[科普中国]-燃烧污染物产生机理

简介

燃料的燃烧及其利用在工业、农业、科学和国防建设中的作用极为重要。但是，燃料在燃烧过程中排放出大量有毒有害物质，如CO2、SO2、NOX、烟尘和一些碳氢化合物等，这些物质已经成为主要的大气污染物。1

CO和炭黑的产生机理CO产生机理CO是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃料燃烧过程中生成的重要污染物之一。大气中的CO主要来源是内燃机排气，其次是锅炉中化石燃料的不完全燃烧，CO在大气对流层能滞留约半年。

CO是含碳燃料燃烧过程中生成的一种中间产物，最初存在于燃料中的所有碳都能形成CO。燃料热分解也会产生CO。因此，CO的产生途径主要有燃料不完全燃烧和热解两种。燃料不完全燃烧的原因包括：氧气总量不足和局部缺氧，会产生大量CO；燃烧区域温度不够高、存在局部低温区和CO与低温壁面直接接触，导致CO不能发生燃烧反应；CO在燃烧室停留时间不够，如燃烧室容积较小、气体流动短路或点火延迟；气体混合不充分。

炭黑产生机理炭黑是碳氢化合物在高温缺氧条件下热解产生的碳烟颗粒。炭黑的生成机理非常复杂，其结构属于无定形碳，粒径分布较宽。从不足1μm到100μm。10μm以下的微粒会悬浮在大气中，而且停留时间很长。对人体健康和环境的影响很大。

① 炭黑的生成过程

碳氢燃料燃烧生成粒径为10nm以上的微粒的过程分为两个阶段。第一阶段，低分子量不饱和烃由化学反应形成微粒核的高分子化阶段，产生炭烟核；第二阶段，炭烟核经过聚合、生长形成炭黑微粒。炭黑一旦形成则难以燃尽，往往以黑色炭烟的形式污染大气。燃料与空气混合不充分时燃烧产生的火焰是发光火焰，能够发出可见光和红外线，光谱分析表明火焰内存在游离碳。从火焰中产生的炭烟就是这些游离碳或者碳的自由基高分子化后形成的。这个过程与燃烧形态和火焰的发光燃烧有重要关系。即使是预混火焰，燃料过剩也会产生炭烟。燃料的碳氢比较高时，更容易产生炭烟。火焰温度较高时，根据化学平衡原理，碳原子难以聚集成炭烟。火焰的光辐射强度较高，但是炭烟在排出火焰前将被氧化。

② 炭黑的种类

碳氢类燃料燃烧时生成的炭黑，按其生成机理及其特殊形式。有气相析出型炭黑、剩余型炭黑、雪片型炭黑以及积炭几种形式。

气相析出型炭黑。气相析出型炭黑是气体燃料、液体燃料的蒸发油气和固体燃料的挥发分气体，在空气不足的高温条件下热分解所生成的固体颗粒。颗粒尺寸很小(0.02～0.05μm)，聚集成链时，尺寸显著增加。炭黑在火焰中产生，辐射力增强，发出亮光，形成发光火焰。

剩余型炭黑。剩余型炭黑是液体燃料燃烧剩余的固体颗粒，称为油灰或烟炱。油滴被炉内高温和其周围的火焰加热，产生油蒸气，同时油滴发生聚缩反应，一面激烈地发泡，一面固化，生成孔隙率高的絮状空心微珠，尺寸很大(10～300μm)，外形近似球状。重油或渣油燃烧时容易形成剩余型炭黑，而汽油和柴油等易燃油燃烧时不易产生。

雪片。雪片是以炭黑为核心，在烟气温度接近露点温度时，炭黑吸附烟气中的硫酸，长大成为雪片形状的烟尘，又称为酸性烟尘。颗粒尺寸较大，常常会沉落在烟囱附近，且具有很强的腐蚀性。

积炭。积炭可以认为是剩余型炭黑的一种，其形成过程是油滴附着在燃烧器和燃烧室壁面，受炉内高温作用，油滴不断气化而剩下的物质。油滴附着处的形状、附近烟气流动和温度情况不同，积炭的形状不定，但其颗粒尺寸较大。积炭量与燃烧火焰温度特别是壁温有着复杂的关系，温度升高，既能使积炭增加，又能使积炭减少，而最终结果主要取决于温度范围。燃油的挥发性、沸点和燃油组成等也对这种积炭有明显的影响。

③ 炭黑的特性

炭黑粒子通常呈黑色，主要由碳元素组成，表面往往凝结或吸附未燃烃。不同种类的炭黑，其直径差异较大。积炭的尺寸一般较大，剩余型炭黑一般为10～300μm。气相析出型炭黑一般尺寸较小，且燃料种类与火焰形状对其尺寸影响不大。

其它燃烧污染物硫氧化物各种燃料均含有少量硫，以无机硫或有机硫的形式存在于燃料之中。 气体燃料中一般较少，煤和石油中比较多。

气体燃料中的硫含量较少，主要是H2S，一般在0.5%以下。气态的H2S比较容易从燃料中脱除。因此，气体燃料属于清洁燃料，燃烧造成的硫化物污染通常很小。

液体燃料中的硫小部分为无机硫，大部分为硫与碳、氢、氧等元素组合的复杂化合物。

原油的含硫量因产地而异。由于原油经多次炼制而使硫化物浓缩的作用，轻质馏分含硫量少，硫的结构简单，重质馏分含硫量更多，结构复杂。轻柴油的硫含量不大于0.2%，汽油不大于0.15%。

固体燃料中的硫含量变化较大，一般为0.2%～11%。煤中的无机硫含量比液体燃料大，主要组分是黄铁矿。煤中的有机硫的结构则更为复杂。

氮氧化物燃烧产生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，合称为NOX。燃料燃烧生成的NOX几乎都是NO，只有在急速冷却高温燃烧燃气和空气混合物时，有很少一部分NO转化为NO2。但是在800℃低温燃烧过程中(相当于流化床燃烧条件)，有少量的氧化二氮(N2O)产生。

NOX的生成量和排放量与燃料的燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数有关。了解燃烧过程中NOX的生成机理十分必要，但目前燃烧过程中NOX的生成机理还不是十分明确，关于NOX生成机理和控制技术的研究非常活跃。燃烧产生NOX的氮来源有两个，一个是燃烧用空气中的氮气，一个是燃料中的氮。NOX的生成机理可分为热力型NOX、燃料型NOX和快速型NOX三类。

烟尘燃料种类不同，燃烧生成烟尘的机理也不同。气体燃料的燃烧烟尘主要是由轻质碳氢化合物生成的。空气供应不足时，碳氢化合物受热发生热分解生成炭烟，称为气相析出型烟尘。进行扩散燃烧时，燃料与空气混合不良，碳氢化合物受到高温火焰的直接作用，容易生成炭烟。碳原子数多的燃料比较容易生成炭烟，如炔类和烯类生成炭烟的可能性比烷类更高。

液体燃料在燃料雾化不良、燃烧室温度较低的情况下燃烧时，容易生成含油性较大的烟尘，其中不仅有热分解生成的重碳组分。还包括尚未燃烧的燃料，称为剩余型烟尘，俗称油灰。燃料分子含碳越多，油灰的生成率越高。汽车尾气含有剩余型烟尘，对环境造成严重污染。2