方程：解得x=0.305例.燃料油的重量組成為：C86%，H14%。在干空氣下燃燒，煙氣分析結果（基于干煙氣）為：O21.5%；CO600×10－6（體積分數）。試計算燃燒過程的空氣過剩系數。大氣污染控制工程85故CO2%：N2%：空氣過剩系數大氣污染控制工程862.3燃燒計算2.3.2液體和固體燃料的燃燒計算2.3.2.1發熱量

液體和固體燃料的高位與低位發熱量的換算可依照下式：若已知燃料中氫和水的重量百分數，可采用下式計算低位發熱量：大氣污染控制工程872.3.2.2理論空氣量和實際空氣量式中，WC、WH

、WS、WO—分別為燃料中碳、氫、硫、氧元素的質量分數。實際空氣量V（Nm3）為2.3燃燒計算大氣污染控制工程88[例2-2]某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結果如下（按質量）：C88.3%，H9.5%；S1.6%，H2O0.05%，灰分0.10%。求：燃燒1kg重油所需要的理論空氣量。解：

＝[(1.866×0.883＋5.556×0.095＋0.699×0.016)/0.21]

＝10.41m32.3燃燒計算大氣污染控制工程892.3.2.3理論煙氣量理論煙氣量等于1kg燃料完全燃燒生成的燃燒產物量，加上空氣和燃料帶入的水和氮的量。因此，理論濕煙氣量（Nm3）為式中，Ww為燃料中水的質量分數。過剩空氣系數為α時，完全燃燒的濕煙氣量2.3燃燒計算大氣污染控制工程90例［2-3］：某鍋爐燃燒組成成分為C＝86％、H＝11％、S=3％的燃料重油，經對煙氣（基于干煙氣）組分分析得知，其組成為[CO2]+[SO2]＝13.0％，[O2]＝3.0％，[CO]＝0％。試求每燃燒1kg重油所需的理論空氣量和排煙中SO2的濃度。解：燃燒1kg重油所需理論空氣量A0為：2.3燃燒計算大氣污染控制工程91生成的干煙氣中CO2+SO2量為：2.3燃燒計算=1.63m3/kgVCO2+SO2=1.866WC+0.699WS生成的干煙氣量為：Vf

=1.63/0.13=12.5m3/kg大氣污染控制工程92補充：理論空氣量和煙氣量的近似計算在缺乏燃料組分或元素分析數據，而又希望能快速算出燃燒某種燃料所必需的理論空氣量和可能生成的煙氣量時，可采用下述經驗公式進行近似計算。理論空氣量和煙氣量與燃料的低位發熱量有關。2.3燃燒計算大氣污染控制工程932.3燃燒計算表理論空氣量和煙氣量與發熱量的關系大氣污染控制工程942.4機動車大氣污染物的生成控制2.4.1概述機動車行業發展迅速，2003年，我國成為世界上第四大汽車生產國和第三大消費國；2003年我國摩托車產量達1450萬輛，居世界第一，保有量5929萬輛。由于以往的機動車排放標準比較寬松，控制技術相對落后，車輛的維修保養不好，因此，我國大部分機動車的單車排放因子很大。另外，由于大多數城市交通道路系統不合理，車輛擁堵頻繁，使汽車處于頻繁加、減、怠速狀態，運行工況惡劣，這也導致汽車尾氣排放的大幅度增加。在很多大城市，機動車尾氣已成為這些城市空氣污染的第一大污染源。大氣污染控制工程952.4.1.1機動車的分類按其用途可分為轎車、客運車、貨運車、農用車和摩托車等幾類。根據其所用能源可分為汽油車、柴油車和清潔能源車等，其中后者目前所占比例極小。2.4.1.2機動車大氣污染源及其主要污染物2.4機動車大氣污染物的生成控制排放源相對排放率/%COHCNOX碳煙顆粒尾氣曲軸箱燃油系統98~991~2055~652510~2098~991~2010000表2-12機動車主要有害物質的排放源及其相對排放率大氣污染控制工程962.4機動車大氣污染物的生成控制污染物汽油機柴油機備注CO排放比例/%HC排放濃度/×10-6NOX排放濃度/×10-6PM排放量/g.km-110<30002000~40000.010.5<5001000~40000.5汽油機約為柴油機的20倍以上汽油機約為柴油機的5倍以上兩者大致相當柴油機為汽油機的50倍以上運轉工況氣體污染物排放比例/%COHCNOX怠速等速加速減速4.07.181.17.84.47.038.550.10.0510.689.30.1表2-12汽油車和柴油車的主要污染物排放情況表2-13汽油車各種運轉工況下氣體污染物排放的體積分數大氣污染控制工程972.4.2汽油車的污染控制污染源：汽油車的曲軸箱排氣，這部分排放約占汽油車HC總排量的25%。汽油蒸發排放，約占汽油車HC總排放的20%。尾氣污染物主要為：CO、HC、NOX三種2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程982.4.2.1汽油機的工作原理通常使用的汽油發動機為火花點火的四沖程汽油機。進氣沖程壓縮沖程作功沖程排氣沖程2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程992.4.2.2汽油車污染物的生成機理CO的生成機理空燃比小于理論空燃比時，隨著A/F的減小，CO濃度增大。混合氣空燃比大于理論值時，由于各缸混合不一定均勻，燃燒室各處的混合也不均勻，總會出現局部的濃混合氣，因此排氣中仍會有少量CO產生。由于燃燒后的高溫，生成的CO2會有一小部分分解成CO和O2。而且，排氣中的H2和未燃烴也可能將排氣中的一部分CO2還原為CO。2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1002．HC的生成機理（1）不完全燃燒：在以預混合氣進行燃燒的汽油機中，HC與CO一樣，也是不完全燃燒的產物。（2）壁面淬熄效應：溫度較低的燃燒室壁面對火焰迅速冷卻（也稱激冷），使活化分子的能量被吸收，鏈式反應中斷，在壁面形成厚約0.1~0.2mm左右的不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層，產生大量的未燃HC。（3）狹縫效應：生成HC的最主要來源。（4）壁面油膜和積炭吸附

2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1013．NOX的生成機理

汽油機燃燒過程中生成的NOX主要是NO，NO2量很少，對一般汽油機，NO/NOX＝90%~99%。在汽油機產生NO的三個途徑中，燃料型和快速型NO的生成量都很小，高溫NO是其主要來源。2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1022.4.2.3汽油車大氣污染物的生成控制1．法規建設和實施2．加強城市規劃和交通管理3．在用車排放污染的檢測/維護（I/M）制度4．燃料的改進和替代汽油的改進清潔氣體燃料清潔液體燃料氫燃料新型動力汽車2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1035．汽油機改進

汽油箱蒸氣控制：采用密封式汽油箱蒸氣控制裝置。碳罐吸收和儲存蒸氣，當發動機工作時，利用化油器的真空將貯存的汽油蒸氣吸入化油器，回收作燃料。曲軸箱排氣的回收：將抽出的氣體引入發動機進氣系統，強制通風。汽油直接噴射技術：將汽油直接氣化、霧化噴入發動機，目前我國生產的轎車，基本上采用了電噴系統。廢氣再循環2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1042.4.3柴油車大氣污染物的生成控制由于柴油機使用的混合氣空燃比大于理論空燃比，混合氣的形成及燃燒方式與汽油機不同，因此排放特性與汽油機的不同。柴油機的CO和HC排放不到汽油機的十分之一，NOX總體排放略低于汽油機，但柴油機排放的顆粒物卻是汽油機的幾十倍。因而柴油機排放控制的重點是顆粒物和NOX。柴油機的排放特性與燃燒室的形式有很大關系。擴散型燃燒是柴油機燃燒的主要形式。2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1052.4.3.1柴油車污染物的生成機理柴油機氣態污染物的生成機理（1）柴油機的噴注模型

噴入氣缸內的油束稱為噴注。噴注的外形呈焰體狀；噴注心部的油粒粗，速度高，越向外層，油粒越細，速度越低；在噴注的最外層和前端幾乎為蒸氣。（2）噴注燃燒和氣態污染物的生成2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1062.4機動車大氣污染物的生成控制（2）噴注燃燒和氣態污染物的生成2．柴油機顆粒物的生成機理柴油機排出的顆粒物一般是汽油機的30~80倍，其直徑大約在0.1~10μm。柴油機排出的顆粒物與汽油機不同，汽油機排放的顆粒物主要是含鉛微粒和低分子量的物質；柴油機顆粒物是由碳煙（DS）、可溶性有機物（SOF）和硫酸鹽三部分組成。大氣污染控制工程107

柴油機的排煙通常可分為白煙、藍煙和黑煙三種。白煙是直徑大于1μm的微粒，一般出現在寒冷天氣冷起動和怠速工況時。改善柴油機起動性能后，白煙可減少。藍煙是燃油或潤滑油在幾乎沒有燃燒或部分燃燒而處于分解狀態下，呈直徑小于0.4μm的液態微粒的排出物。通常發生在柴油機充分暖車之前，或在很小的負荷下運行時。黑煙通常是在大負荷時產生的。燃油在高溫缺氧的條件下，發生部分氧化、熱裂解和脫氫，形成碳粒子，經碰撞凝聚而形成碳煙。2.4機動車大氣污染物的生成控制大氣污染控制工程1082.4機動車大氣污染物的生成控制對過剩空氣系數α<0.6的混合氣，在1500K以上溫度燃燒后必定產生碳煙，在1600~1700K范圍內碳煙的生成量達到最大值。若要使燃燒后的碳煙和NOX都很少，混合氣的過剩空氣系數應該在0.6~0.9之間。在實際中如何將過剩空氣系數控制在該范圍內，又保證完全燃燒，是一個很困難的技術課題。大氣污染控制工程109

在整個燃燒過程中，碳煙要經歷生成和氧化兩個階段。加速碳煙氧化的措施，往往會引起NOX的增加，因此，為了同時降低NOX的排放，控制碳煙排放應著重控制碳煙的生成階段。2.4機動車大氣污染物的生成控制