燃烧过程废气的综合治理
燃烧过程的污染源，主要有固定源锅炉和活动源机动车辆。
(一)锅炉废气的综合治理
锅炉排放的烟气中，主要污染物为SO2、NOx、烟尘、CO2等。
1.低NOx燃烧技术
可采用节4-3-2所述各种方法，在燃烧过程中控制NOx的形成。
2.SNOX联合脱硫脱硝技术
由丹麦HaldorTopsor公司开发的SNOX(SulfurandNOxabatement)联合脱硫脱硝技术，是将SO2氧化为SO3后制成硫酸回收，并用选择性催化还原法SCR去除NOx。此工艺可脱除95%的SO2、90%的NOx和几乎所有颗粒物，除需要用氨还原NOx外，不消耗任何其他化学品，还不产生废水、废物等二次污染物，同时还能回收硫酸，并利用余热提高锅炉效率。
300MW燃煤电厂的SNOX工艺流程如图4-35所示，净化装置在空气预热器之后。烟气流程为：烟气经空气预热器和冷却器降温至200℃后进入袋式除尘器，使含尘量降至小于10mg/m3。接着，烟气在换热器中被SO2转化器来的高温烟气加热至380℃后，进入SCR反应器，氨的选择性催化反应将脱去90%的NOx。然后，烟气在加热器中被燃料气或过热蒸汽提供的热能加热至420℃后，进入SO2转化器，使其中95%～96%的SO2氧化成SO3。最后烟气被冷却至255℃进入空冷式降膜冷凝器(WSA)，再用空气冷至90～100℃，则烟气中的SO3水合物冷凝成浓度为95%硫酸回收。SNOX装置回收热能有：排烟温度低于普通锅炉，SCR催化还原反应放热及生成硫酸凝时结放热。
3.DESONOX联合脱硫脱硝技术
由德国Degussa等公司共同开发的DESONOX联合脱硫脱硝工艺，除了将烟气中的SO2转化为SO3后制成硫酸，以及用SCR除去NOx外，还能将CO及未燃烧的烃类物质氧化为CO2和水。该净化装置位于电除尘器后。160℃的烟气进入燃用天然气的燃烧器，烟气加热至反应温度(400～460℃)后进入DESONOX反应器，在反应器的第一段，NOx被还原，在反应器的第二段，SO2、CO和烃类物质被氧化。然后，富含SO3的烟气在冷凝器中冷却并与水反应生成硫酸凝结，进入洗涤器用循环硫酸吸收未反应的SO3，可使30%的硫酸浓缩到95%。此工艺脱硫脱硝效率高，没有二次污染，技术简单，投资及运行费用低，适用于老厂的改造。
4.活性炭联合脱硫脱硝技术
反应器为两段移动床。除尘冷却后，温度为90～150℃的烟气进入第一段活性炭床层(上段)，SO2被催化氧化，与水反应生成H2SO4，被活性炭吸附，脱除90%的SO2。在两段之间喷入氨，和烟气混合后进入第二段(下段)，NOx被催化还原，同时进一步脱除SO2。载有H2SO4的活性炭，由反应器底部送入脱附器，加热至温度400～450℃时，吸附在活性炭上的H2SO4放出SO3，可进一步加工成硫。脱附后的活性炭被空气冷却，筛除细粉后循环使用。该工艺可脱除98%的SO2和80%的NOx。
以上介绍的各种脱硫脱硝工艺均已有商业应用。
5.锅炉除尘
锅炉燃烧烟气中的粉尘含量高，但只要选用合适的除尘器，就能使烟尘排放符合环境标准要求。各种除尘器的除尘效率为：旋风除尘器近90%，湿式除尘器95%～99%，袋式除尘器和电除尘器均可大于99.8%，其工作原理和性能结构在节§4-1已作过详细介绍。我国工业锅炉大多数使用各种机械式除尘器，少数使用湿式除尘器;电站锅炉大部分使用电除尘器和袋式除尘器，少部分使用湿式除尘器。随着对烟尘排放浓度的限制越来越严格，除尘器的采用趋于向高效除尘器变化。在许多发达国家，电除尘器、袋式除尘器的比例很大，其余除尘器比例很小或作为多级除尘的一级除尘设备。
(二)机动车尾气的综合治理
汽车及其他机动车排放的污染物与燃料性质和燃烧方式有关。对于预混燃烧的点燃式汽油发动机主要是NOx、CO和碳氢化合物HC，而采用扩散燃烧的压燃式柴油发动机还会产生碳烟及颗粒物等。NOx是高温燃烧时的热力型，CO、HC和碳烟则是因燃烧不完全所产生。
影响污染物产生的最重要因素是燃烧时的燃空当量比φ(实际油气比/理论油气比)，汽油内燃机中NO，CO和HC的浓度与φ的变化关系如图4-36所示。发动机在接近理论空燃比或略富燃料条件下，才能保证平稳可靠。虽然污染物随着混气变贫而减少，但当空燃比约大于17时，过贫的混气就不易着火，影响发动机的稳定工作，并使大量燃料未经排放，则未燃HC急剧增大。在富燃料条件下，由于缺氧，NO减少而CO和HC增加。一般，巡航状态下采用较贫混气燃烧，则NO适中，HC和CO较少;冷发动机起动时，因系统温度低必须增加供油量，处于富燃状态，致使CO和HC浓度增大;发动机达到最大功率时在理论空燃比下工作，此时NO浓度有最大值。可见，机动车尾气的排放控制十分复杂和困难，主要是通过控制燃烧、改进发动机和尾气净化等技术来解决。
1.分层燃烧
分层燃烧的实质是采用上述的浓淡燃烧原理，其基本结构有图4-37所示的直接喷射(如德士古公司TCP系统，福特公司PROCO系统)和副燃烧室(如本田公司CVCC系统，大众公司PCI系统)两种型式。图4-37(a)是依靠进气涡流或采用机械方式，使进入气缸内的混合气实现浓度的依次分层;图4-37(b)则是设置预燃室达到分层进气目的。在燃烧室内，空燃比为12～13.5易于点燃的浓混合气聚积在火花塞周围，以确保可靠的着火条件，而其余大部分区域充满稀混合气，使总的平均空燃比保持在18以上。汽油机工作时，火花塞首先点燃浓混合气，然后利用燃烧后产生的高温、高压和气流运动，使火焰迅即向稀混合气区域传播和扩散，从而保证稳定的燃烧。
由于采取缺氧的过浓燃烧和大空气量的过稀燃烧，分层燃烧降低了燃烧温度，使得NOx降低。贫燃区域氧量充分、混合良好，使得CO减少，HC的排放被抑制。为了进一步降低污染物的排放，分层燃烧系统通常与废气再循环和尾气净化装置配合使用。
2.稀混合气燃烧技术
该技术用于现有汽油机的改造。它对原燃烧室的结构略作变动，改善混合气的形成和分配，实现平均空燃比在20以上的稀混合气的稳定燃烧，从而提高发动机的经济性和减少排污。一种方法是在气缸盖上增设副室，火花塞位于主燃烧室和副室的连接通道处，压缩过程中的均匀稀混合气从主燃烧室进入副室，在那里燃烧后再以火焰喷流形式喷向主燃烧室。另一种方法是在一个燃烧室内设置两个火花塞，同时点火使其燃烧，增大整体燃烧速率。
3.控制燃烧的其他技术
控制燃烧条件的措施还有：①采用汽油喷射技术。采用喷射供油方式，尤其是电控喷射系统，可以按照发动机的运转工况精确控制混合气的空燃比，以实现发动机的低排放水平。②改进点火系统。延长火花持续时间或采用高能点火系统，增大点火能量，则可扩大着火范围以实现稀混合气稳定燃烧，有利于减少CO和HC的排放。③废气再循环。将一部分废气从排气管引入进气系统，可以降低燃烧温度，有效抑制NOx的生成。废气再循环率一般应小于(20～25)%，否则汽油机的工作性能会急剧恶化。
4.尾气净化
由于燃料燃烧条件随汽车行驶状态的变化很大，为保证汽油机高效稳定的工作，一般都离不开对尾气的净化。尾气净化的方法有：
(1)空气喷射。在排气门出口注入新鲜空气，使高温尾气中的CO和HC与空气混合而被燃烧净化。喷射的空气要适量，与混合气的浓度有关，过多会使排气冷却降温，达不到净化效果。此方法常与下面两种方法结合使用。
(2)热反应器。这是一个设置在排气管出口上促进氧化反应的绝热装置。尾气进入热反应器后，在充分有氧条件下，CO和HC生成CO2和H2O。温度在600℃以上时，净化效率很高。此方法可直接用于稀混合气。在浓混合气的条件下，向排气口喷入二次空气，可以进一步提高热反应器的净化效率。
(3)催化反应器。在有氧条件下，氧化催化反应器可以使排气中的CO及HC在较低温度(约300℃)时进行快速的氧化反应：
HC+O2→CO2+H2O
2CO+O2→2CO2
催化反应工艺如图4-38所示。氧化催化剂一般采用以AlO3为载体的铂、钯等贵金属或其氧化物，它不能使NOx减少，因此一般发动机在过富或过贫的空燃比条件下工作以抑制NOx的生成。贫燃条件下，排气中一般都有剩余的氧气，只需供给少量空气即可;富燃条件时，必须向排气喷入二次空气，以保证反应顺利进行。由于上述反应为放热反应，催化剂一般采用以Al2O3为载体的铂、钯等贵金属或其氧化物。当温度超过400℃时，该装置对HC和CO的净化效率可达95%～98%。但在温度低于250～300℃时，催化剂的转换效率急剧下降。
采用三元催化反应器可以对汽油机排气中的CO，HC及NOx进行综合处理。催化剂的活性成分为铑和铂，铑对NOx的还原性能最高，而铂则对CO和HC的氧化活性好。因此，铂-铑系催化剂同时具有氧化和还原作用，可以使排气中的CO和HC作为还原剂使NOx还原成N2，其本身氧化为CO2和H2O：
4NO+CH4→2N2+CO2+2H2O
2NO+2CO→2CO2+N2
三元催化反应器的净化效率与空燃比密切相关，如图4-39所示。由图可见，当空燃比处于富燃料时，HC和CO净化效率变差，而当空燃比处于贫燃料时，则NO净化效率下降。因此，为了能同时高效净化三个成分，空燃比的允许范围较窄，要求精确控制在±0.25左右，如果配备电控燃料喷射可获得最佳的净化效果。该装置净化效果及经济性较好，但成本较高，精密控制空燃比的方法还需深入研究。
柴油机一般采用选择性催化还原系统(SCR)降低NOx。将适量的浓度为40%的尿素水溶液喷入排气管的催化反应器中，与NOx反应生成H2O和N2。在最佳反应温度300～450℃时，SCR系统可使颗粒减少50%，NOx降低(90～95)%。
5.柴油机碳烟的净化
碳烟是柴油机在高压燃烧条件下，不完全燃烧时形成的以碳为主要成分的固态微小颗粒。可以采用以下的方法控制碳烟的排放。
(1)柴油掺水乳化。柴油中掺入水和乳化剂形成均质乳化油。在燃烧过程中，由于水分的汽化，以及水分与燃油中碳原子发生的水煤气反应会吸收大量的热量，使燃烧最高温度下降，减少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体积急剧膨胀，产生“微爆”，促使油滴细化及其与空气的良好混合，改善了燃烧条件，从而降低了碳烟浓度。柴油掺水量一般不超过20%，以免柴油机工作性能恶化。该法受到燃油变质及有关零部件锈蚀的限制。
(2)燃料添加剂。研究表明，在燃料中加入0.5%的油溶性钡族金属添加剂，可以减少50%的碳烟浓度。因此，选用恰当的燃料添加剂，抑制碳烟效果明显。
(3)碳烟净化装置。在排气系统中装设附有催化剂的金属网净化器，排气通过时，可以利用CO和HC的氧化反应热使碳烟颗粒燃烧。
以上各种方法应谨慎组配，以免在降低NOx排放时引起HC、CO和颗粒排放的增加。
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