2.5　煤的燃烧和污染

2.5.1　煤的燃烧过程

煤炭作为能源的主要作用是燃烧产生热量。每年有大量的煤被送入各种燃烧炉，用于供热和发电。煤的燃烧看似简单，实际是一项对社会经济发展有重大意义的技术，传统的燃烧方法已不能适应现代化的要求，需要开发和应用新的燃烧技术。

煤的燃烧过程包括干燥脱水、热解脱挥发分、挥发分和焦炭燃烧等步骤。干燥和析出挥发分大约占总燃烧时间的1/10，焦炭燃烧占9/10。这里主要简述一下焦炭的燃烧过程。

焦炭燃烧反应是一个复杂的物理、化学过程，是发生在焦炭表面和空气中的氧气之间的气固两相反应。一般分为一次反应和二次反应两种。

一次反应为：

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

　　 （2-2）

二次反应为：

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

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

总反应为：

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

由反应式可以看出，煤炭中的含碳量越高，煤燃尽的时间越长，焦炭发热量越大。氧含量越高，燃烧越完全，放出的热量越大。

式（2-1）～式（2-3）都是在焦炭表面发生的气固两相反应，式（2-4）是在焦炭表面附近进行的气相反应。式（2-1）、式（2-2）和式（2-4）是放热的氧化反应，反应产物为CO和CO₂；而式（2-3）为吸热的还原反应，反应产物为CO。

煤的燃烧方式主要有固定床、流化床和气流床三种。

①固定床燃烧　一般直接用块煤作燃料的加热炉和锅炉都是固定床燃烧。家用的煤球（煤饼）炉也可看成固定床式燃烧。固定床燃烧，由于空气补充不及时，燃烧不充分，燃烧效率较低。

②流化床燃烧　流化（沸腾）燃烧时，细粒煤在床层内处于沸腾状态，所以煤粒与空气得到充分混合。煤粒之间互相碰撞，热量迅速传递，燃烧表面不断更新，新进入床内的煤粒迅速被燃烧着的炽热粒子所包围，故很快受热干燥并着火燃烧。所以燃烧效率较高。

③气流床燃烧　气流床燃烧目前广泛用于火力发电站。干燥的细煤粉（40%～90%的煤粉粒径小于90μm）随一次空气从喷嘴喷入炉膛燃烧。为保证燃烧完全，炉膛上部还喷入一定量的二次空气，因此气流床的燃烧效率更高。

2.5.2　燃煤污染的产生

在大气污染中，燃煤产生的污染影响很大。空气污染物中包括煤燃烧后进入大气的悬浮粒子，包括灰粒子、微量金属和烟等。煤的直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，20世纪重大的大气环境污染事件，如酸雨、臭氧减少、全球气候变暖、光化学烟雾污染、城市煤烟雾等，都与燃煤相关。大气中的主要污染物，二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、烟尘、颗粒物、有机污染物、重金属的主要来源都是煤的燃烧，这些污染物对人类健康和生态环境造成了不可逆转的损害。硫和氮是煤转化利用过程中的主要污染源。所以，降低煤燃烧形成的环境污染，是亟待解决的问题。

（1）煤炭燃烧中硫的变迁行为

硫在煤中的含量从0.2%～10%不等，低硫煤中的硫主要来源于成煤植物中的蛋白质、氨基酸等。高硫煤中的硫主要来源于成煤过程中细菌对煤层受海水侵蚀而含有的硫酸盐的还原。在成煤过程中由物理渗入的杂质以无机硫的形式存在，而在煤分子结构组成部分中的为有机硫。

煤中的硫的转化与燃烧过程有关。煤中的硫无论其存在形态如何，在燃烧过程中都转化为SO₂，少部分SO₂与碱性矿物质反应，以硫酸盐的形式留存在灰渣中，还有极少的SO₂转化为SO₃。当煤燃烧不充分时，会发生气化过程。在气化过程中，煤中各种形态的硫被大部分释放出来，主要释放形式是H₂S，同时还有一些CS₂、COS等。而在煤的热解过程中，有机硫根据其热稳定性，一部分硫转移到气相中，生成大量的H₂S及少量的COS、CH₃SH、CS₂及噻吩等含硫气体。

煤中的硫分燃烧时的主要化学反应如下：

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）煤炭燃烧中氮的变迁行为

氮在煤中基本以有机态的形式存在，其来源于成煤植物含有的蛋白质、氨基酸、树脂等，煤的含氮量一般都在1%～2%。

煤燃烧过程中最受关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约占90%～95%，NO₂是NO被O₂在低温下氧化而生成的。

燃烧过程中煤将首先热解脱挥发分，释放出低分子量的含氮化合物和含氮自由基，生成NO。在气化过程中，氮的氧化物可以先在燃烧区形成，在随后的还原区再反应生成NH₃、HCN等，在还原区的气氛中，残留的氮也可直接与氢气发生反应，生成NH₃，同时NH₃也可能发生与碳的反应生成HCN。此外，在煤燃烧过程中空气带进来的氮，在燃烧室的高温下被氧化成NO。

（3）矿物质转化为灰的行为

煤中的无机杂质矿物，在燃烧过程中转变为灰。煤颗粒被加热燃烧后，一部分矿物先挥发，形成气相，进一步进行均相和多相凝聚反应，形成0.01～0.05μm的亚微米烟尘颗粒，这些烟尘仅占飞灰质量的1%～2%，但其带来的环境危害却是非常严重的，是造成灰霾的主要因素。

在低阶煤的燃烧过程中，当温度低于1800K时，难熔氧化物MgO、CaO是细灰的主要组成部分。而SiO₂则是烟煤细灰产物的主要部分。SiO₂被半焦还原为挥发性的，随后发生均相气相氧化反应，然后凝聚为飞灰中存在的SiO₂。