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環境汙染及其治理方法
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治理霧霾的誤區

(2015-03-30 11:29:11) 下一個

關於霧霾,最大的誤解是“導致霧霾的汙染物和能耗成正比,要消滅霧霾隻能減少能耗”。導致霧霾的汙染物,除了SO2是主要物種(major species)外,大多是燃燒過程的次要物種(minor species, 比如一次PM2.5, NOx, CO揮發性有機化合物VOC)和工業過程的逃逸物(揮發性有機化合物VOC)。次要物種排放和工業過程的逃逸物排放是可以避免或者降到極低的。所有化石燃料, 主要成分都是C H,還有少量的其他元素(S, NO等)。煤炭含有較多的SN所以燒煤汙染比較嚴重.   天然氣基本上就是CH其他元素隻有很少量,所以燒天然氣汙染比較輕,但也產生NOx, 除非采用低氮燃燒器或超低氮燃燒器。限於篇幅,我對火焰化學極度簡化。

 

  1. 主要物種(Major Species

主要物種(CO2, H2O, O2, N2, SO2)是完全燃燒不可避免的產物,可以按照物料平衡的原則計算出產量,通常量也比較大,常用體積百分比(%)來表達。

 

1.1  碳和氫的氧化

化石燃料的燃燒,CH的氧化可以概括為以下幾個反應:

C  + O2 = CO2

H2 + ½ O2 = H2O

CH4 + 2O2 = CO2 + 2 H2O (天然氣)

。。。

但是空氣裏有21%氧氣,78%氮氣,1%左右別的氣體(ArHeCO2等)。為了簡化,就說21%氧氣,79%氮氣吧.  就是說,每一體積的氧氣,要帶著3.762個體積的氮氣。

C  + O2 +3.762 N2 =CO2 + 3.762 N2

H2 + ½ O2+3.762 N2 = H2O+ 1.881 N2

CH4 + 2O2+3.762 N2 = CO2+ 2 H2O + 7.524N2(甲烷完全燃燒)。

二氧化碳(CO2)和霧霾的產生沒有直接關係。

 

1.2  硫的氧化

S+ O2 +3.762 N2 = SO2 +3.762 N2

要避免二氧化硫,隻能對燃料脫硫,或者對燃燒產生的尾氣脫硫。


2. 次要物種(Minor Species

次要物種是燃燒過程中不一定要產生的物種,包括黑炭(sootPM2.5NOx,  SO3VOC.   次要物種不能按照物料平衡的原則計算出產量,通常產生量也比較小,常用百萬分之一ppm)來表達。

 

燃燒機理極其複雜,簡單的甲烷燃燒,可以涉及53個物種和325個反應,請看附錄。

 

2.1黑炭soot顆粒

黑炭soot顆粒通常在局部缺氧的情況下由乙炔交聯成苯環,苯環再交聯成稠環芳香烴,稠環芳香烴再交聯脫氫形成。在火焰中容易被氧化燒掉。可以說,黑炭soot顆粒要從火焰中逃出,變成一次PM2.5進入大氣,不是必然的,而是九死一生的機會。控製得當,可以把一次PM2.5降到很低。

 

2.2 三氧化硫

SO2 + ½ O2 = SO3

要避免三氧化硫的排放,可以通過燃料脫硫,或者對燃燒產生的尾氣脫硫。


2.3 一氧化碳

C + ½ O2 = CO  (碳不完全燃燒,燃燒中間產物)

燃燒控製得當,可以把CO降到<0.1ppm

 

2.4 揮發性有機化合物VOC

VOC volatile organic compounds)也可以是燃燒中間產物,由不完全燃燒產生。但是,VOC還有別的來源,如加油站,產品上漆過程,工廠煙囪尾氣,高架火不完全燃燒等。VOC排放是可以避免或通過技術減到很低的(<1 ppm)。

 

2.5 氮氧化物NOx

N2+ O2 = 2 NO

NO + ½ O2 = NO2

空氣中氮氣很穩定,要氧化成氮氧化物一定要高溫。通過低氮和超低氮燃燒技術,可以把NOx降到很低。

燃料(煤,油)中固有的氮比較麻煩,在燃燒過程中通常都轉化為NOx.   但采用分級燃燒或者SCR/SNCR也可以變為無害的氮氣。氮氧化物控製技術,是當今燃燒技術的皇冠上的明珠。西方燃燒技術的研發投入,絕大部分用在氮氧化物控製上。 

 

一般而言,導致霧霾的次要物種,在控製不當的情況下可以高於10,000 ppm(上不封頂),控製得當也可以< 5 ppm甚至有些汙染物可以<0.01ppm (可以說等於零).  關鍵在於燃燒技術和燃燒過程控製。采用先進技術,對一些次要物種汙染物可以減排超過90%甚至超過99%。相比之下,在相同的燃燒技術條件下減少能耗50%,隻能減燒汙染物排放50% 

 

所以說,關於霧霾,最大的誤解是“導致霧霾的汙染物和能耗成正比,消滅霧霾隻能減少能耗”。

 

以中國現在的經濟發展階段,總能耗恐怕還要增長15年。到2030年總能耗能下降就算樂觀的了。所以,治理霧霾,要從控製導致霧霾的次要物種汙染物開始。導致霧霾的次要物種 本來就沒有出生證,乃是不必要出生的怪物,為何不扼殺於汙染源呢?


本文引用地址:

http://blog.sciencenet.cn/blog-2470641-878356.html  此文來自科學網洪建輝博客,轉載請注明出處。  
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