燃燒污染物產生機理實際就是研究在燃燒過程中產生的CO、炭黑、硫氧化物、氮氧化物、煙塵等污染物的機理。與燃燒相關的被指定為環境標準的物質主要有硫氧化物、氮氧化物、CO、粉塵和碳氫化合物。CO2作為燃燒產生的溫室氣體，也面臨巨大的減排壓力。
基本介紹
- 中文名：燃燒污染物產生機理
- 外文名：Burning pollutant generation mechanism
- 學科：環境生態
- 套用領域：大氣污染控制
- 性質：機理
- 污染物：煙塵和一些碳氫化合物等
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簡介
燃料的燃燒及其利用在工業、農業、科學和國防建設中的作用極為重要。但是，燃料在燃燒過程中排放出大量有毒有害物質，如CO2、SO2、NOX、煙塵和一些碳氫化合物等，這些物質已經成為主要的大氣污染物。
CO和炭黑的產生機理
CO產生機理
CO是大氣中分布最廣和數量最多的污染物，也是燃料燃燒過程中生成的重要污染物之一。大氣中的CO主要來源是內燃機排氣，其次是鍋爐中化石燃料的不完全燃燒，CO在大氣對流層能滯留約半年。
CO是含碳燃料燃燒過程中生成的一種中間產物，最初存在於燃料中的所有碳都能形成CO。燃料熱分解也會產生CO。因此，CO的產生途徑主要有燃料不完全燃燒和熱解兩種。燃料不完全燃燒的原因包括：氧氣總量不足和局部缺氧，會產生大量CO；燃燒區域溫度不夠高、存在局部低溫區和CO與低溫壁面直接接觸，導致CO不能發生燃燒反應；CO在燃燒室停留時間不夠，如燃燒室容積較小、氣體流動短路或點火延遲；氣體混合不充分。
炭黑產生機理
炭黑是碳氫化合物在高溫缺氧條件下熱解產生的碳煙顆粒。炭黑的生成機理非常複雜，其結構屬於無定形碳，粒徑分布較寬。從不足1μm到100μm。10μm以下的微粒會懸浮在大氣中，而且停留時間很長。對人體健康和環境的影響很大。
① 炭黑的生成過程
碳氫燃料燃燒生成粒徑為10nm以上的微粒的過程分為兩個階段。第一階段，低分子量不飽和烴由化學反應形成微粒核的高分子化階段，產生炭煙核；第二階段，炭煙核經過聚合、生長形成炭黑微粒。炭黑一旦形成則難以燃盡，往往以黑色炭煙的形式污染大氣。燃料與空氣混合不充分時燃燒產生的火焰是發光火焰，能夠發出可見光和紅外線，光譜分析表明火焰記憶體在游離碳。從火焰中產生的炭煙就是這些游離碳或者碳的自由基高分子化後形成的。這個過程與燃燒形態和火焰的發光燃燒有重要關係。即使是預混火焰，燃料過剩也會產生炭煙。燃料的碳氫比較高時，更容易產生炭煙。火焰溫度較高時，根據化學平衡原理，碳原子難以聚集成炭煙。火焰的光輻射強度較高，但是炭煙在排出火焰前將被氧化。
② 炭黑的種類
碳氫類燃料燃燒時生成的炭黑，按其生成機理及其特殊形式。有氣相析出型炭黑、剩餘型炭黑、雪片型炭黑以及積炭幾種形式。
氣相析出型炭黑。氣相析出型炭黑是氣體燃料、液體燃料的蒸髮油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。顆粒尺寸很小(0.02～0.05μm)，聚集成鏈時，尺寸顯著增加。炭黑在火焰中產生，輻射力增強，發出亮光，形成發光火焰。
剩餘型炭黑。剩餘型炭黑是液體燃料燃燒剩餘的固體顆粒，稱為油灰或煙炱。油滴被爐內高溫和其周圍的火焰加熱，產生油蒸氣，同時油滴發生聚縮反應，一面激烈地發泡，一面固化，生成孔隙率高的絮狀空心微珠，尺寸很大(10～300μm)，外形近似球狀。重油或渣油燃燒時容易形成剩餘型炭黑，而汽油和柴油等易燃油燃燒時不易產生。
雪片。雪片是以炭黑為核心，在煙氣溫度接近露點溫度時，炭黑吸附煙氣中的硫酸，長大成為雪片形狀的煙塵，又稱為酸性煙塵。顆粒尺寸較大，常常會沉落在煙囪附近，且具有很強的腐蝕性。
積炭。積炭可以認為是剩餘型炭黑的一種，其形成過程是油滴附著在燃燒器和燃燒室壁面，受爐內高溫作用，油滴不斷氣化而剩下的物質。油滴附著處的形狀、附近煙氣流動和溫度情況不同，積炭的形狀不定，但其顆粒尺寸較大。積炭量與燃燒火焰溫度特別是壁溫有著複雜的關係，溫度升高，既能使積炭增加，又能使積炭減少，而最終結果主要取決於溫度範圍。燃油的揮發性、沸點和燃油組成等也對這種積炭有明顯的影響。
③ 炭黑的特性
炭黑粒子通常呈黑色，主要由碳元素組成，表面往往凝結或吸附未燃烴。不同種類的炭黑，其直徑差異較大。積炭的尺寸一般較大，剩餘型炭黑一般為10～300μm。氣相析出型炭黑一般尺寸較小，且燃料種類與火焰形狀對其尺寸影響不大。
其它燃燒污染物
硫氧化物
各種燃料均含有少量硫，以無機硫或有機硫的形式存在於燃料之中。 氣體燃料中一般較少，煤和石油中比較多。
氣體燃料中的硫含量較少，主要是H2S，一般在0.5%以下。氣態的H2S比較容易從燃料中脫除。因此，氣體燃料屬於清潔燃料，燃燒造成的硫化物污染通常很小。
液體燃料中的硫小部分為無機硫，大部分為硫與碳、氫、氧等元素組合的複雜化合物。
原油的含硫量因產地而異。由於原油經多次煉製而使硫化物濃縮的作用，輕質餾分含硫量少，硫的結構簡單，重質餾分含硫量更多，結構複雜。輕柴油的硫含量不大於0.2%，汽油不大於0.15%。
固體燃料中的硫含量變化較大，一般為0.2%～11%。煤中的無機硫含量比液體燃料大，主要組分是黃鐵礦。煤中的有機硫的結構則更為複雜。
氮氧化物
燃燒產生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，合稱為NOX。燃料燃燒生成的NOX幾乎都是NO，只有在急速冷卻高溫燃燒燃氣和空氣混合物時，有很少一部分NO轉化為NO2。但是在800℃低溫燃燒過程中(相當於流化床燃燒條件)，有少量的氧化二氮(N2O)產生。
NOX的生成量和排放量與燃料的燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣係數有關。了解燃燒過程中NOX的生成機理十分必要，但目前燃燒過程中NOX的生成機理還不是十分明確，關於NOX生成機理和控制技術的研究非常活躍。燃燒產生NOX的氮來源有兩個，一個是燃燒用空氣中的氮氣，一個是燃料中的氮。NOX的生成機理可分為熱力型NOX、燃料型NOX和快速型NOX三類。
煙塵
燃料種類不同，燃燒生成煙塵的機理也不同。氣體燃料的燃燒煙塵主要是由輕質碳氫化合物生成的。空氣供應不足時，碳氫化合物受熱發生熱分解生成炭煙，稱為氣相析出型煙塵。進行擴散燃燒時，燃料與空氣混合不良，碳氫化合物受到高溫火焰的直接作用，容易生成炭煙。碳原子數多的燃料比較容易生成炭煙，如炔類和烯類生成炭煙的可能性比烷類更高。
液體燃料在燃料霧化不良、燃燒室溫度較低的情況下燃燒時，容易生成含油性較大的煙塵，其中不僅有熱分解生成的重碳組分。還包括尚未燃燒的燃料，稱為剩餘型煙塵，俗稱油灰。燃料分子含碳越多，油灰的生成率越高。汽車尾氣含有剩餘型煙塵，對環境造成嚴重污染。
