第 2 章大气污染物的生成控制

第2章大气污染物的生成控制 学习要点 1.了解煤炭的形成、组成并掌握煤炭成分的表示方法 2.了解烟尘、含硫化合物和氮氧化物的生成机理 3.掌握燃料燃烧的相关计算大气污染控制工程

2.1 能源与大气污染 2.1.1 能源的分类能源是能提供可利用能量的资源，可分为直接从自然界取得的一次能源和由一次能源转换得到的二次能源。一次能源还可分为可再生能源和不可再生能源。大气污染控制工程

通常还把能源分为常规能源（煤、石油、天然气、水能、核能等）与新能源（太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能和氢能等）两大类。通常还把能源分为常规能源（煤、石油、天然气、水能、核能等）与新能源（太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能和氢能等）两大类。能源又可分为污染型能源（化石燃料）和清洁型能源（水力、电力、太阳能、风能和核能等）。大气污染控制工程

新疆达坂城风力电站之一

中国能源消耗构成 煤炭是我国的主要能源

煤炭在国内的地位 • 煤炭储量： • 我国含煤面积约55万km2 ，探明可直接利用的储量为1.0万亿t，按年产19亿t，可采500年 • 我国煤炭占一次能源结构的70%左右，我国石油、天然气等资源有限。 • 煤炭在世界一次能源消费中所占比重为26.5%，低于石油所占比重37.3%，高于天然气所占比重23.9% • 水电、核能，近几十年发展不能从根本上解决中国能源问题 • 水资源有限且南北不平衡 • 核能放射性污染，仍存在争议 • 煤炭还是重要的工业原料 • 从煤中可以提取200多种产品。（煤化工、煤变油）

2.1.2煤炭的形成和组成 ——由植物形成的有机岩石什么是煤？由植物遗体经过生物化学、物理化学等共同作用而转变成的沉积有机矿产，为多种高分子化合物和矿物质组成的混合物。

低等植物和高等植物的特点 低等植物：包括菌类和藻类，是由单细胞和多细胞构成的丝状体或叶状体植物，没有根、茎、叶等器官。高等植物：包括蕨类、裸子植物和被子植物。进化论认为，高等植物由低等植物长期进化而来，构造复杂，有根、茎、叶的区别。高等植物是重要的成煤物质来源。低等植物与高等植物的组成差别较大，对成煤的性质有较大影响。

低等植物——海带

低等植物——蘑菇 低等植物——地衣

高等植物——华南毛蕨

高等植物——松树

成煤植物的有机组成 ① 糖类及其衍生物(纤维素、半纤维素和果胶质) ② 木质素(木质素是植物转变为煤的原始物质中最重要的有机组分) ③ 蛋白质(是煤中硫、氮元素的主要来源之一) ④ 脂类化合物(脂肪、树脂等)(树脂——能完好的保存在煤中。（“琥珀”形成）

琥珀

5m厚的煤层至少需要持续万年的植物堆积 成煤的必要条件 1. 植物条件 ——物质基础；——长期大量生长，才可能聚煤。 2. 气候条件 ——既影响植物生长，同时影响植物的分解； ——最有利于成煤的气候条件是温暖潮湿气候。 3. 自然地理条件 ——植物堆积； ——沼泽是既有利于植物生长又有利于植物死亡后埋藏的理想场所。 4. 地壳运动条件 ——埋藏条件。 ——地壳的沉降运动是主导因素，控制着沼泽的形成与发展、上覆岩层和多煤层的形成

煤炭形成过程 泥炭化作用堆积在水体中的植物遗体泥炭在地表常温常压下盆地基底下降埋藏至地下深部腐泥腐泥化作用成岩作用天然气温度压力上升褐煤变质作用无烟煤烟煤引起煤变质的主要因素是温度。

泥炭褐煤常见煤的种类无烟煤烟煤

不同种类煤炭性质的比较 燃烧热值增加煤形成年龄增加固定碳含量增加着火点增加挥发分含量减少大气污染控制工程

2.1.3 煤的工业分析 引言：煤的工业分析，也称为技术分析或实用分析。主要测定项目有煤的水分(M)、灰分(A) 、挥发分(V) 和固定碳(FC)四项，有时也将上述四个测定项目叫做半工业分析，再加上煤的发热量和煤中全硫的测定，则称为全工业分析。通常，水分、灰分、挥发分产率都直接通过实验测定，固定碳不作直接测定，而是用差减法进行计算。利用煤的工业分析结果，可以基本掌握各种煤的质量、工艺性质及特点，以确定煤在工业上的实用价值。

（一）煤的水分测定 煤是一种多孔性的固体，含有一定的水分。煤的水分，是很难用肉眼估量出来的，即使看起来是干煤，而实际上烟煤还含有1%~2%的水分，褐煤含有 10%~40%的水分。水分是煤中的无机组分，其含量和存在状态与煤的内部结构及外界条件有关。一般而言，煤中水分是无用的物质，它的存在不利于煤的加工利用，其含量越低越好。

内在水分 全水分（Mt）游离水外在水分水分分类化合水（煤的工业分析中不考虑）煤中水分的存在形态 1、外在水分(Mf ) ：是指附着在煤的颗粒表面的水膜或存在于直径大于10-5 cm的毛细孔中的水分，又称自由水分或表面水分。该水分以机械方式和煤结合，在常温（45℃~50℃）下较易失去。

干燥煤 收到煤空气干燥煤 2、内在水分(Minh）：存在于煤粒内部直径小于10-5 cm的毛细孔中的水分。该水分以物理化学方式与煤结合，其含量与煤的表面积大小和吸附能力有关，在室温下这部分水分不易失去,需加热到105℃~110℃ 时才失去。内在水分随煤的煤化程度加深而呈规律性变化：泥炭→褐煤→烟煤→无烟煤（随煤化程度加深，内在水分逐渐减小）

3、化合水：是指以化学方式与矿物质结合、有严格的分子3、化合水：是指以化学方式与矿物质结合、有严格的分子比，在全水分测定后仍保留下来的水分，即通常所说的结晶水。化合水在煤中含量不大，通常要加热到200℃甚至500℃ 以上才能析出。如石膏(CaS04·2H20)，煤的工业分析中，一般不考虑化合水，只测定游离水。

煤中水分对煤炭加工利用的影响 水分是煤中的不可燃成分，它的存在对煤的加工利用通常是有害无利的，可以表现在以下几个方面。 ① 造成运输浪费。煤是大宗商品，水分含量越大，则运输负荷越大。特别是在寒冷地区，水分容易冻结，造成装卸困难，解冻又需要消耗额外的能耗。例如：日燃煤1万吨的电厂，煤中水分由10%减少至9%，每天可减少100t水运进电厂，全年就可节约运力三万余吨，直接经济效益可观。

②增加机械加工的困难。煤中水分过多，会引起粉碎、筛分困难，既容易损坏设备，又降低了生产效率。②增加机械加工的困难。煤中水分过多，会引起粉碎、筛分困难，既容易损坏设备，又降低了生产效率。 ③ 降低发热量。煤作为燃料，水分在气化和燃烧时，成为蒸汽，蒸发时需消耗热量，每增加1%的水分，煤的发热量降低0.1%。

（二）灰分的测定 煤样在规定的条件下( 815±10)℃完全燃烧后所得到的残留物，称为灰分。虽然灰分全部来自煤中矿物质，但灰分的组成和质量与矿物质不完全相同，是矿物质在空气中经过一系列复杂的化学反应后剩余的残渣，因此，称之为“灰分产率”更为合理。煤的灰分与煤中矿物质关系密切，对煤炭利用都有直接影响。

原生矿物质 内在矿物质煤中矿物质次生矿物质外来矿物质煤中灰分的来源煤的灰分来自煤中的矿物质，包括如下几个部分： 1、原生矿物质煤的原生矿物质是成煤植物在生长过程中，从土壤中吸收的碱金属和碱土金属的盐类，其含量一般为2﹪～3﹪。这类盐类与煤的有机质结合紧密不易分离。

2、次生矿物质 在成煤过程中，由外界混到煤层中的矿物质而形成了次生矿物质。次生矿物质在煤中的含量一般不高。以内在矿物质所形成的灰分称之为内在灰分。内在矿物质难以用洗选的方法去除。 3、外来矿物质在采煤过程中混入的矿顶、底板及夹矿层的矿石、泥、沙等称为外来矿物质。这类矿物质由于是从外界引入的，在煤中分布不均，可采用洗选的方法将其除去。

测定灰分的意义 • （1）灰分是表征煤炭质量的最主要指标，是考核煤矿和选煤厂煤炭产品质量的主要指标之一。商品煤灰分是煤矿、选煤厂地和用（户）煤单位结算的依据。灰分也是现阶段我国制定煤炭出厂价格的基本依据。

（2）灰分与煤的发热量、密度等性质有关。灰分增加，可燃部分相对地减少，单位质量煤的发热量就降低。灰分和发热量有很好的线性关系，灰分增加，发热量降低；灰分增加，煤的密度也随之增大。

（3）煤的灰分大小，直接影响着煤作为工业原料和能源使用时的作用。如炼焦、气化、加氢液化以及制造石墨电极等都要求煤的灰分在一定限度以下，否则将影响这些工业的生产和产品质量。在工业利用上，灰分＜10%称特低灰煤，灰分=10%~15%为低灰煤，灰分=15%~25%为中灰煤，灰分=25%~40%为富灰煤，灰分＞40%为高灰煤。（3）煤的灰分大小，直接影响着煤作为工业原料和能源使用时的作用。如炼焦、气化、加氢液化以及制造石墨电极等都要求煤的灰分在一定限度以下，否则将影响这些工业的生产和产品质量。在工业利用上，灰分＜10%称特低灰煤，灰分=10%~15%为低灰煤，灰分=15%~25%为中灰煤，灰分=25%~40%为富灰煤，灰分＞40%为高灰煤。

灰分测定 称取一定量的煤样于灰皿中，置于高温炉并灼烧至恒重。根据灼烧后残留物（灰分）的质量占煤样质量的百分数，计算出灰分的含量。

马弗炉 马弗炉

（三）挥发分的测定 煤在规定条件下隔绝空气加热进行水分校正后的质量损失即为挥发分。挥发分不是煤中原来固有的挥发性物质，而是煤在严格规定条件下，加热时的热分解产物，确切地说，煤中挥发分应叫挥发分产率。

挥发分: 是评定煤质的指标。煤化程度低的煤，挥发分较多。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”；并产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，热效率降低。因此，要根据煤的挥发分选择适当的燃烧条件和设备。

挥发分的组成 煤的挥发分主要是由水分和碳氢化合物（CH4为主）组成，但物理吸附水（包括外在水和内在水分）和矿物质生成二氧化碳不属挥发分范围。

测定称取一定量的空气干燥煤样，放在带盖的瓷坩埚中，在( 900±10)℃下，隔绝空气加热7min，以减少的质量占煤样质量的百分数再减去该煤样水分含量作为挥发分产率。

（四）煤中固定碳含量的计算（FC） 固定碳含义从测定煤样挥发分后的焦渣中减去灰分后的残留物称为固定碳。固定碳和挥发分一样不是煤中固有的成分，而是热分解产物。在组成上，固定碳除含有碳元素外，还包含氢、氧、氮和硫等元素。因此，固定碳与煤中有机质的碳元素含量是两个不同的概念，决不可混淆。

固定碳的计算 固定碳的数据并非从实验获得，而是由下式计算得： FCad－－空气干燥煤样的固定碳含量，％； Mad ---空气干燥煤样的水分含量，％， Aad ---空气干燥煤样的灰分含量，％； Vad ---空气干燥煤样的挥发分含量，％；

（3）煤的成分表示方法 一般用质量百分数表示，通常有四种基准。 1）收到基（以下标“ar”表示）包括水分与灰分的煤作为100％的成分，即煤的实际应用成分。燃烧计算通常采用此方法。 2）空气干燥基（以下标“ad”表示）指去除外在水分的煤作为100％的成分。通常是在实验室内作煤样分析时采用。

（3）干燥基（以下标“d”表示） 失去全部水分的煤作为100％的成分。因为排除了水分的影响，所以干燥基能准确反映出灰分的多少。（4）干燥无灰基（以下标“daf”表示）失去水分、去掉灰分的煤作为100％的成分。大气污染控制工程

2.2.2 烟尘的生成机理及其控制 按烟尘的生成机理不同，可分为气相析出型烟尘剩余型烟尘酸性尘积炭粉尘大气污染控制工程

1.气相析出型烟尘 燃烧释放气液固脱氢分解聚合缺氧相燃料可燃性气体尘（炭黑）(PAHS) 气相析出型烟尘粒径很细（如重油燃烧产生的炭黑粒径在0.02~0.05µm），比表面很大，每公斤可达数万平方米。收集下来的烟尘呈絮状，体积大，重量轻。大气污染控制工程

液体燃料的燃烧和剩余型烟尘 • （也称石油焦或煤胞）工业窑炉常用的液体燃料有重油和渣油。燃料油的燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。它包括燃料油的雾化、油雾粒子中可燃物的蒸发与扩散、可燃气体与空气的混合以及可燃气体的氧化燃烧等诸过程。此外还可能有油滴热解和裂化过程。大气污染控制工程

气体成分 裂化液体油滴热分解絮状空心球焦炭（煤胞）主要发生在未完全氧化之前，热反应速度大于与氧气的反应速度。粒径为10～300微米。大气污染控制工程

3. 酸性尘 气相析出型烟尘和剩余型烟尘在烟气温度接近露点时，吸收烟气中的H2SO4，长大成为像雪片形状的烟尘。酸性尘由于颗粒较大，一般沉落在烟囱附近。 4. 积炭油滴附着在燃烧器、燃烧器旋口、燃烧室炉墙上，受炉内高温气化而剩余下来的烟尘。其颗粒形状不定，但粒度较大。大气污染控制工程

5. 粉尘 固体燃料燃烧产生粉尘，包括飞灰和黑烟。飞灰：不可燃矿物质黑烟：未完全燃烧的炭粒大气污染控制工程

2. 影响烟尘生成量的因素 （1）燃料种类的影响 a. 气体燃料：碳氢比（C/H）越高，产生黑烟愈多；碳原子数愈多，愈容易产生碳黑。芳香烃﹥炔烃﹥烯烃﹥烷烃 b. 液体燃料：油质愈重，残留碳越多，烟尘越多。煤焦油﹥重油﹥中油﹥轻油大气污染控制工程

c. 固体燃料： 与燃料中灰分率有关，劣质煤灰份高，粉尘浓度就高。易于燃烧又不易出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤、焦炭、褐煤、低挥发分烟煤、高挥发分烟煤。（2）燃料粒度的影响重油燃烧时，油滴的直径越大，残留性烟尘浓度急剧增大。固体燃料粒度越大，燃烧可能越不充分，可能使黑烟增多。大气污染控制工程

炉型不同，燃料中的灰分变为飞灰的份额不同。炉型不同，燃料中的灰分变为飞灰的份额不同。各炉型下的烟尘颗粒粒径组成不同。大气污染控制工程

第 2 章 大气污染物的生成控制