南京航空航天大学能源与动力学院

南京航空航天大学能源与动力学院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)南京航空航天大学能源与动力学院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南京航空航天大学能源与动力学院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。南京航空航天大学能源与动力学院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。南京航空航天大学能源与动力学院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)。南京航空航天大学能源与动力学院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。南京航空航天大学能源与动力学院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”。南京航空航天大学能源与动力学院8第二章燃烧时污染物生成破坏•不同浓度的NO2对人体健康的影响浓度(ppm)影响1.0闻到臭味5.0闻到很强烈的臭味10-15眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激501分钟内人体呼吸异常，鼻受到刺激803－5分钟内引起胸痛100-150人在30－60分钟就会因肺水肿死亡200以上人瞬间死亡南京航空航天大学能源与动力学院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NO含量NO2含量日最大含量0.13-0.37ppm0.05-0.12ppm月最小含量0.01-0.04ppm0.01-0.04ppm月最大含量0.05-0.11ppm0.04-0.06ppm年平均含量0.03-0.07ppm0.02-0.05ppm南京航空航天大学能源与动力学院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2194万吨南京航空航天大学能源与动力学院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(0.05mg/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、广州和上海三市南京航空航天大学能源与动力学院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%以上南京航空航天大学能源与动力学院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化合物的生成南京航空航天大学能源与动力学院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NO2）燃料中的N－燃料氮南京航空航天大学能源与动力学院15第二章燃烧时污染物生成破坏•热力NOZeldovich连锁反应机理（1946）：贫燃料燃烧，有富余的氧参与氧化反应南京航空航天大学能源与动力学院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：南京航空航天大学能源与动力学院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：南京航空航天大学能源与动力学院18第二章燃烧时污染物生成破坏•热力NO对式2.5进行简化南京航空航天大学能源与动力学院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，而是在高温烟气中南京航空航天大学能源与动力学院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．a1;O2升高－Nox升高。a1;O2的稀释作用导致Nox降低。瞬发氮南京航空航天大学能源与动力学院21第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）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结果南京航空航天大学能源与动力学院22第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）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。南京航空航天大学能源与动力学院23第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）南京航空航天大学能源与动力学院24第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）HCNNO的生成关系南京航空航天大学能源与动力学院25第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）南京航空航天大学能源与动力学院26第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）南京航空航天大学能源与动力学院27第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）CH+N2HCNNC+N2CNNNNO南京航空航天大学能源与动力学院28第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）南京航空航天大学能源与动力学院29第二章燃烧时污染物生成破坏•瞬发NO（PromptNO）计算表明：1）在T2000K时，NO的生成主要取决于CH-N2反应，－瞬发NO途径2）在T2500K时，NO的生成主要取决于热力NO南京航空航天大学能源与动力学院30第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NO南京航空航天大学能源与动力学院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南京航空航天大学能源与动力学院32第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图煤粒N挥发分挥发分N焦炭焦炭NNON2N2南京航空航天大学能源与动力学院33第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NO南京航空航天大学能源与动力学院34第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NO南京航空航天大学能源与动力学院35第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NO南京航空航天大学能源与动力学院36第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NOMiller等人认为，“燃料NO是由气相燃料中氮化物从HCN和NH3开始转化氧化还原南京航空航天大学能源与动力学院37第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NO氧化还原南京航空航天大学能源与动力学院38第二章燃烧时污染物生成破坏•燃料NO南京航空航天大学能源与动力学院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，但会饱和南京航空航天大学能源与动力学院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a1时，转换率很高，但基本不变•a1时，a增大，转换率急剧增大南京航空航天大学能源与动力学院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，总转换率上升南京航空航天大学能源与动力学院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南京航空航天大学能源与动力学院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．南京航空航天大学能源与动力学院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：南京航空航天大学能源与动力学院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反应南京航空航天大学能源与动力学院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反应南京航空航天大学能源与动力学院47第二章燃烧时污染物生成破坏•NO2的生成•燃烧室中：南京航空航天大学能源与动力学院48第二章燃