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4-3-2所述各種方法，在燃燒過程中控制NOx的形成。
2.SNOX聯合脫硫脫硝技術
由丹麥HaldorTopsor公司開發的SNOX(SulfurandNOxabatement)聯合脫硫脫硝技術，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。
3.DESONOX聯合脫硫脫硝技術
由德國Degussa等公司共同開發的DESONOX聯合脫硫脫硝工藝，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§4-1已作過詳細介紹。我國工業鍋爐大多數使用各種機械式除塵器，少數使用濕式除塵器;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。發動機在接近理論空燃比或略富燃料條件下，才能保證平穩可靠。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，影響發動機的穩定工作，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，巡航狀態下采用較貧混氣燃燒，則NO適中，HC和CO較少;冷發動機起動時，因系統溫度低必須增加供油量，處于富燃狀態，致使CO和HC濃度增大;發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，福特公司PROCO系統)和副燃燒室(如本田公司CVCC系統，大眾公司PCI系統)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域傳播和擴散，從而保證穩定的燃燒。
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，分層燃燒系統通常與廢氣再循環和尾氣凈化裝置配合使用。
2.稀混合氣燃燒技術
該技術用于現有汽油機的改造。它對原燃燒室的結構略作變動，改善混合氣的形成和分配，實現平均空燃比在20以上的稀混合氣的穩定燃燒，從而提高發動機的經濟性和減少排污。一種方法是在氣缸蓋上增設副室，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設置兩個火花塞，同時點火使其燃燒，增大整體燃燒速率。
3.控制燃燒的其他技術
控制燃燒條件的措施還有：①采用汽油噴射技術。采用噴射供油方式，尤其是電控噴射系統，可以按照發動機的運轉工況精確控制混合氣的空燃比，以實現發動機的低排放水平。②改進點火系統。延長火花持續時間或采用高能點火系統，增大點火能量，則可擴大著火范圍以實現稀混合氣穩定燃燒，有利于減少CO和HC的排放。③廢氣再循環。將一部分廢氣從排氣管引入進氣系統，可以降低燃燒溫度，有效抑制NOx的生成。廢氣再循環率一般應小于(20～25)%，否則汽油機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的變化很大，為保證汽油機高效穩定的工作，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，過多會使排氣冷卻降溫，達不到凈化效果。此方法常與下面兩種方法結合使用。
(2)熱反應器。這是一個設置在排氣管出口上促進氧化反應的絕熱裝置。尾氣進入熱反應器后，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，可以進一步提高熱反應器的凈化效率。
(3)催化反應器。在有氧條件下，氧化催化反應器可以使排氣中的CO及HC在較低溫度(約300℃)時進行快速的氧化反應：
HC+O2→CO2+H2O
2CO+O2→2CO2
催化反應工藝如圖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，因此一般發動機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，以保證反應順利進行。由于上述反應為放熱反應，催化劑一般采用以Al2O3為載體的鉑、鈀等貴金屬或其氧化物。當溫度超過400℃時，該裝置對HC和CO的凈化效率可達95%～98%。但在溫度低于250～300℃時，催化劑的轉換效率急劇下降。
采用三元催化反應器可以對汽油機排氣中的CO，HC及NOx進行綜合處理。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
三元催化反應器的凈化效率與空燃比密切相關，如圖4-39所示。由圖可見，當空燃比處于富燃料時，HC和CO凈化效率變差，而當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濟性較好，但成本較高，精密控制空燃比的方法還需深入研究。
柴油機一般采用選擇性催化還原系統(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器中，與NOx反應生成H2O和N2。在最佳反應溫度300～450℃時，SCR系統可使顆粒減少50%，NOx降低(90～95)%。
5.柴油機碳煙的凈化
碳煙是柴油機在高壓燃燒條件下，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生的水煤氣反應會吸收大量的熱量，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，產生“微爆”，促使油滴細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%，以免柴油機工作性能惡化。該法受到燃油變質及有關零部件銹蝕的限制。
(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，選用恰當的燃料添加劑，抑制碳煙效果明顯。
(3)碳煙凈化裝置。在排氣系統中裝設附有催化劑的金屬網凈化器，排氣通過時，可以利用CO和HC的氧化反應熱使碳煙顆粒燃燒。
以上各種方法應謹慎組配，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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