2.5　煤的燃燒和污染

2.5.1　煤的燃燒過程

煤炭作為能源的主要作用是燃燒產(chǎn)生熱量。每年有大量的煤被送入各種燃燒爐，用于供熱和發(fā)電。煤的燃燒看似簡單，實際是一項對社會經(jīng)濟發(fā)展有重大意義的技術(shù)，傳統(tǒng)的燃燒方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代化的要求，需要開發(fā)和應(yīng)用新的燃燒技術(shù)。

煤的燃燒過程包括干燥脫水、熱解脫揮發(fā)分、揮發(fā)分和焦炭燃燒等步驟。干燥和析出揮發(fā)分大約占總?cè)紵龝r間的1/10，焦炭燃燒占9/10。這里主要簡述一下焦炭的燃燒過程。

焦炭燃燒反應(yīng)是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，是發(fā)生在焦炭表面和空氣中的氧氣之間的氣固兩相反應(yīng)。一般分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng)兩種。

一次反應(yīng)為：

C（s）+O₂（g）CO₂（g）　　+409.15kJ/mol　　 （2-1）

　　 （2-2）

二次反應(yīng)為：

C（s）+CO₂（g）2CO（g）　　-162.63kJ/mol　　 （2-3）

2CO（g）+O₂（g）2CO₂（g）　　+571.68kJ/mol　　 （2-4）

總反應(yīng)為：

xC（s）+yO₂（g） mCO₂（g）+nCO（g）　　+熱量　　 （2-5）

由反應(yīng)式可以看出，煤炭中的含碳量越高，煤燃盡的時間越長，焦炭發(fā)熱量越大。氧含量越高，燃燒越完全，放出的熱量越大。

式（2-1）～式（2-3）都是在焦炭表面發(fā)生的氣固兩相反應(yīng)，式（2-4）是在焦炭表面附近進行的氣相反應(yīng)。式（2-1）、式（2-2）和式（2-4）是放熱的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為CO和CO₂；而式（2-3）為吸熱的還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為CO。

煤的燃燒方式主要有固定床、流化床和氣流床三種。

①固定床燃燒　一般直接用塊煤作燃料的加熱爐和鍋爐都是固定床燃燒。家用的煤球（煤餅）爐也可看成固定床式燃燒。固定床燃燒，由于空氣補充不及時，燃燒不充分，燃燒效率較低。

②流化床燃燒　流化（沸騰）燃燒時，細(xì)粒煤在床層內(nèi)處于沸騰狀態(tài)，所以煤粒與空氣得到充分混合。煤粒之間互相碰撞，熱量迅速傳遞，燃燒表面不斷更新，新進入床內(nèi)的煤粒迅速被燃燒著的熾熱粒子所包圍，故很快受熱干燥并著火燃燒。所以燃燒效率較高。

③氣流床燃燒　氣流床燃燒目前廣泛用于火力發(fā)電站。干燥的細(xì)煤粉（40%～90%的煤粉粒徑小于90μm）隨一次空氣從噴嘴噴入爐膛燃燒。為保證燃燒完全，爐膛上部還噴入一定量的二次空氣，因此氣流床的燃燒效率更高。

2.5.2　燃煤污染的產(chǎn)生

在大氣污染中，燃煤產(chǎn)生的污染影響很大?？諝馕廴疚镏邪喝紵筮M入大氣的懸浮粒子，包括灰粒子、微量金屬和煙等。煤的直接燃燒已引起嚴(yán)重的生態(tài)和環(huán)境污染問題，20世紀(jì)重大的大氣環(huán)境污染事件，如酸雨、臭氧減少、全球氣候變暖、光化學(xué)煙霧污染、城市煤煙霧等，都與燃煤相關(guān)。大氣中的主要污染物，二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、煙塵、顆粒物、有機污染物、重金屬的主要來源都是煤的燃燒，這些污染物對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的損害。硫和氮是煤轉(zhuǎn)化利用過程中的主要污染源。所以，降低煤燃燒形成的環(huán)境污染，是亟待解決的問題。

（1）煤炭燃燒中硫的變遷行為

硫在煤中的含量從0.2%～10%不等，低硫煤中的硫主要來源于成煤植物中的蛋白質(zhì)、氨基酸等。高硫煤中的硫主要來源于成煤過程中細(xì)菌對煤層受海水侵蝕而含有的硫酸鹽的還原。在成煤過程中由物理滲入的雜質(zhì)以無機硫的形式存在，而在煤分子結(jié)構(gòu)組成部分中的為有機硫。

煤中的硫的轉(zhuǎn)化與燃燒過程有關(guān)。煤中的硫無論其存在形態(tài)如何，在燃燒過程中都轉(zhuǎn)化為SO₂，少部分SO₂與堿性礦物質(zhì)反應(yīng)，以硫酸鹽的形式留存在灰渣中，還有極少的SO₂轉(zhuǎn)化為SO₃。當(dāng)煤燃燒不充分時，會發(fā)生氣化過程。在氣化過程中，煤中各種形態(tài)的硫被大部分釋放出來，主要釋放形式是H₂S，同時還有一些CS₂、COS等。而在煤的熱解過程中，有機硫根據(jù)其熱穩(wěn)定性，一部分硫轉(zhuǎn)移到氣相中，生成大量的H₂S及少量的COS、CH₃SH、CS₂及噻吩等含硫氣體。

煤中的硫分燃燒時的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

3S+4O₂ SO₂+2SO₃　　 （2-6）

4FeS₂+11O₂ 8SO₂+2Fe₂O₃　　 （2-7）

FeS₂+H₂ FeS+H₂S　　 （2-8）

FeS₂+CO FeS+COS　　 （2-9）

（2）煤炭燃燒中氮的變遷行為

氮在煤中基本以有機態(tài)的形式存在，其來源于成煤植物含有的蛋白質(zhì)、氨基酸、樹脂等，煤的含氮量一般都在1%～2%。

煤燃燒過程中最受關(guān)注的是氮氧化物的生成，氮氧化物NO_x主要包括NO和NO₂，其中NO約占90%～95%，NO₂是NO被O₂在低溫下氧化而生成的。

燃燒過程中煤將首先熱解脫揮發(fā)分，釋放出低分子量的含氮化合物和含氮自由基，生成NO。在氣化過程中，氮的氧化物可以先在燃燒區(qū)形成，在隨后的還原區(qū)再反應(yīng)生成NH₃、HCN等，在還原區(qū)的氣氛中，殘留的氮也可直接與氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成NH₃，同時NH₃也可能發(fā)生與碳的反應(yīng)生成HCN。此外，在煤燃燒過程中空氣帶進來的氮，在燃燒室的高溫下被氧化成NO。

（3）礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為灰的行為

煤中的無機雜質(zhì)礦物，在燃燒過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榛?。煤顆粒被加熱燃燒后，一部分礦物先揮發(fā)，形成氣相，進一步進行均相和多相凝聚反應(yīng)，形成0.01～0.05μm的亞微米煙塵顆粒，這些煙塵僅占飛灰質(zhì)量的1%～2%，但其帶來的環(huán)境危害卻是非常嚴(yán)重的，是造成灰霾的主要因素。

在低階煤的燃燒過程中，當(dāng)溫度低于1800K時，難熔氧化物MgO、CaO是細(xì)灰的主要組成部分。而SiO₂則是煙煤細(xì)灰產(chǎn)物的主要部分。SiO₂被半焦還原為揮發(fā)性的，隨后發(fā)生均相氣相氧化反應(yīng)，然后凝聚為飛灰中存在的SiO₂。