污染排放1課件

污染排放2024/5/12污染排放[1]第11章燃燒污染物1998年全國一半以上的城市降水年均pH值低于5.6，覆蓋面積占國土面積的40%以上。其主要原因是以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)造成的煤煙型污染嚴(yán)重。武漢2012年首次出現(xiàn)灰霾污染排放[1]我國“十一五”規(guī)劃：燃煤發(fā)電廠SO2排放由2005年的1300萬噸下降到2010年502萬噸，減少61.4%。2011年7月頒布燃煤鍋爐排放新標(biāo)準(zhǔn)SO2：100mg/m3（新建鍋爐）；200mg/m3（現(xiàn)有鍋爐）NO2：100mg/m3；200mg/m3（W鍋爐，流化床鍋爐）煙塵：30mg/m3；20mg/m3（重點(diǎn)地區(qū)）汞及其它化合物：0.03mg/m3

第11章燃燒污染物污染排放[1]美國1940

1973年由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展致使能源消耗不斷增加，SO2排放量呈上升的趨勢，1973年的SO2排放量高達(dá)2895萬噸，為美國歷史上SO2排放量最高的年份。1973

1983年SO2排放量逐年下降，這十年中盡管燃煤量增加，而SO2排放量則削減28.5%，大氣中的SO2濃度降低了近35%。日本1970年的SO2排放量500萬噸，1981年降到110萬噸，11年間SO2總量削減了80%，SO2濃度下降了60%左右。英國1970

1983年SO2排放量削減了40%。原西德1983

1988年SO2排放量削減了67.5%。發(fā)達(dá)國家70年代、80年代前幾年是大幅度削減SO2排放量的集中年代，并取得顯著效果。美國降低SO2污染的主要技術(shù)措施有：①洗煤率高達(dá)60%以上；②增加低硫煤開采與使用量；③大規(guī)模采用煙氣脫硫裝置等；④大力采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。第11章燃燒污染物污染排放[1]第11章燃燒污染物一次空氣的污染來自于直接排放煙氣，二次污染則是由一次污染物與大氣之間的反應(yīng)形成的，進(jìn)而從多方面影響我們的生活環(huán)境及人類的健康。研究表明，在對(duì)流層中空氣污染帶來的影響主要有4個(gè)方面：（1）

改變了空氣的性質(zhì)和降雨量。（2）

破壞植物生長（3）

侵蝕和損壞物件和材料（4）增加人類的疾病的發(fā)生率和死亡率由于含碳顆粒物、硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)化合物及二氧化氮的存在，改變了空氣的性質(zhì)，使空氣中的能見度降低。高濃度的SO2形成了硫酸小液滴，成為凝結(jié)的核心，這將導(dǎo)致霧的形成、降雨量的增加、光線輻射的減少、以及改變氣溫和風(fēng)力分布。SOX和NOX的排放形成的酸雨。溫室氣體產(chǎn)生溫室氣體效應(yīng)，從而改變?nèi)虻臍夂?，并影響湖泊和土壤?！?1.2污染物帶來的影響

污染排放[1]第11章燃燒污染物植物被SO2的毒素、硝酸鹽、C2H4等污染和破壞。這些毒素毀壞葉綠素，破壞植物的光合作用。顆粒物質(zhì)會(huì)弄臟衣物、房屋和其它建筑物，破壞了環(huán)境的美麗，并且增加清理環(huán)境污染的費(fèi)用。一些酸性堿性顆粒，尤其是那些含有硫元素的顆粒，能腐蝕漆料、建筑物的磚石、電線、紡織品等，而臭氧能嚴(yán)重破壞橡膠。大氣污染能加大呼吸道疾病的發(fā)病率。在倫敦（1952年）、紐約（1966年）都曾發(fā)生過令人震驚的空氣污染事件，造成大量傷亡和極壞影響。這些事件都是由于空氣中同時(shí)含有高濃度的SO2和顆粒物質(zhì)造成的。光化學(xué)煙霧里的一些污染物能夠引起眼的疾病，這些污染物如臭氧、有機(jī)氮合物、烴化物。光化學(xué)煙霧最初是由氮氧化合物和各種烴化物之間的反應(yīng)造成的。含氮的碳基顆?？赡馨掳┪镔|(zhì)。一氧化碳對(duì)健康也有明顯的危害。超音速飛機(jī)將NOX排放入同溫層能夠加速同溫層臭氧層的破壞，同溫層臭氧的破壞會(huì)引起更多有害的紫外線穿透入地球表面。因此，發(fā)展超音速飛機(jī)低NOX排放量燃燒器或發(fā)動(dòng)機(jī)在目前受到美國航天局和發(fā)動(dòng)機(jī)廠商極大地關(guān)注，同時(shí)它也是決定超音速飛機(jī)前途的一個(gè)主要因素。污染排放[1]酸雨對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的危害污染排放[1]對(duì)森林生態(tài)的危害對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的危害污染排放[1]對(duì)建筑物和材料的危害污染排放[1]對(duì)人體健康的危害污染排放[1]SOx，NOx形成酸雨有毒痕量元素（Hg,Se,As,Pb,Cr,Cu,Zn,Ni等）顆粒物PM2.5，PM10溫室氣體CO2等燃燒產(chǎn)生的污染問題第11章燃燒污染物污染排放[1]占全國排放比例：燃煤污染物SO2－85%CO2－85%NOx－60%粉塵－70%第11章燃燒污染物污染排放[1]歷史上與SO2有關(guān)的大事記污染排放[1]第11章燃燒污染物§11.3污染排放的計(jì)量

11.3.1排放指數(shù)物質(zhì)i的排放指數(shù)是指物質(zhì)i的排放量與燃燒過程中的燃料量之比，即排放指數(shù)是一個(gè)無量綱的量，有時(shí)為了避免排放指數(shù)使用太小的數(shù)字，通常排放指數(shù)會(huì)使用一些單位如g/kg等。排放指數(shù)明確表示了單位燃料產(chǎn)生的污染物的數(shù)量，而不必考慮產(chǎn)物的稀釋或燃燒過程的效率。排放指數(shù)是燃料燃燒過程產(chǎn)生污染物能力的量度，且與具體的應(yīng)用分開。（11-1）11.3.2排放濃度及濃度間的轉(zhuǎn)換

排放煙氣中污染物濃度，vi/v0%；ppm；mg/m3把煙氣中的污染物排放濃度換算到特定的氧氣濃度下，可以消除不同稀釋程度所造成的影響。這樣，污染排放水平才能得到正確的比較。燃燒產(chǎn)物中，任何一種物質(zhì)組分的濃度或摩爾分?jǐn)?shù)可分為“濕基”或“干基”。濃度的轉(zhuǎn)換將會(huì)以“濕基”或“干基”為前提條件下進(jìn)行。假設(shè)燃燒是在化學(xué)當(dāng)量或貧燃條件下進(jìn)行，燃燒的產(chǎn)物為少量的CO、H2和污染物，一摩爾燃料在空氣中（21%O2，79%N2）燃燒可以表示為：污染排放[1]第11章燃燒污染物CxHy+aO2+3.76aN2→xCO2+（y/2）H2O+bO2+3.76aN2+微量組分（11-3）在分析之前，將產(chǎn)物樣品中的水分除去，得到稱之為干基下的濃度。若產(chǎn)物的溫度較高，水分仍然保留著，得到稱之為濕基下的濃度。物質(zhì)的干基下的摩爾分?jǐn)?shù)可以定義為：（11-4a）相應(yīng)的濕基下物質(zhì)i的總摩爾分?jǐn)?shù)是：（11-4b）對(duì)應(yīng)于碳?xì)淙剂螩xHy污染排放[1]第11章燃燒污染物濃度轉(zhuǎn)換是將原始測量得到的污染物濃度轉(zhuǎn)換成特定氧氣濃度下的污染物濃度。例如將實(shí)測得到的200ppm的NO換算成煙氣中氧氣為6%濃度時(shí)的值。將被測量物質(zhì)的濃度從一定氧氣濃度的數(shù)值下?lián)Q算到另一個(gè)氧氣濃度下的數(shù)值，可按下面公式進(jìn)行：不同氧濃度之間的轉(zhuǎn)換污染排放[1]第11章燃燒污染物§11.3預(yù)混燃燒污染物的排放

預(yù)混燃燒的一次污染物主要是氧化氮，一氧化碳，未完全燃燒及部分燃燒的碳?xì)浠衔锖蜔熀?。幾乎所有的預(yù)混燃燒都使用低硫燃料，因此在預(yù)混燃燒系統(tǒng)中SOX的排放通常不必考慮。天然氣基本上不含硫，汽油中S的質(zhì)量含量低于600ppm。對(duì)于非預(yù)混燃燒，如煤或低質(zhì)油的燃燒，SOX的排放將是一個(gè)主要關(guān)注的問題。11.3.1氮氧化物污染排放[1]第11章燃燒污染物11.3.1.1氮氧化物形成機(jī)理燃料燃燒過程中所生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常把這兩種氮氧化物合稱為NOX，而其中NO約占95%以上。根據(jù)NOX的生成機(jī)理及所受影響不同，可將NOX的形成分為熱力氧化氮、快速氧化氮和燃料氧化氮三類。熱力氧化氮。生成機(jī)理是：空氣中的N2在高溫下氧化，是通過如下一組不分支的連鎖反應(yīng)進(jìn)行的。其過程中O、OH、N2等組分達(dá)到平衡，氮原子（N）的個(gè)數(shù)處在穩(wěn)定狀態(tài)。N2+O→N+NOO2+N→NO+ON+OH→NO+H前兩個(gè)反應(yīng)稱為捷里多維奇機(jī)理，第三個(gè)反應(yīng)稱為擴(kuò)大的捷里多維奇機(jī)理。捷里多維奇機(jī)理生成特點(diǎn)是生成反應(yīng)比燃燒反應(yīng)慢，主要在火焰下游高溫區(qū)生成NOX。污染排放[1]溫度：在燃燒過程中，溫度越高，生成的NOX量越大。實(shí)際燃燒中溫度通常高于1500℃，因此易產(chǎn)生較多的NOX。過?？諝庀禂?shù)：由于O2的濃度對(duì)熱力NOX有直接的影響，因此過?？諝庀禂?shù)

對(duì)NOX有著明顯的影響。在燃料燃燒過程中，當(dāng)

=1.05~1.2范圍時(shí)，NOX的生成量最大，而偏離這個(gè)范圍時(shí)，NOX的生成量會(huì)明顯減少。時(shí)間：當(dāng)N和O處于高溫區(qū)的時(shí)間越長，N和O的反應(yīng)越充分，則生成的NOX越多。第11章燃燒污染物丙烷-空氣預(yù)混燃燒熱力NOX起源于空氣中的N2，主要是在1800K以上的高溫區(qū)產(chǎn)生，其特點(diǎn)是正反應(yīng)速度比逆反應(yīng)速度快，且與反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和O2的濃度成正比，因此影響熱力NOX生成有：污染排放[1]熱力NO可通過O和N離子的熱力平衡方法計(jì)算得到。根據(jù)反應(yīng)（11-13）和（11-14），若忽略逆反應(yīng)，我們得到（11-15）其中k1f指有限反應(yīng)O+N2→NO+N的反應(yīng)速率。當(dāng)NO濃度達(dá)到一定量時(shí)，則需要考慮逆反應(yīng)。使用式（11-15）的前提條件是：NO生成的速度要比燃燒的速度慢得多，即可以假定燃燒和NO的形成是分別進(jìn)行的。當(dāng)O和OH在離子數(shù)量上超過平衡態(tài)時(shí)（約103），熱力NO的形成過程不再成立，這種情況能夠發(fā)生在燃燒的火焰區(qū)域。此時(shí)NO的生成比O在平衡時(shí)更加迅速。計(jì)算超平衡態(tài)下的離子濃度十分復(fù)雜，必須聯(lián)系到燃料氧化動(dòng)力學(xué)。同樣，在火焰區(qū)域。第11章燃燒污染物污染排放[1]第11章燃燒污染物快速氧化氮（

Fenimore提出）快速型NOx的生成量與同樣源于空氣中N2，但它又與熱力NOx的機(jī)理不同，對(duì)溫度的依賴性也低。碳?xì)浠衔锶剂系倪^濃預(yù)混合燃燒火焰中生成的NOx，雖然是起源于空氣中的N，但又是以不同于熱力NOx的生成機(jī)理，它為急速生成的NOx，這部分NOx稱為快速型NOx?？焖傩蚇Ox是經(jīng)HCN、NH、N等中間產(chǎn)物形成的，而HCN、NH、N等中間產(chǎn)物又是由碳?xì)浠衔锓纸膺^程中形成的活性炭化氫（CH、CH2等）與N2反應(yīng)生成的：CH＋N2＝HCN＋NCH2＋N2＝HCN＋NHHCN和NH經(jīng)一系列的反應(yīng)變成CN、N，再被氧化為NO。

污染排放[1]右圖為是在最高火焰溫度保持不變的丙烷-富氧空氣平面火焰中，快速型NO濃度、反應(yīng)帶下游的NO最大濃度以及相應(yīng)于最高火焰溫度的NO平衡濃度和當(dāng)量比

的關(guān)系。

﹤1時(shí)，快速型NO所占的比例極小，以熱力NO為主。

﹥1.4后，幾乎都是快速型NO。因?yàn)榭焖傩蚇O的生成速度快，所以其濃度幾乎和平衡濃度一致，且隨

的增加而減少。在1﹤﹤1.4時(shí)為中間行為。

=1.4左右時(shí)快速型NO的濃度達(dá)到最大值。各種碳?xì)漕惾剂虾涂諝獾娜紵话愣季哂邢嗤膬A向。當(dāng)量比對(duì)NO生成的影響（丙烷-富氧空氣平面火焰，最高火焰溫度一定）第11章燃燒污染物污染排放[1]燃料氧化氮。燃料燃燒過程中，燃料所含的氮被轉(zhuǎn)化為氧化氮。煤的含氮量約在0.4~3%，重油的含氮量約在0.1~0.3%，這些氮在燃燒中被分解后釋放，形成NHi、HCN等中間產(chǎn)物（用I表示），通過下圖所示的競爭反應(yīng)，一部分轉(zhuǎn)換為NO，其余的變成N2。生成的燃料型NOx濃度和當(dāng)燃料氮100%轉(zhuǎn)換時(shí)的NOx濃度的比稱為燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率CR。即CR=[NO]/[FN]

在預(yù)混燃燒的燃料中（如天然氣，汽油）只有很少量的氮或沒有氮，因此，氧化氮形成的第3種形式，即燃料氧化氮在預(yù)混燃燒中不是十分重要，可以忽略。第11章燃燒污染物污染排放[1]第11章燃燒污染物燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率CR因當(dāng)量比、溫度、壓力、燃料的種類以及氮化合物的種類和濃度的不同而不同。右圖是丙烷-空氣預(yù)混合平面火焰中添加了NH3作為燃料氮時(shí)，燃料氮向NO、HCN以及NH3轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率隨當(dāng)量比變化的結(jié)果。隨著

增大進(jìn)入燃料過濃區(qū)域，燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化率減小，而向HCN、NH3的轉(zhuǎn)化率增加。圖中的虛線是向TFN（totalfuel：NO＋HCN＋NH3）的轉(zhuǎn)化率，在約=1.4時(shí)達(dá)最小值。這一特性在低NOx化的兩段燃燒中是非常重要的，在

﹥1.4時(shí)，HCN、NH3和下游吹入的空氣混合后會(huì)部分轉(zhuǎn)化為NO。最低轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比約為

=1.4（過剩空氣系數(shù)a=0.7）。當(dāng)量比對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響（TFN＝NO＋HCN＋NH）丙烷-空氣預(yù)混合平面火焰，燃料氮NH3＝4％

由于燃料氮在較低的溫度下分解，所以燃料NOx的生成對(duì)溫度的依賴性比較低。污染排放[1]第11章燃燒污染物污染排放[1]第11章燃燒污染物表11.1顯示在預(yù)混燃燒中，通過各個(gè)途徑產(chǎn)生的NO的計(jì)算量。不同的壓力下層流火焰對(duì)NO產(chǎn)生的影響在低壓情況下，NOX的生成主要是通過的HC－N2和超平衡得到。在10個(gè)大氣壓下，熱力NOX約占總NOX的一半稍多。表11.1中的數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測火花點(diǎn)火（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)，在按當(dāng)量燃燒和壓力超過20個(gè)大氣壓的情況下NOX的排放趨勢十分有益。富燃率對(duì)NO產(chǎn)生的影響隨著富燃率的增加，快速NOX所占比例越來越大，當(dāng)Ф=1.32時(shí)，產(chǎn)生的Fenimore快速NOX占到95%。在更大的富燃條件下，F(xiàn)enimore快速NOX不再占主導(dǎo)。均勻攪拌反應(yīng)器中NO生成情況在貧燃預(yù)混燃燒時(shí)，超平衡濃度的O、OH過程對(duì)NOX的產(chǎn)生主要地位。在當(dāng)量或富燃條件下，F(xiàn)enimore（HC—N2）過程控制著NOX的產(chǎn)生。污染排放[1]第11章燃燒污染物11.3.1.2NOX的控制方式當(dāng)熱力NOX占形成NOX過程的主要地位時(shí)，燃燒的時(shí)間、溫度和氧量都是影響NOX生成的因素。在O+N2→NO+N的過程，化學(xué)反應(yīng)速率中的活化溫度很大（EA/RU=38370K），當(dāng)溫度超過1800K時(shí)，熱力NOX的生成迅速增加。對(duì)于絕熱定壓燃燒，最大的平衡O原子的摩爾分?jǐn)?shù)約在Ф=0.9附近（圖11.2）。對(duì)許多實(shí)際裝置，從排放觀點(diǎn)來看，產(chǎn)生NOX最大值也是機(jī)組取得最高效率的時(shí)候。空氣—燃料比圖11.2SI發(fā)動(dòng)機(jī)在不同點(diǎn)火時(shí)間NOX生成與燃?xì)獗鹊年P(guān)系

污染排放[1]第11章燃燒污染物降低最高溫度能很好減少NOX的排放。在工業(yè)鍋爐和SI發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過將煙氣（或廢氣）與新鮮空氣或燃料混合能夠達(dá)到降低NOX的排放。圖11-3顯示煙氣再循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果。煙氣再循環(huán)的作用是增加了燃燒氣體的熱容量，當(dāng)燃燒給出的熱量是一定時(shí)，由于熱容量的增加，從而降低了燃燒溫度。氧化氮的排放量（濕基）煙氣再循環(huán)率%圖11.3SI發(fā)動(dòng)機(jī)中煙氣再循環(huán)對(duì)NOX排放的影響污染排放[1]第11章燃燒污染物圖11-4給出了SI發(fā)動(dòng)機(jī)NO減少量與熱容量之間的關(guān)系。貧燃燃燒過程與煙氣再循環(huán)類似，增加了產(chǎn)物的熱容量，降低了燃燒的溫度。氧化氮減少量%

熱容量增加量圖11.4SI發(fā)動(dòng)機(jī)熱容量對(duì)NOX排放的影響污染排放[1]第11章燃燒污染物例11.4按化學(xué)當(dāng)量比混合的丙烷與空氣在一個(gè)大氣壓下燃燒，考慮加入25%的N2對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行稀釋和無氣體稀釋的條件下的氮氧化物生成。假設(shè)燃燒在絕熱條件進(jìn)行，反應(yīng)物和稀釋氮?dú)獾某鯗囟际?98K，NO的生成是按Zeldovich（熱力NO）機(jī)理，比較無稀釋和25%的N2加入后（稀釋）情況下NO的生成率（增加的N2的摩爾分?jǐn)?shù)等于0.25的空氣摩爾分?jǐn)?shù)）。解：通過對(duì)增加N2和與否的兩種情況，進(jìn)行絕熱火焰溫和物質(zhì)組分的平衡態(tài)計(jì)算，可以得到火焰溫度、平衡態(tài)時(shí)的O和N2的摩爾分?jǐn)?shù)如下：由于公式（11-15）d[NO]/dt值，即：反應(yīng)速度系數(shù)k1f由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)求出：（m/kmol-s）沒有稀釋時(shí)：ppm有25%的氮?dú)庀♂寱r(shí)：ppm污染排放[1]第11章燃燒污染物兩種情況下生成率比值：由此可見，在沒有稀釋時(shí)，生成的NO要比稀釋情況約大50倍。從這個(gè)例子中可以看出，采用惰性氣體進(jìn)行稀釋，熱力NOX的生成大大減少。其原因是當(dāng)對(duì)燃?xì)庀♂尯?，由于燃燒溫度的降低，使得化學(xué)反應(yīng)速率k1f降低和O原子平衡態(tài)時(shí)的濃度χO的減少，從而減少了熱力NOX的生成。燃燒設(shè)備中NOX的生成量與燃燒產(chǎn)物在高溫下的停留時(shí)間有著密切的聯(lián)系。由于在通常條件下生成的NO濃度是遠(yuǎn)低于平衡濃度時(shí)的值，因此逆向反應(yīng)過程（NO的還原）就不很重要，故NO的生成量與在燃燒產(chǎn)物在高溫下停留時(shí)間成正比。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)燃燒系統(tǒng)時(shí)，燃燒的溫度與停留時(shí)間之間的關(guān)系是控制NO排放量的關(guān)鍵。污染排放[1]第11章燃燒污染物采用先富燃后貧燃的燃燒方式或先貧燃后富燃燃燒的方式，也可以控制NOX的生成量（圖11.5）。分級(jí)燃燒：在富燃燃燒和貧燃燃燒時(shí)NOX的生成是較低的，而在富燃過程中，未完全燃燒的CO及H2可以在貧燃過程中進(jìn)行完全燃燒，這樣既保證了燃料的完全燃燒，又使得NOX的排放控制在較低數(shù)值。要使分級(jí)燃燒有效，富燃的燃燒產(chǎn)物必須與空氣迅速混合，或者吸收（除去）兩個(gè)燃燒階段之間的大量熱量。圖11.5中路徑0-1-21-2代表的是理想情況下分級(jí)燃燒過程曲線圖中實(shí)線（鈴形曲線）代表在不同當(dāng)量比條件下、給出固定停留時(shí)間所產(chǎn)生的NOX量。在0-1線段（富燃階段）代表了在△trich時(shí)間內(nèi)生成的NOX量；1-21線段代表二次空氣與富燃燃燒的產(chǎn)物迅速混合，因△tmix=0，沒有額外的NOX生成；在貧氧階段，CO和H2被燃燒，新增加的NOX對(duì)應(yīng)于21-2線段，即貧燃的燃燒時(shí)間△tlean。路徑0-1-21-2代表瞬間混合的理想情況，路徑0-1-3代表緩慢混合圖11.5分級(jí)燃燒過程中NOX生成過程污染排放[1]第11章燃燒污染物在真實(shí)的過程中，二次空氣與富燃燃燒的產(chǎn)物不可能瞬間完成混合，由富燃向貧燃過渡必須經(jīng)過當(dāng)量比為1的高NOX形成區(qū)域，生成一定量的NOX，如圖中曲線1-3的過程。分級(jí)燃燒的成功取決于實(shí)際過程當(dāng)中二次空氣與燃燒產(chǎn)物的混合是否充分和迅速。理想的分級(jí)燃燒（0-1-21-2）是2種預(yù)混燃燒的過程，但實(shí)際上大多燃燒過程由于富燃產(chǎn)物與二次空氣的混合不能及時(shí)而使得燃燒過程成為非預(yù)混燃燒（或擴(kuò)散燃燒）。Siewert和Turns描述了理想的分級(jí)燃燒在擁有2個(gè)汽缸的SI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行的過程。第1個(gè)汽缸經(jīng)過富燃燃燒，其產(chǎn)物經(jīng)冷卻后并空氣混合，再送入到第2個(gè)汽缸里燃燒。結(jié)果表明，該系統(tǒng)只有少量的NOX生成，但CO和未完全燃燒的碳?xì)浠衔锱欧艥舛雀叩讲荒芙邮?。在汽車?yīng)用中，僅對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，是不能夠使NOX的濃度降到法定水平。因此，催化還原技術(shù)被用來降低廢氣（煙氣）中的NOX的濃度。污染排放[1]第11章燃燒污染物11.3.2一氧化碳CO是富燃燃燒產(chǎn)物的重要成份，在富燃預(yù)混條件下，都必將會(huì)產(chǎn)生一定量CO。大部設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，富燃預(yù)混燃燒的情況一般是可以避免。SI發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段和最大限度提供能量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)富燃預(yù)混燃燒情況。按化學(xué)當(dāng)量比或貧燃時(shí)預(yù)混燃燒，CO的產(chǎn)生是在特殊的燃燒溫度下由于CO2的分解而來。圖11.6是在絕熱條件和常壓下，丙烷與空氣預(yù)混燃燒，CO的濃度：Φ=1時(shí)的1.2%至Φ=0.8時(shí)的830ppm。在平衡態(tài)的溫度為1500k時(shí)，CO的濃度迅速下降。爐內(nèi)燃燒過程，停留時(shí)間以秒計(jì)算，平衡態(tài)占主導(dǎo)地位。在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中，溫度在膨脹和煙氣排放階段下降非常快，CO未達(dá)到平衡態(tài)就排入大氣，此時(shí)的CO濃度可能介于最高溫度和壓力的平衡態(tài)與排放溫度和壓力下的平衡態(tài)之間。一氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)化學(xué)當(dāng)量比，Ф圖11.6丙烷-空氣預(yù)混燃燒絕熱和1500K時(shí)CO的生成量污染排放[1]第11章燃燒污染物§11.3非預(yù)混燃燒的污染排放

非預(yù)混燃燒和預(yù)混燃燒的化學(xué)過程雖然是一樣的，但是非預(yù)混燃燒伴隨著一些額外的物理過程，如蒸發(fā)及混合。非預(yù)混燃燒中，總的混合物是滿足化學(xué)計(jì)量比，但是在燃燒空間內(nèi)，一些區(qū)域形成富燃，另一些區(qū)域形成貧燃，燃燒是在更寬的化學(xué)計(jì)量范圍內(nèi)進(jìn)行。在某些情況下，非預(yù)混燃燒仍可看成預(yù)混燃燒進(jìn)行處理。如當(dāng)燃料蒸發(fā)和隨后的混合是足夠快條，甚至是燃料與空氣是分別進(jìn)入燃燒空間，只要蒸發(fā)和混合十分迅速，則系統(tǒng)仍然可以看成是預(yù)混燃燒模式，污染物的生成可按預(yù)混燃燒進(jìn)行分析。在非預(yù)混燃燒系統(tǒng)中，污染物的形成極為復(fù)雜，且在這樣的系統(tǒng)中，污染物的排放還常常取決于系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)（如燃料噴霧后的液滴尺寸和分布），所以對(duì)非預(yù)混燃燒中的污染物的排放在這里僅僅是做一個(gè)大致的介紹。污染排放[1]第11章燃燒污染物11.3.1氮氧化物11.3.1.1簡單的湍流射流火焰研究結(jié)果表明：射流火焰的NO一般產(chǎn)生于火焰的中低部的狹長的薄片狀火焰出口區(qū)域和火焰上部的相對(duì)寬大的反應(yīng)區(qū)。碳?xì)浠衔锏纳淞骰鹧嬷?，熱力機(jī)理、超平衡態(tài)機(jī)理和Fenimore機(jī)理形成的NO都有，而要確定總的NOX中由各生成機(jī)理所形成的NO的多少，仍是目前研究的課題。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)火焰溫度很高時(shí)，如在有輻射墻的爐膛中火焰或是使用富氧燃燒的火焰，NOX的生成可用Zeldovich（熱力）機(jī)理進(jìn)行計(jì)算。湍流射流燃燒中的熱力NOX如預(yù)混系統(tǒng)一樣，溫度、組分和時(shí)間是決定NOX排放的三個(gè)重要的因數(shù)。這3變量同樣控制著非預(yù)混火焰中的NOX的生成。在非預(yù)混射流火焰中，氣流各點(diǎn)的物質(zhì)組分是變化的，它們由流動(dòng)和混合過程確定。通過無量綱變化，可得到非預(yù)混射流火焰中的溫度分布以及與溫度分布相似的物質(zhì)組分分布。在非預(yù)混射流火焰中，熱力NO最初產(chǎn)生于火焰區(qū)，因?yàn)樵搮^(qū)具有很高的溫度且火焰中的O和OH離子有很高的濃度?；鹧鎱^(qū)域內(nèi)的溫度與組分分布由流體力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)決定。在更大的區(qū)域、更長的停留時(shí)間情況下，溫度和組分的分布結(jié)果受到輻射熱量的影響。污染排放[1]第11章燃燒污染物圖11.6給出了丙烷和乙烯的射流火焰在不同的總?cè)剂夏芰肯碌腘OX的排放量。由圖可見，由于燃料類型和初始射流直徑改變，得到燃料總的釋熱量的變化與NOX的生成關(guān)系。這樣的燃燒條件下，停留時(shí)間與火焰溫度對(duì)NOX形成起著相互彌補(bǔ)的作用。圖11.6湍流射流火焰NOX的排放增加燃料的流速（熱釋放量）時(shí)，可減少組分在火焰整體和局部的停留時(shí)間，也就減少了NO生成。停留時(shí)間的減少，輻射熱量損失就少，燃燒更接近絕熱過程，火焰的溫度更高，增加了NOX生成。較大的火焰直徑，當(dāng)釋熱量增加時(shí)，停留時(shí)間和火焰溫度對(duì)NOX的生成影響互相抵消。火焰直徑（dj）減小時(shí)，停留時(shí)間更短，火焰溫度更高，燃燒形成的NOX增加，并隨著釋熱量的增多，產(chǎn)生的NOX也增多。污染排放[1]第11章燃燒污染物圖11.7N2的稀釋對(duì)輻射分?jǐn)?shù)、火焰特征溫度和NOX生成的影響圖11.7的曲線揭示了火焰輻射的重要性圖中乙烯、丙烷、甲烷、一氧化碳-氫氣四種燃料具有不同的輻射特性。C2H4的輻射系數(shù)最大，其后依次是C3H8、CH4、CO-H2混合物。往燃料中添加N2將產(chǎn)生兩種影響：1.燃料的稀釋會(huì)導(dǎo)致火焰絕熱溫度的降低；2.火焰的煙黑量會(huì)減少（輻射系數(shù)降低）。大多數(shù)的發(fā)亮火焰（C2H4），輻射系數(shù)降低使輻射損失的減少遠(yuǎn)大于絕熱火焰溫度引起輻射損失，故火焰特征溫度增加（見圖11.7Tf圖）。對(duì)非發(fā)光（無煙黑）的CO-H2火焰，輻射損失主要受火焰絕熱溫度的影響，增加N2時(shí)，火焰特征溫度下降。C3H8和CH4的火焰特征溫度的變化情況則處于C2H4火焰和CO-H2火焰之間。在圖11.7中，NOX的排放量隨N2稀釋的變化規(guī)律正好與火焰特征溫度隨N2稀釋的變化規(guī)律對(duì)應(yīng)，這也標(biāo)明了熱量的損失對(duì)NOX排放的重要性污染排放[1]第11章燃燒污染物11.3.1.2工業(yè)燃燒設(shè)備在工業(yè)燃燒設(shè)備中，除了鍋爐外，還有加熱爐、烤爐、窯爐等，這些設(shè)備主要使用天然氣燃燒。圖11.8給出了工業(yè)中減少燃?xì)庠O(shè)備生成的NOX排放的不同方法，這些方法或技術(shù)同樣適用于燃油設(shè)備。NOX減少技術(shù)被分為燃燒控制方式和燃后控制方式兩大類。每種方式又有多種具體的技術(shù)措施。圖11.8燃用氣體燃料的工業(yè)燃燒設(shè)備中NOX的控制技術(shù)

污染排放[1]第11章燃燒污染物

（a）低過?？諝饬繜崃Ox排放在化學(xué)計(jì)量附近時(shí)會(huì)達(dá)到峰值（圖11.2）。低過?？諝饬考夹g(shù)是通過減少空氣的供應(yīng)，使NOX其從峰值回落下來。這種方法對(duì)降低NOX的排放是有限的，因?yàn)楫?dāng)空氣量減少時(shí)，CO的排放量上升了。

（b）分級(jí)燃燒這種方法主要是將現(xiàn)有的具有多個(gè)燃燒器的設(shè)備進(jìn)行修改和創(chuàng)新，典型的就是富燃-貧燃分級(jí)燃燒。即讓處于上游的燃燒器富燃運(yùn)行，而下游的燃燒器調(diào)整只供應(yīng)空氣或是貧燃運(yùn)行。另一種方法是將所有的燃燒器都富燃運(yùn)行，在下游出口前增加風(fēng)口提供空氣。采用這種技術(shù)后，NOX的排放量可以減少10

40%?？諝狻剂媳任廴九欧臶1]第11章燃燒污染物

（c）降低燃燒溫度在許多的燃燒設(shè)備中，用于燃燒的空氣一般都要經(jīng)過煙氣預(yù)熱以提高熱效率。如果減少預(yù)熱的空氣量，將會(huì)降低燃燒溫度，NOX隨之減少。采用向火焰噴水的辦法也能降低燃燒的溫度，因?yàn)椴糠秩紵臒崃勘挥糜谒恼舭l(fā)和過熱，原理上噴水與煙氣再循環(huán)（FGR）一樣，兩者都是作為稀釋劑被使用。圖11.9煙氣再循環(huán)對(duì)NOX排放的影響FGR的效率取決于煙氣的循環(huán)量和煙氣的溫度。圖11.9給出了分別使用環(huán)境空氣和500°F（533K）空氣進(jìn)行燃燒時(shí)煙氣再循環(huán)率對(duì)NOX的生成的影響。在燃?xì)獾墓I(yè)鍋爐中使用FGR技術(shù)可將NOX的生成量減少約50

80%。污染排放[1]第11章燃燒污染物

（d）低NOX燃燒器為了降低NOX的排放，在燃燒器的設(shè)計(jì)中采用燃料分級(jí)或空氣分級(jí)。燃料分級(jí)的順序是先貧燃燃燒（通常是弱貧燃），后富燃燃燒（圖11.10）。而空氣分級(jí)的順序是先富燃燃燒，后貧燃燃燒（圖11.11）。另一種類型的低NOX燃燒器是多孔陣型燃燒器，這種燃燒器是利用金屬的或陶瓷的多孔陣型使燃料與空氣進(jìn)行預(yù)混燃燒，而由于多孔陣型增加了輻射和對(duì)流的熱交換，使得燃燒溫度比較低的，因此NOX的排放也比較少。圖11.10低NOX燃燒器燃料分級(jí)圖11.11低NOX燃燒器空氣分級(jí)污染排放[1]第11章燃燒污染物（e）氧氣/空氣燃燒將額外的氧氣加入到燃燒用的空氣中，就能夠降低燃燒系統(tǒng)中的氮?dú)鉂舛?。隨著足夠多的氧氣的加入，氮?dú)鉂舛鹊慕?/p>