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热动力装置的排气污染与噪声

热动力装置的排气污染与噪声. 第二章 燃烧时污染物生成和破坏 ( 分解 ). 第二章 燃烧时污染物生成破坏. 现状和危害 燃烧过程污染物产生机理 污染物与燃烧过程和燃烧状态的关系 化学反应动力学 影响因素 重点： Nox ,Sox,HC,CO. 第二章 燃烧时污染物生成破坏. 危害 氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，包括一氧化氮 (NO) 、 二氧化氮( NO2) 和氧化二氮( N2O) 。还有 NxOy 氮氧化物的危害性表现在： 对人体健康的直接危害。 参与形成光化学烟雾，形成酸雨，造成环境污染。 氧化二氮是一种温室气体，会破坏臭氧层 。.

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热动力装置的排气污染与噪声

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Presentation Transcript

  1. 热动力装置的排气污染与噪声 第二章 燃烧时污染物生成和破坏(分解)

  2. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 现状和危害 • 燃烧过程污染物产生机理 • 污染物与燃烧过程和燃烧状态的关系 • 化学反应动力学 • 影响因素 • 重点：Nox,Sox,HC,CO

  3. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 危害 • 氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化二氮(N2O)。还有NxOy 氮氧化物的危害性表现在： • 对人体健康的直接危害。 • 参与形成光化学烟雾，形成酸雨，造成环境污染。 • 氧化二氮是一种温室气体，会破坏臭氧层。

  4. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 危害 • 光化学反应使NO2分解为NO和O3，大气中臭氧对人体健康十分有害。 • 光化学烟雾中对植物有害的成分主要为臭氧和氮氧化合物：臭氧浓度超过0.1ppm时便对植物产生危害。NO2浓度达1ppm时，某些植物便会受害。 • 氮氧化物在大气的反应中可形成硝酸。

  5. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 危害 • 最早在1943年洛杉矶发现。 每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛。1943年以后，烟雾更加肆虐，以致远离城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘减产。仅1950－1951年，美国因大气污染造成的损失就达15亿美元。1955年，因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上的老人达400多人；1970年，约有75％以上的市民患上了红眼病 洛杉矶市拥有250万辆汽车排放的尾气污染而造成。这些汽车每天消耗约1600t汽油，向大气排放1000多吨碳氢化合物(HC)、400多吨氮氧化物(NOX)。

  6. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 危害 • 美国光化学烟雾对农业和林业的危害曾波及27个州。 • 1952年美国洛杉矶发生光化学烟雾，附近农作物一夜之间严重受害；6.5万公顷的森林，29％严重受害，33％中等受害，其余38％也受轻度损害。 • 1970年美国加利福尼亚洲发生大规模的光化学烟雾事件，农作物的损失达到2500多万美元。

  7. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 危害 • 1971年，日本东京发生较严重的光化学烟雾事件，使一些学生中毒昏迷。与此同时，日本的其它城市也发生了类似的事件。此后，日本的一些大城市连续不断出现光化学烟雾事件 • 1997年夏季，拥有80万辆汽车的智利首都圣地亚哥也发生光化学烟雾事件。由于光化学烟雾的作用，迫使政府对该市实行紧急状态：学校停课、工厂停工、影院歇业，孩子、孕妇和老人被劝告不要外出，使智利首都圣地亚哥处于“半瘫痪状态”。

  8. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 不同浓度的NO2对人体健康的影响

  9. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 一些大城市对空气中NO含量的测定

  10. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 我国NOx污染现状 • 1990年我国氮氧化物的排放量约为910万吨，其中近70%来自于煤炭的直接燃烧，固定源是NOx排放的主要来源 • 1995年全国机动车辆(不包括农用车辆)的NOx排放量为141.3万吨，占总量的20％ • 2000年 1561万吨 • 2010年 2194万吨

  11. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 我国NOx污染现状 • 1997年在全国357个城市中， NOx浓度年均值范围为0.001-0.140mg/m，年均最大值出现在广州市，其中291个城市NOx浓度年均值达到国家二级标准(0.05 mg/m )，占81.5%，66个城市超二级标准，占18.5%。 • 1998年全国311个城市， NOx浓度年均值范围为0.006-0.152mg/m ，年均最大值出现在北京市，其中252个城市NOx浓度年均值达到国家二级标准(0.05mg/m )，占81.0%，59个城市超二级标准，占19.0%。 • 1997-1998年，NOx浓度年均值超过国家三级标准(0.10mg/m )的城市有北京、广州和上海三市

  12. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 我国NOx污染现状 • 上海的汽车尾气污染已跃居大气污染的首位。1996年上海机动车的一氧化碳(CO)排放量为38万t，碳氢化合物(HC)排放量为10万t，氮氧化物(NOX)排放量为8.15万t • 广州大气污染经历了从1986年至1991年的煤烟型与机动车污染型共存阶段后，1997年90万辆机动车终于使广洲大气污染类型变成氧化型。汽车尾气排放的氮氧化物已从80年代后期的64%上升至目前的80%，一氧化碳则从6成增加到9成 • 近10年来，武汉市大气环境中的氮氧化物含量总体呈上升趋势。“八五”期间氮氧化物的浓度比“七五”期间上升18%，1995年日均值比1990年上升60%，比1986年上升70%以上

  13. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • Nox生成动力学 燃烧产生的Nox: 95%NO, 5% NO2 可以认为NO2是由NO转化而来 其他含N化合物的生成

  14. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • NO生成机理 NO的来源： 1）空气中的N2－分子氮 按反应机理： 热力NO 瞬发NO 2）燃料中的N － 燃料氮

  15. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 热力NO Zeldovich 连锁反应机理（1946）： 贫燃料燃烧，有富余的氧参与氧化反应

  16. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 热力NO 按照化学动力学，生成NO的简单反应的速度的表达式为：

  17. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 热力NO 假设中间产物N的浓度保持不变：

  18. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 热力NO 对式2.5进行简化

  19. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 热力NO • 温度对反应速度的影响很大，所以称为热力NO • <1800K 热力NO很少。 • 所以降低火焰温度能显著减少NO的产生 • NO往往不会在火焰面上产生，而是在高温烟气中

  20. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 热力NO 富燃料混气中 （ Fenimore） • 限制“热力”NO的生成，主要是降低温度，具体措施可归纳为： (1)降低燃烧温度，避免局部高温； (2)降低氧气浓度； (3)缩短在高温区的停留时间； (4)在偏离a=1的条件下进行燃烧． a<1; O2升高－>Nox升高。 a>1; O2的稀释作用导致Nox降低。 瞬发氮

  21. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO） 许多试验结果表明，对于富燃料混气在燃烧区测到NO生成率明显大于Zeldovich结果

  22. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO） Fenimore：富燃料混气火焰面上快速反应生成大量的NO，称为瞬发NO。 机理与热力氮不同。

  23. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO）

  24. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO） HCN NO的生成关系

  25. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO）

  26. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO）

  27. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO） N CH+N2 HCN CN N NO C+N2 N

  28. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO）

  29. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 瞬发NO（Prompt NO） 计算表明： 1）在T<2000K时，NO的生成主要取决于CH-N2反应，－瞬发NO途径 2）在T>2500K时， NO的生成主要取决于热力NO

  30. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO

  31. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO 燃料中的N通常与各种碳氢化合物相结合成环状化合物或链状化合物（如氮苯C5H5N，芳香胺C6H5NH2等），它们与空气中的氮相比，其结合键较小，在燃烧时易进行热分解生成低分子量的含氮化合物（如NH3，HCN和CN等），经氧化反应生成NO，这种NO称为“燃料"NO

  32. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 N2 挥发分 挥发分N NO 煤粒 N 焦炭 焦炭N N2 • 燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图

  33. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO

  34. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO

  35. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO

  36. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO Miller等人认为，“燃料"NO是由气相燃料中氮化物从HCN和NH3开始转化 还原 氧化

  37. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO 氧化 还原

  38. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料NO

  39. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料N转化率的影响因素： 1）燃料含N量的影响 • 贫燃料燃烧的N转化率比富燃料高 • 含N量增大，转换率下降 • 含N量增大，NO排放增大，但会饱和

  40. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料N转化率的影响因素： 2）过量空气系数的影响 • 在一定的含N量下，当a>1时，转换率很高，但基本不变 • a<1时，a增大，转换率急剧增大

  41. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料N转化率的影响因素： 2）过量空气系数的影响 • 当油气比为1.4时转换率最低 • 当油气比再高时，HCN，NH3大量生成而不能转化为NO，总转换率上升

  42. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料N转化率的影响因素： 2）过量空气系数的影响 • 扩散火焰由于混合不好，即使过量系数很大，转换率仍然没有饱和 • 转换率比预混火焰低

  43. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 燃料N转化率的影响因素： 3）燃烧温度的影响 试验结果表明，“燃料"NO与“热力"NO不同，它受温度影响较小，这是因为燃料中N的热分解温度比火焰温度低．当燃烧时达到热分解温度而进行分解，生成NO，与火焰温度关系不大．

  44. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 氮化物反应机理（总结） 1 热力氮 其中间产物N的来源为空气中的N2，反应途径为：

  45. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 氮化物反应机理（总结） 2 瞬发氮（Miller) 其中间产物N的来源为空气中的N2，其主要反应途径为燃烧时HC分解产生的CH和C等与N2反应

  46. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 氮化物反应机理（总结） 3 燃料氮（Miller) N的来源为燃料中的N化合物，其主要反应途径为燃烧时N化合物分解产生的HCN和NHi等与N2反应

  47. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • NO2的生成 • 燃烧室中：

  48. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 其他氮化物

  49. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 其他氮化物

  50. 第二章 燃烧时污染物生成破坏 • 其他氮化物

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