燃燒過程廢氣的綜合治理
燃燒過程的污染源，主要有固定源鍋爐和活動源機(jī)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(shù)
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(shù)
由丹麥HaldorTopsor公司開發(fā)的SNOX(SulfurandNOxabatement)聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)，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(xué)品，還不產(chǎn)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(yù)熱器之后。煙氣流程為：煙氣經(jīng)空氣預(yù)熱器和冷卻器降溫至200℃后進(jìn)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(zhuǎn)化器來的高溫?zé)煔饧訜嶂?80℃后，進(jìn)入SCR反應(yīng)器，氨的選擇性催化反應(yīng)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(jìn)入SO2轉(zhuǎn)化器，使其中95%～96%的SO2氧化成SO3。最后煙氣被冷卻至255℃進(jìn)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(yīng)放熱及生成硫酸凝時結(jié)放熱。
3.DESONOX聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)
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(zhuǎn)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(zhì)氧化為CO2和水。該凈化裝置位于電除塵器后。160℃的煙氣進(jìn)入燃用天然氣的燃燒器，煙氣加熱至反應(yīng)溫度(400～460℃)后進(jìn)入DESONOX反應(yīng)器，在反應(yīng)器的第一段，NOx被還原，在反應(yīng)器的第二段，SO2、CO和烴類物質(zhì)被氧化。然后，富含SO3的煙氣在冷凝器中冷卻并與水反應(yīng)生成硫酸凝結(jié)，進(jìn)入洗滌器用循環(huán)硫酸吸收未反應(yīng)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(shù)簡單，投資及運(yùn)行費(fèi)用低，適用于老廠的改造。
4.活性炭聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)
反應(yīng)器為兩段移動床。除塵冷卻后，溫度為90～150℃的煙氣進(jìn)入第一段活性炭床層(上段)，SO2被催化氧化，與水反應(yīng)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(jìn)入第二段(下段)，NOx被催化還原，同時進(jìn)一步脫除SO2。載有H2SO4的活性炭，由反應(yīng)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(jìn)一步加工成硫。脫附后的活性炭被空氣冷卻，篩除細(xì)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)要求。各種除塵器的除塵效率為：旋風(fēng)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(jié)構(gòu)在節(jié)§4-1已作過詳細(xì)介紹。我國工業(yè)鍋爐大多數(shù)使用各種機(jī)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(yán)格，除塵器的采用趨于向高效除塵器變化。在許多發(fā)達(dá)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(shè)備。
(二)機(jī)動車尾氣的綜合治理
汽車及其他機(jī)動車排放的污染物與燃料性質(zhì)和燃燒方式有關(guān)。對于預(yù)混燃燒的點(diǎn)燃式汽油發(fā)動機(jī)主要是NOx、CO和碳?xì)浠衔颒C，而采用擴(kuò)散燃燒的壓燃式柴油發(fā)動機(jī)還會產(chǎn)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(chǎn)生。
影響污染物產(chǎn)生的最重要因素是燃燒時的燃空當(dāng)量比φ(實(shí)際油氣比/理論油氣比)，汽油內(nèi)燃機(jī)中NO，CO和HC的濃度與φ的變化關(guān)系如圖4-36所示。發(fā)動機(jī)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(dāng)空燃比約大于17時，過貧的混氣就不易著火，影響發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作，并使大量燃料未經(jīng)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(jī)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(jī)達(dá)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(jī)動車尾氣的排放控制十分復(fù)雜和困難，主要是通過控制燃燒、改進(jìn)發(fā)動機(jī)和尾氣凈化等技術(shù)來解決。
1.分層燃燒
分層燃燒的實(shí)質(zhì)是采用上述的濃淡燃燒原理，其基本結(jié)構(gòu)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(jìn)氣渦流或采用機(jī)械方式，使進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣實(shí)現(xiàn)濃度的依次分層;圖4-37(b)則是設(shè)置預(yù)燃室達(dá)到分層進(jìn)氣目的。在燃燒室內(nèi)，空燃比為12～13.5易于點(diǎn)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(jī)工作時，火花塞首先點(diǎn)燃濃混合氣，然后利用燃燒后產(chǎn)生的高溫、高壓和氣流運(yùn)動，使火焰迅即向稀混合氣區(qū)域傳播和擴(kuò)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(jìn)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。
2.稀混合氣燃燒技術(shù)
該技術(shù)用于現(xiàn)有汽油機(jī)的改造。它對原燃燒室的結(jié)構(gòu)略作變動，改善混合氣的形成和分配，實(shí)現(xiàn)平均空燃比在20以上的稀混合氣的穩(wěn)定燃燒，從而提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和減少排污。一種方法是在氣缸蓋上增設(shè)副室，火花塞位于主燃燒室和副室的連接通道處，壓縮過程中的均勻稀混合氣從主燃燒室進(jìn)入副室，在那里燃燒后再以火焰噴流形式噴向主燃燒室。另一種方法是在一個燃燒室內(nèi)設(shè)置兩個火花塞，同時點(diǎn)火使其燃燒，增大整體燃燒速率。
3.控制燃燒的其他技術(shù)
控制燃燒條件的措施還有：①采用汽油噴射技術(shù)。采用噴射供油方式，尤其是電控噴射系統(tǒng)，可以按照發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況精確控制混合氣的空燃比，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的低排放水平。②改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)。延長火花持續(xù)時間或采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)，增大點(diǎn)火能量，則可擴(kuò)大著火范圍以實(shí)現(xiàn)稀混合氣穩(wěn)定燃燒，有利于減少CO和HC的排放。③廢氣再循環(huán)。將一部分廢氣從排氣管引入進(jìn)氣系統(tǒng)，可以降低燃燒溫度，有效抑制NOx的生成。廢氣再循環(huán)率一般應(yīng)小于(20～25)%，否則汽油機(jī)的工作性能會急劇惡化。
4.尾氣凈化
由于燃料燃燒條件隨汽車行駛狀態(tài)的變化很大，為保證汽油機(jī)高效穩(wěn)定的工作，一般都離不開對尾氣的凈化。尾氣凈化的方法有：
(1)空氣噴射。在排氣門出口注入新鮮空氣，使高溫尾氣中的CO和HC與空氣混合而被燃燒凈化。噴射的空氣要適量，與混合氣的濃度有關(guān)，過多會使排氣冷卻降溫，達(dá)不到凈化效果。此方法常與下面兩種方法結(jié)合使用。
(2)熱反應(yīng)器。這是一個設(shè)置在排氣管出口上促進(jìn)氧化反應(yīng)的絕熱裝置。尾氣進(jìn)入熱反應(yīng)器后，在充分有氧條件下，CO和HC生成CO2和H2O。溫度在600℃以上時，凈化效率很高。此方法可直接用于稀混合氣。在濃混合氣的條件下，向排氣口噴入二次空氣，可以進(jìn)一步提高熱反應(yīng)器的凈化效率。
(3)催化反應(yīng)器。在有氧條件下，氧化催化反應(yīng)器可以使排氣中的CO及HC在較低溫度(約300℃)時進(jìn)行快速的氧化反應(yīng)：
HC+O2→CO2+H2O
2CO+O2→2CO2
催化反應(yīng)工藝如圖4-38所示。氧化催化劑一般采用以AlO3為載體的鉑、鈀等貴金屬或其氧化物，它不能使NOx減少，因此一般發(fā)動機(jī)在過富或過貧的空燃比條件下工作以抑制NOx的生成。貧燃條件下，排氣中一般都有剩余的氧氣，只需供給少量空氣即可;富燃條件時，必須向排氣噴入二次空氣，以保證反應(yīng)順利進(jìn)行。由于上述反應(yīng)為放熱反應(yīng)，催化劑一般采用以Al2O3為載體的鉑、鈀等貴金屬或其氧化物。當(dāng)溫度超過400℃時，該裝置對HC和CO的凈化效率可達(dá)95%～98%。但在溫度低于250～300℃時，催化劑的轉(zhuǎn)換效率急劇下降。
采用三元催化反應(yīng)器可以對汽油機(jī)排氣中的CO，HC及NOx進(jìn)行綜合處理。催化劑的活性成分為銠和鉑，銠對NOx的還原性能最高，而鉑則對CO和HC的氧化活性好。因此，鉑-銠系催化劑同時具有氧化和還原作用，可以使排氣中的CO和HC作為還原劑使NOx還原成N2，其本身氧化為CO2和H2O：
4NO+CH4→2N2+CO2+2H2O
2NO+2CO→2CO2+N2
三元催化反應(yīng)器的凈化效率與空燃比密切相關(guān)，如圖4-39所示。由圖可見，當(dāng)空燃比處于富燃料時，HC和CO凈化效率變差，而當(dāng)空燃比處于貧燃料時，則NO凈化效率下降。因此，為了能同時高效凈化三個成分，空燃比的允許范圍較窄，要求精確控制在±0.25左右，如果配備電控燃料噴射可獲得最佳的凈化效果。該裝置凈化效果及經(jīng)濟(jì)性較好，但成本較高，精密控制空燃比的方法還需深入研究。
柴油機(jī)一般采用選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)降低NOx。將適量的濃度為40%的尿素水溶液噴入排氣管的催化反應(yīng)器中，與NOx反應(yīng)生成H2O和N2。在最佳反應(yīng)溫度300～450℃時，SCR系統(tǒng)可使顆粒減少50%，NOx降低(90～95)%。
5.柴油機(jī)碳煙的凈化
碳煙是柴油機(jī)在高壓燃燒條件下，不完全燃燒時形成的以碳為主要成分的固態(tài)微小顆粒。可以采用以下的方法控制碳煙的排放。
(1)柴油摻水乳化。柴油中摻入水和乳化劑形成均質(zhì)乳化油。在燃燒過程中，由于水分的汽化，以及水分與燃油中碳原子發(fā)生的水煤氣反應(yīng)會吸收大量的熱量，使燃燒最高溫度下降，減少NOx的生成，但CO和HC的排放有所增加。此外，水分的汽化使乳化油滴的體積急劇膨脹，產(chǎn)生“微爆”，促使油滴細(xì)化及其與空氣的良好混合，改善了燃燒條件，從而降低了碳煙濃度。柴油摻水量一般不超過20%，以免柴油機(jī)工作性能惡化。該法受到燃油變質(zhì)及有關(guān)零部件銹蝕的限制。
(2)燃料添加劑。研究表明，在燃料中加入0.5%的油溶性鋇族金屬添加劑，可以減少50%的碳煙濃度。因此，選用恰當(dāng)?shù)娜剂咸砑觿种铺紵熜Ч黠@。
(3)碳煙凈化裝置。在排氣系統(tǒng)中裝設(shè)附有催化劑的金屬網(wǎng)凈化器，排氣通過時，可以利用CO和HC的氧化反應(yīng)熱使碳煙顆粒燃燒。
以上各種方法應(yīng)謹(jǐn)慎組配，以免在降低NOx排放時引起HC、CO和顆粒排放的增加。
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