燃烧污染与控制
本课程主要内容
1. NOx的生成机理和控制技术
- NOx污染现状
- NOx生成机理
- 低NOx燃烧技术
2. 微量重金属元素的控制理论及技术
– 燃料中痕量重金属的分布特征
– 燃烧过程中痕量重金属的分布和迁移
– 微量重金属元素的控制
3. 有机污染物的控制理论及技术
– 有机污染物的生成机理
– 多环芳烃的控制
– 二恶英的控制
颗粒物质
• 颗粒物质是除气体之外的所有包含在大气中的物质，包括各种各样的固体或固体气溶胶
• 其中固体的灰尘、烟雾、烟尘，以及液体的云雾和雾滴，粒径的分布大至200mm，小至0.1mm甚至更小
• 气溶胶是由固体颗粒、液体颗粒或固体及液体颗粒混合悬浮于气体介质中形成的，降落速度小，可长时间悬浮于空中
• 大气中的颗粒物按粒径大小可分为降尘和飘尘两类
• 降尘粒径>10 μm，在重力作用下降落下来
• 飘尘粒径
• 煤烟的粒径越小，进入呼吸道的部位越深，对人体健康的危害越大
• 煤烟颗粒表面可吸附大量的有害气体和液体
大气污染物对人体健康的影响
• 大气污染物通过以下三个途程侵入人体：
－ 由呼吸而直接进入人体
－ 附着在食物或溶解于水，随着水、食物而
侵入人体
－ 通过接触由皮肤进入到人体
• 大气污染物对人体的危害可以分为急性中毒、慢性中毒和致癌作用
大气污染物对植物和森林的影响
• 大气污染物通常都是经过叶背面的气孔进入植物体，然后逐渐扩散到海绵组织、栅
栏组织，破坏叶绿素，使组织脱水坏死，干扰酶的作用，阻碍各种代谢机能，抑制植物生长
• 颗粒状污染物则能擦伤叶面，阻碍阳光，妨碍光合作用，影响植物正常生长 • 污染物对植物的危害也可分为急性、慢性和不可见三种
• 对植物生长危害较大的大气污染物主要是二氧化硫、氟化物和光化学烟雾
大气污染的危害-酸雨
• 未被污染的雨雪是中性的，PH值近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性，
PH值为5.65。被大气中存在的酸性气体污染，PH值小于5.65的雨叫酸雨；PH值小于5.65的雪叫酸雪；在高空或高山上弥漫的雾，PH值小于5.65时叫酸雾
⏹ 酸雨区的五级标准：
• 年均降水pH值高于5.65, 酸雨率是0-20% , 为非酸雨区;
• pH值在5.30--5.60之间, 酸雨率是10--40% , 为轻酸雨区;
• pH值在5.00--5.30之间, 酸雨率是30-60%, 为中度酸雨区;
• pH值在4.70--5.00之间, 酸雨率是50-80%, 为较重酸雨区;
• pH值小于4.70, 酸雨率是70-100%, 为重酸雨区。
酸雨对人体的危害
• 酸雨对人体健康的直接影响:人体耐酸能力高于耐碱能力，如经常用弱碱性洗衣粉洗
衣服，不带手套，手就会变得粗糙，皮革工人，经常接触碱液，也有类似情况；但皮肤角质层遇酸就好一些。可是，眼角膜和呼吸道粘膜对酸类却十分敏感，酸雨或酸雾对这些器官有明显刺激作用，导致红眼病和支气管炎，咳嗽不止，可诱发肺病 • 酸雨对人体健康的间接影响:农田土壤酸化，使本来固定在土壤矿化物中的有害重金
属，如汞、镉、铅等，再溶出，继而为粮食，蔬菜吸收和富集，人类摄取后中毒 温室效应的形成机理
• 温室效应是指地球大气层上的一种物理特性。假若没有大气层，地球表面的平均温
度不会是现在合宜的15℃，而是十分低的-18℃
• 这温度上的差别是由于一类名为温室气体所引致，这些气体吸收红外线辐射而影响
到地球整 体的能量平衡。在现况中，地面和大气层在整体上吸收太阳辐射后能平衡于释放红外线辐射到太空外。但受到温室气体的 影响，大气层吸收红外线辐射的份量多过它释放出到太空外，这使地球表面温度上升，此过程可称为“天然的温室效应”
• 但由于人类活动释放出大量的温室气体，结果让更多红外线辐射被折返到地面上，
加强了“温室效应”的作用
• 维恩位移定律 λmT＝2.8976×10-3m·K
我国能源与环境关系的基本特点
• 一次能源以煤为主
• 人均能源消费水平低
• 煤炭生产以地方和集体煤矿为主
• 原煤入选率低
• 煤炭消费结构复杂
• 能耗高，利用率低，浪费严重
• 煤烟型大气污染严重
• 酸雨问题突出
二氧化碳排放迅猛增长
坚持科学发展观
• 科学发展观的内涵非常丰富，其中一个重要内容就是可持续发展，处理好经济增长
与环境保护的关系。处理好可实现“双赢”，处理不好则两败俱伤
• 我国作为一个人口多、资源少、生态破坏、环境污染严重的发展中国家，面临着发
展经济和保护环境的双重任务，这就要求在保持经济增长的同时，切实控制人口增长、保护自然资源、保持良好的生态环境
• 树立科学发展观，坚持可持续发展，统筹人与自然和谐发展，处理好经济建设、人
口增长与资源利用、生态环境保护的关系，解决我国经济高速增长与生态环境日益恶化这一矛盾，根本出路是转变经济增长方式，发展循环经济，用“绿色核算体系”来重新审视和把握经济发展途径
NOx的污染现状和生成机理
NOx生成的三种机理
• 热力NOx：
燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物
• 燃料NOx：
燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的
氮氧化合物
• 快速NOx：
碳化氢系燃料在燃烧时分解，其分解的中间产物
和N2反应生成的氮氧化物
控制热力NOx生成的方法
→ 降低燃烧温度水平，避免局部高温
→ 降低氧气浓度
→ 燃烧在偏离过量空气系数α=1的条件下进行
→ 缩短在高温区的停留时间
燃料NOx的生成机理
燃料中的N通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合
物，经氧化反应后生成大量的NOx，这种NOx称为燃料NOx
对于燃料NOx生成机理，弗尼莫尔提出的模型认为，对于预混火焰，从燃料N向NOx
的转换是由两个互相竞争的过程决定。这两个过程是：由燃料高温下分解生成含有N原子的中间生成物I（主要是N，CN，HCN，NHi等化合物），然后I和含有氧原子的反应物R（O，OH，O2等含氧化合物）反应生成NOx；或者和NOx反应而使NOx还原分解生成N2
由燃料N生成中间产物I的速度是很快的，因而最终的NOx生成量取决于这两个过
程的竞争
控制燃料NOx生成的方法
→燃用燃料含N量低的燃料
→采用燃料过浓燃烧过量空气系数的影响
→扩散燃烧时，抑制燃料与空气的混合
火电厂大气污染物排放标准
GB13223-2003 （老标准）
• 对NOx的控制立足于低氮燃烧方式，并预留烟气脱硝装置空间。近年来我国NOx
排放量不断增加，酸雨污染已由硫酸型向硫酸、硝酸复合型转变，城市大气环境形势依然严峻，区域性大气污染问题日趋明显。GB13223-2003中NOx的浓度限值为450～1100mg/m3
• 发达国家和地区的NOx排放限值一般在200mg/m3以下（欧盟现行的NOx排放限值
为200mg/m3，美国为1.0lb/MWh~1.4lb/MWh，约折合135mg/m3~184mg/m3，日本为100ppm，约折合200mg/m3）。
GB13223-2012 （新标准）
新标准适用于：
• （1）各种容量的煤粉发电锅炉。
• （2）单台出力65t/h以上的燃煤循环流化床等发电锅炉。
• （3）单台出力65t/h以上的燃油及燃气发电锅炉。
• （4）各种容量的燃气轮机组。
• （5）单台出力65t/h以上采用煤矸石、生物质、油页岩、石油焦等为燃料的发电锅
炉。
• （6）煤气化整体联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle，简写“IGCC”）
发电的燃气轮机组。
• 新建、改建和扩建的燃煤火电锅炉，须同步配套建设烟气脱硝装置，执行100mg/m3
的限值。
• 新建燃油锅炉和燃用天然气的燃气锅炉执行100mg/m3排放限值，燃用其他气体燃
料的燃气锅炉执行200mg/m3排放限值。
• 新建燃用天然气的燃气轮机组执行50mg/m3排放限值，燃用除天然气外的气态燃料
和燃油的燃气轮机组执行120mg/m3排放限值。
现有火力发电锅炉及燃气轮机组排放浓度限值：
• 到2014年1月1日，2004年1月1日至2011年12月31日期间环境影响评价文件
通过审批的现有燃煤火力发电锅炉执行100mg/m3。
• 到2014年1月1日，2003年12月31日前建成投产或环境影响评价文件已通过审
批的现有燃煤火力发电锅炉执行200mg/m3。
• 到2014年1月1日，燃用天然气的燃气锅炉执行100mg/m3排放限值，燃油锅炉及
燃用其他气体燃料的燃气锅炉执行200mg/m3排放限值。
2014年1月1日，现有燃用天然气的燃气轮机组NOx执行50mg/m3，燃用除天然气外的气态燃料和燃油的燃气轮机组执行120mg/m3排放限值
低NOx燃烧技术
低氧燃烧的问题
对于煤粉锅炉，要实现低氧燃烧，必须准确控制各燃烧器的燃料与空气均匀分配，
并使炉内的燃料和空气平衡；当O
对于燃油锅炉，要实现低氧燃烧，必须选用性能良好的雾化器和调风器，保证燃料
与空气混合良好，而且各燃烧器之间的空气分配也要均匀
中国城市生活垃圾基本特点
● 1998年底我国城市总数已达668个，2/3处于垃圾围城的状态。
● 1979年至1998中国城市垃圾平均以每年8%~10%的速度增长。
● 2000年我国城市垃圾的年产生量已达到1.8亿吨，人均年产生活垃圾450多公斤（已
高于一些欧洲国家的人均垃圾产生量） 。
● 垃圾的平均热值约为3350kJ/kg（800 kcal/kg），基本达到焚烧的最低要求。
中国城市生活垃圾的基本特性
● 有机物增加，可燃物增多，可利用价值增大。
● 垃圾总量大幅度增长主要是由于城市规模、数量和城市人口的增加造成的。
● 生活垃圾产生量60％集中在全国50万以上人口的52座重点城市。同时，中小城市
的垃圾产量也成增长趋势。
● 大城市和中小城市的垃圾构成有十分明显区别。
大城市的生活垃圾构成中有机物成分占总量的31～36％以上，无机成分约占60％，废品约占4～6％；中小城市的生活垃圾有 机成分约占其总量的20％，无机成分约占65％，废品的比重更低；南方城市垃圾中的有机物高于北方城市。
1. 卫生填埋
• 作为城市垃圾的最终处置手段，卫生填埋是应用最早最广泛的一项技术
• 卫生填埋是从传统的废物堆填发展起来的最终处置技术
• 填埋技术由最初的简易堆填，逐步发展到具有防渗系统、集排水系统、导气系统和
覆盖系统的卫生填埋
• 城市生活垃圾卫生填埋的现状初步评价
• ∙中国各城市目前最通用的垃圾处置方式
• ∙由于资金和技术方面限制，多为准卫生填埋场。
• ∙环境污染仍难控制。
• 2. 城市生活垃圾堆肥
• 堆肥技术：是依靠细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地、可控制的促进有机物向
稳定的腐殖质转化。
• 可分为：好氧堆肥和厌氧堆肥
• 3. 城市生活垃圾焚烧技术
垃圾焚烧技术是将垃圾放置于特定设计的炉体内，在高温下焚烧处理，以达到高效的垃圾无害性处理。
焚烧技术的评价
主要优点
∙ 无害化程度高；
∙ 减容效果好，一般可减容80%~90%；
∙ 可以充分实现垃圾处理的资源化；
∙ 焚烧处理可全天候操作，不易受天气影响
主要缺点
∙ 焚烧投资大，占用资金周期长
∙ 焚烧对垃圾的热值有一定要求
∙ 焚烧技术的成熟性及适宜性有待提高
∙ 焚烧产生特殊污染物的问题。
熔融固化技术
• 借助于飞灰中或添加剂的玻璃质（SiO2），在1200℃以上熔融一段时间，形成玻璃体，
再促冷形成熔渣。
• 飞灰中的有机物发生热分解、燃烧及气化
• 飞灰中的重金属包封固化在熔渣中的Si-O网状结构中，形成具有刚性的非晶态的玻
璃态物质
熔融固化技术优点
● 无害化程度彻底
● 产品稳定性高
● 减量效果显著
● 可以实现资源化利用
等离子体分类
☐ 高温等离子体
☐ 低温等离子体
热等离子体
冷等离子体