燃燒過程的污染源,主要有固定源鍋爐和活動源機動車輛。
(一)鍋爐廢氣的綜合治理
鍋爐排放的煙氣中,主要污染物為SO2、NOx、煙塵、CO2等。
1.低NOx燃燒技術
可采用節(jié)4-3-2所述各種方法,在燃燒過程中控制NOx的形成。
2.SNOX聯(lián)合脫硫脫硝技術
由丹麥HaldorTopsor公司開發(fā)的SNOX(SulfurandNOxabatement)聯(lián)合脫硫脫硝技術,是將SO2氧化為SO3后制成硫酸回收,并用選擇性催化還原法SCR去除NOx。此工藝可脫除95%的SO2、90%的NOx和幾乎所有顆粒物,除需要用氨還原NOx外,不消耗任何其他化學品,還不產生廢水、廢物等二次污染物,同時還能回收硫酸,并利用余熱提高鍋爐效率。
300MW燃煤電廠的SNOX工藝流程如圖4-35所示,凈化裝置在空氣預熱器之后。煙氣流程為:煙氣經空氣預熱器和冷卻器降溫至200℃后進入袋式除塵器,使含塵量降至小于10mg/m3。接著,煙氣在換熱器中被SO2轉化器來的高溫煙氣加熱至380℃后,進入SCR反應器,氨的選擇性催化反應將脫去90%的NOx。然后,煙氣在加熱器中被燃料氣或過熱蒸汽提供的熱能加熱至420℃后,進入SO2轉化器,使其中95%~96%的SO2氧化成SO3。最后煙氣被冷卻至255℃進入空冷式降膜冷凝器(WSA),再用空氣冷至90~100℃,則煙氣中的SO3水合物冷凝成濃度為95%硫酸回收。SNOX裝置回收熱能有:排煙溫度低于普通鍋爐,SCR催化還原反應放熱及生成硫酸凝時結放熱。
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3.DESONOX聯(lián)合脫硫脫硝技術
由德國Degussa等公司共同開發(fā)的DESONOX聯(lián)合脫硫脫硝工藝,除了將煙氣中的SO2轉化為SO3后制成硫酸,以及用SCR除去NOx外,還能將CO及未燃燒的烴類物質氧化為CO2和水。該凈化裝置位于電除塵器后。160℃的煙氣進入燃用天然氣的燃燒器,煙氣加熱至反應溫度(400~460℃)后進入DESONOX反應器,在反應器的第一段,NOx被還原,在反應器的第二段,SO2、CO和烴類物質被氧化。然后,富含SO3的煙氣在冷凝器中冷卻并與水反應生成硫酸凝結,進入洗滌器用循環(huán)硫酸吸收未反應的SO3,可使30%的硫酸濃縮到95%。此工藝脫硫脫硝效率高,沒有二次污染,技術簡單,投資及運行費用低,適用于老廠的改造。
4.活性炭聯(lián)合脫硫脫硝技術
反應器為兩段移動床。除塵冷卻后,溫度為90~150℃的煙氣進入第一段活性炭床層(上段),SO2被催化氧化,與水反應生成H2SO4,被活性炭吸附,脫除90%的SO2。在兩段之間噴入氨,和煙氣混合后進入第二段(下段),NOx被催化還原,同時進一步脫除SO2。載有H2SO4的活性炭,由反應器底部送入脫附器,加熱至溫度400~450℃時,吸附在活性炭上的H2SO4放出SO3,可進一步加工成硫。脫附后的活性炭被空氣冷卻,篩除細粉后循環(huán)使用。該工藝可脫除98%的SO2和80%的NOx。
以上介紹的各種脫硫脫硝工藝均已有商業(yè)應用。
5.鍋爐除塵
鍋爐燃燒煙氣中的粉塵含量高,但只要選用合適的除塵器,就能使煙塵排放符合環(huán)境標準要求。各種除塵器的除塵效率為:旋風除塵器近90%,濕式除塵器95%~99%,袋式除塵器和電除塵器均可大于99.8%,其工作原理和性能結構在節(jié)§4-1已作過詳細介紹。我國工業(yè)鍋爐大多數(shù)使用各種機械式除塵器,少數(shù)使用濕式除塵器;電站鍋爐大部分使用電除塵器和袋式除塵器,少部分使用濕式除塵器。隨著對煙塵排放濃度的限制越來越嚴格,除塵器的采用趨于向高效除塵器變化。在許多發(fā)達國家,電除塵器、袋式除塵器的比例很大,其余除塵器比例很小或作為多級除塵的一級除塵設備。
(二)機動車尾氣的綜合治理
汽車及其他機動車排放的污染物與燃料性質和燃燒方式有關。對于預混燃燒的點燃式汽油發(fā)動機主要是NOx、CO和碳氫化合物HC,而采用擴散燃燒的壓燃式柴油發(fā)動機還會產生碳煙及顆粒物等。NOx是高溫燃燒時的熱力型,CO、HC和碳煙則是因燃燒不完全所產生。
影響污染物產生的最重要因素是燃燒時的燃空當量比φ(實際油氣比/理論油氣比),汽油內燃機中NO,CO和HC的濃度與φ的變化關系如圖4-36所示。發(fā)動機在接近理論空燃比或略富燃料條件下,才能保證平穩(wěn)可靠。雖然污染物隨著混氣變貧而減少,但當空燃比約大于17時,過貧的混氣就不易著火,影響發(fā)動機的穩(wěn)定工作,并使大量燃料未經排放,則未燃HC急劇增大。在富燃料條件下,由于缺氧,NO減少而CO和HC增加。一般,巡航狀態(tài)下采用較貧混氣燃燒,則NO適中,HC和CO較少;冷發(fā)動機起動時,因系統(tǒng)溫度低必須增加供油量,處于富燃狀態(tài),致使CO和HC濃度增大;發(fā)動機達到最大功率時在理論空燃比下工作,此時NO濃度有最大值。可見,機動車尾氣的排放控制十分復雜和困難,主要是通過控制燃燒、改進發(fā)動機和尾氣凈化等技術來解決。
1.分層燃燒
分層燃燒的實質是采用上述的濃淡燃燒原理,其基本結構有圖4-37所示的直接噴射(如德士古公司TCP系統(tǒng),福特公司PROCO系統(tǒng))和副燃燒室(如本田公司CVCC系統(tǒng),大眾公司PCI系統(tǒng))兩種型式。圖4-37(a)是依靠進氣渦流或采用機械方式,使進入氣缸內的混合氣實現(xiàn)濃度的依次分層;圖4-37(b)則是設置預燃室達到分層進氣目的。在燃燒室內,空燃比為12~13.5易于點燃的濃混合氣聚積在火花塞周圍,以確保可靠的著火條件,而其余大部分區(qū)域充滿稀混合氣,使總的平均空燃比保持在18以上。汽油機工作時,火花塞首先點燃濃混合氣,然后利用燃燒后產生的高溫、高壓和氣流運動,使火焰迅即向稀混合氣區(qū)域傳播和擴散,從而保證穩(wěn)定的燃燒。
由于采取缺氧的過濃燃燒和大空氣量的過稀燃燒,分層燃燒降低了燃燒溫度,使得NOx降低。貧燃區(qū)域氧量充分、混合良好,使得CO減少,HC的排放被抑制。為了進一步降低污染物的排放,分層燃燒系統(tǒng)通常與廢氣再循環(huán)和尾氣凈化裝置配合使用。