關于燃燒過程污染生成機理第1頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日一、硫在燃料中的存在形態

1、氣體燃料氣體燃料中的硫分95%左右是無機硫，主要以H2S形式存在，少量的有機硫包括二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）、硫醇（CH3SH）類、噻吩（C4H4S）、硫醚（CH2SCH3）等。第2頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、液體燃料石油中的硫主要以硫化氫、單質硫和各種有機硫化物的形式存在。有機硫存在于一些官能團中，包括噻吩類、硫醇類R-SH、硫醚等，以噻吩類居多。按含硫量的多少，一般燃油可分為低硫油（Sar＜0.5%）、中硫油（Sar=0.5%~2.0%）和高硫油（Sar＞2.0%）三種。

第3頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、硫在煤中的存在形態煤中的硫分按其存在形態也可分為無機硫和有機硫兩種，有的煤中還有少量的單質硫。第4頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日有機硫的組成極其復雜，目前大體上知道，有機硫存在于一些官能團中，包括亞砜、硫醚類、硫醇類R-SH、噻吩（硫茂）類、硫醌類和硫蒽類。其中噻吩類約占全部有機硫的40%-70%。

第5頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日煤中的硫又可分為可燃硫和不可燃硫。煤中各種形態硫的總和叫做全硫。第6頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日在破碎和制粉過程中，不同粒徑的煤粒中的礦物質分布不同，這種現象稱為偏析。偏析現象研究，應用德國元素分析系統公司的VARIOELIII元素分析儀測得邢臺電廠用煤（以下簡稱邢臺煤）與陽泉電廠用煤（以下簡稱陽泉煤）各四種不同粒度煤樣元素成分的平均數據，如表8-1所示。

第7頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日表8-1不同粒度煤的元素成分粒徑（目數）<140140-180180-200>200邢臺煤N(%)1.1321.0611.0070.942H(%)2.7172.652.552.423C(%)69.0867.0263.5459.41S(%)1.9841.871.8751.712陽泉煤N(%)1.1451.0790.9490.941H(%)3.2053.0422.792.772C(%)76.1269.9959.8958.88S(%)1.2631.4522.132.167第8頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日4、含硫量的測定方法我國頒行的《煤中全硫的測定方法》（GB214-83）。《煤中各種形態硫的測定方法》（GB215-82）從全硫中減去上述三種無機硫即為有機硫含量。第9頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日二、硫燃燒轉化的總體特性1、SO2的形成不同類型的硫化物開始分解的不同溫度。有機硫分解溫度為300~400℃，黃鐵礦硫為300~450℃，噻吩硫為480~500℃，硫酸鹽硫在1100℃以上。對煤中以黃鐵礦形態存在的硫分，其析出溫度較低。第10頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日有機硫在氧化性氣氛下遇氧全部氧化成SO2，在還原性氣氛下主要生成H2S，但遇氧后H2S被氧化成SO2，反應路線為：

S→H2S→HS→SO→SO2無機硫在還原性氣氛和小于500℃溫度及足夠停留時間條件下，將分解成FeS、S2和H2S，其中FeS必須在更高的溫度（≥1450℃）和更長的時間內才能氧化成SO2。在氧化性氣氛下，FeS2可直接氧化生成SO2。

4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2

第11頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日圖8-1SO2生成特性第12頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、影響SO2生成的因素（1）溫度（2）環境氣氛（3）停留時間（4）加熱速率（5）粒徑（6）煤質特性第13頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、SO2生成量的計算理論上的干煙氣中SO2的濃度可用下式計算：

第14頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日SO2實際濃度為：1990年我國部分行業燃煤硫的排放系數如表8-2所示。第15頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日表8-2燃煤硫的排放系數（1990年）行業年煤炭消耗量/萬噸平均含硫量/%平均硫排放系數煤炭工業5347.401.2050.82石油工業401.081.2050.83電力工業27059.101.1600.90有色金屬950.641.2050.85建材行業5747.541.2050.70輕工業9041.101.2050.82民用燃煤16699.701.2050.70第16頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日三、硫的熱分解及SO2生成動力學1、有機硫熱分解及燃燒分解和燃燒過程如下：有機硫→H2S+…..H2S+O2→SO2+…

第17頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、黃鐵礦熱分解與燃燒在900℃時，FeS與水反應生成Fe3O4。反應式如下：

3FeS+4H2O→Fe3O4+3H2S+H2

第18頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、SO2生成的反應動力學假定為一級反應，氣態SO2生成速率為：

w=kSar

k=k0exp(-E/RT)對于快速熱解（1000K/s），不考慮H2S與C反應，在硫析出階段，溫度在973~1223K范圍內，反應的活化能E為20~100kJ/mol。第19頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日四、SO3生成機理1、SO2氧化成SO3的過程

O2→O+OSO2+O→SO3

也可以寫成如下的總反應式：

SO2+O2→SO3+O

第20頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、影響SO3生成的因素影響SO3生成的主要因素有：（1）燃燒區的溫度。（2）氧濃度和壓力。（3）燃燒工況。第21頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、SO3生成的反應動力學在900～1350K溫度區間內，該反應的速度常數為：

k=(2.6±1.3)×106exp[(-23000±1200)/T]第22頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日第二節氮氧化物生成機理

據推算，全世界一年向大氣排放氮氧化物在7500×104t左右。氮有多種氧化物，包括氧化亞氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、四氧化氮（N2O4）、三氧化氮（N2O3）和五氧化二氮（N2O5）等。如無特殊說明，氮氧化物NOx一般指NO與NO2。在燃燒過程中排放的NOx約95%是NO，余下的5%是NO2。

第23頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日一、氮氧化物的危害大氣中的氮氧化物對人類及自然環境有很大的影響，主要體現在對人類健康、對植物生長及對全球大氣環境的影響。光化學煙霧；酸雨；溫室氣體。第24頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日表8-3未采用NOx控制技術時不同燃燒方式的NOx排放量燃燒方式NOx排放量×10-6kg/m3（體積分數為6%的O2）旋流燃燒器對沖或前墻布置800~2150四角切圓燃燒器500~1200格狀燃燒器（CellBurner）1230~2200層燃370~480拋煤機鏈條爐450~750常壓流化床200~400汽油機1000~4000柴油機500~2000第25頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日二、氮氧化物生成機理在實際處理過程中一般把NOx的生成分成熱力型NOx（T-NOx）、快速型NOx（P-NOx）和燃料型NOx（F-NOx）。

第26頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日1、熱力型NOx生成機理熱力型NOx是指燃燒用空氣中的氮在高溫下氧化而生成的氮氧化物。第27頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日

N2+O－NO+N其中正反應的E1=314kJ/mol，逆反應E-1=0。

O2+N－NO+O其中正反應的E2=29kJ/mol，逆反應E-2=165kJ/mol。熱力型NO的生成速率w為：

第28頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日影響熱力型NOx生成的因素有：（1）溫度（2）過量空氣系數（3）停留時間（4）燃料種類第29頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日第30頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日第31頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、快速型NOx生成機理碳氫系燃料在過量空氣系數小于1的情況下，空氣中氮在火焰面內急劇生成大量的NOx，而CO/空氣、H2/空氣，乃至（CO+H2）/空氣預混火焰卻沒有這種現象。第32頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日其反應式如下：

CH+N2－HCN+NCH2+N2－HCN+NHC2+N2－2CNHCN+OH－CN+H2ONH+O－NO+HN+OH－NO+H

第33頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日影響快速型NOx生成的因素有：（1）燃料種類（2）過量空氣系數（3）溫度（4）壓力（5）紊流脈動第34頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、燃料型NOx生成機理燃料中的氮氧化形成的NOx稱為燃料型NOx。第35頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日燃料型NOx生成的化學動力學參數為：（1）N→HCN

（2）N+1/2O2→NO

（3）NO+C→1/2N2+CO

第36頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日影響燃料型NOx生成的因素有：（1）溫度（2）氧濃度（3）燃料性質第37頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日三、煤粉爐內氮氧化物的生成1、爐內NOx生成過程在實際煤粉爐內燃燒過程中，NOx的生成也分為三部分，即燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx，但其比例是不一樣的。

第38頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日圖8-4爐內NOx生成過程第39頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、爐溫的影響爐溫主要影響熱力型NOx的生成量從而影響總的NOx的生成量，圖8-5表示了爐溫對爐內NOx的生成情況的影響。第40頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日圖8-5爐溫對NOx生成的影響第41頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、過量空氣系數的影響4、煤粉細度的影響第42頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日圖8-6過量空氣系數對NOx生成的影響第43頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日四、燃燒過程中N2O的生成與控制N2O能破壞臭氧層和造成溫室效應。目前，減少溫室氣體的排放，已引起世界各國的高度重視。

第44頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日在煤粉燃燒方式下，N2O排放量較少。在燃燒過程中N2O的均相生成主要是HCN和NH3的氧化，如果采用降低NOx技術時，可以采用噴尿素、氰氨酸等方法，這些物質也會通過均相反應的途徑生成N2O。

第45頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日在高溫火焰中N2O會迅速分解。在燃燒過程中，可以通過提高運行溫度、低氧燃燒、煙氣再燃等方法降低N2O的生成。

第46頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日第三節其它污染物生成機理

在燃燒過程中除了會產生SOx、NOx、CO2等要控制的污染物以外，還會產生其它的污染物質，其控制技術是目前的研究熱點。第47頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日一、碳黑的生成燃料燃燒時會排放出微粒物質，它主要可分成兩類：第一類是含灰燃料燃燒時排放的灰分，由碳、碳氫化合物、硫化物和含金屬元素的灰分等組成；第二類是燃燒過程中產生的，其中最大的部分為碳黑粒子。碳黑粒子在形成過程中會經歷成核、表面增長和凝聚、集聚和氧化等一系列階段，生成的碳黑粒子若不能在燃燒系統中完全氧化掉，則最終排入大氣。

第48頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日碳黑顆粒主要在碳氫燃料燃燒時生成。對于碳氫類燃料燃燒時生成的碳黑，按其生成機理及其特殊形式，有氣相析出型碳黑、剩余型碳黑、雪片型碳黑以及積碳等幾種形式。

第49頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日1、氣相析出型碳黑氣相析出型碳黑是氣體燃料、已蒸發了的液體燃料氣和固體燃料的揮發分氣體，在空氣不足的高溫條件下熱分解所生成的固體顆粒。

第50頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日2、剩余型碳黑剩余型碳黑是液體燃料燃燒所剩余下來的固體顆粒，通常也稱之為油灰或煙炱。第51頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日3、雪片雪片一般是以碳黑為核心，在煙氣溫度接近露點溫度時，吸收煙氣中的硫酸（H2SO4），長大成為雪片形狀的煙塵，又稱為酸性煙塵。第52頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日4、積炭積炭可以認為是剩余型碳黑的一種，它是油滴附著在燃燒器、燃燒器噴口、燃燒室壁面上，受爐內高溫、氣化而剩下來的物質。第53頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日二、重金屬污染銻（Sb）、砷（As）、鈹（Be）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鈷（Co）、鉛（Pb）、錳（Mn）、汞（Hg）、鎳（Ni）和硒（Se）。

第54頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日影響重金屬遷移的主要因素有：（1）溫度、氣氛和粒徑（2）硫及硫的存在形態（3）氯（4）煙氣凈化設備第55頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日三、二噁英的生成與控制二噁英是一類物質的總稱，包括多氯聯苯并二噁英（PCDDs）、多氯聯苯并呋喃（PCDFs）和多氯聯苯（PCBs）。一般情況下，把前兩類物質簡稱為二噁英（PCDD/Fs），根據氯原子取代數目及取代位置的不同，它們分別含有75種和135種同系物。第56頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日第57頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日1、二噁英的生成機理第一是由前驅物生成；第二是飛灰中碳的殘余物的重新合成（DeNove）反應（一般在250~450℃）；第三是由燃料中的PCDD/Fs物質生成。如圖8-8所示。

第58頁，共67頁，星期日，2025年，2月5日飛灰催化表面P-前驅物