燃料性质及其对大气污染的影响

燃料指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。用于日常生活和工业生产的燃料种类很多，按燃料来源分为天然燃料和加工燃料；按使用多少，分为常规燃料（如煤、天然气等）和非常规燃料；按其物理状态分为如下几类。

（1）固体燃料，挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸汽控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩散控制）。

（2）液体燃料，由蒸发过程控制（气态形式燃烧）。

（3）气态燃料，由扩散或混合控制。

燃料的性质影响设备设计和各种操作条件，也影响大气污染物的形成和排放。

1.煤

（1）煤的分类

煤是最重要的固体燃料，它是古代植物在地层内经长久炭化演变而成的，主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物，各种聚合物之间由不同的碳氢支链互相连接成更大的颗粒。煤中的有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异，按基于沉积的年代分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤等。

①泥煤是最年轻的煤，是由植物刚刚演变而成的。质地疏松，吸水性强，含天然水分高达40%以上，风干后的泥煤密度只有300～450kg/m3。泥煤中含碳量和含硫量低，但含氧量却高达28%～38%。泥煤的挥发分高（挥发分指煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质，主要由氢气、碳氢化合物、CO及少量的H2S等组成），可燃性好，在工业上，它主要用作锅炉燃料和化工原料。但泥煤的机械强度差，容易粉碎，不能长途运输，只能作为地方燃料。

②褐煤是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，像木材结构。含碳量较高，氢氧含量低，挥发分低，其密度为750～800kg/m3，析出温度低，燃烧热值低，在空气中易风化粉碎，多作为地方燃料。

③烟煤形成的历史较长。炭化程度较高，仅次于无烟煤。黑色，外形有可见条纹。其特点是含碳量高，挥发分高于无烟煤低于褐煤，不易吸湿，燃烧时有黏结性，成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用，是冶金、建材、动力等工业中不可缺少的能源。由于烟煤的炭化年龄、生成条件不同，不同产地的烟煤，在黏结性和含硫量等方面有较大差别。根据烟煤的黏结性、挥发分含量等物理性质，烟煤分为长焰煤、气煤、肥煤、结焦煤、瘦煤等不同品种。长焰煤和气煤挥发分高，适宜制造煤气，结焦煤适宜炼焦。

④无烟煤是碳含量最高、炭化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高，灰分和挥发分少，含硫量低，组织致密而坚硬，密度大，吸水性小，适宜于长途运输和储存。但受热时容易炸裂成碎片，着火难，不易自燃，成焦性差。由于其发热量大，灰分少，含硫量低，燃烧后污染轻，多用于民用燃料，也可作为制气燃料。

除少量煤作为化工、冶金等行业的产品原料外，绝大部分作为工业窑炉及取暖锅炉的燃料。煤的燃烧是造成我国大气污染的主要来源。

（2）煤的组成

煤的化学组成极其复杂，其主要组分是有机化合物，其分子结构的核心部分是沥青或树脂类的高分子化合物。根据煤的元素分析结果可知，煤的主要可燃物质是碳元素，其次是氢以及氧、氯、硫与碳和氢构成的少量可燃性化合物。此外，煤中还含有一些非可燃性矿物质，如灰分和水分等。煤的化学组成通常用C、H、O、N、S等元素及灰分和水分的质量分数来表示。

测定煤组成的方法分为工业分析和元素分析两大类。

①煤的工业分析主要测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳以及估测硫含量和热值，这是评价工业用煤的主要指标。

A.灰分。灰分是指煤中所含的碳酸盐、黏土、矿物质以及微量元素等不可燃性物质。它们燃烧时，经过高温分解、氧化后成灰渣。煤灰成分及其含量与层聚积环境有关。我国很多煤层的矿物质以黏土为主，煤灰成分则以SiO2和AI2O3为主，两者总和一般可达50%～80%。在滨海、沼泽中形成的煤层，如华北晚石纪煤层黄铁矿含量高，煤灰中Fe2O3及SO3含量也较高；在内陆湖盆地中形成的第三纪褐煤的煤灰中CaO含量较高，其大致成分是：SiO2为40%～60%；Al2O3为15%～35%；Fe2O3为5%～25%；CaO为1%～15%；MgO为0.5%～8%；Na2O+K2O为1%～4%。灰分是煤中的有害物质，同样影响煤的使用、运输和储存。煤用作动力燃料时，灰分增加，煤中可燃物质含量相对减少。矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因此降低了煤的发热量，影响锅炉操作（如易结渣、熄火等），容易造成燃烧不完全，加剧设备磨损，增加排渣量。煤用于炼焦时，灰分增加，焦炭灰分也随之增加，从而降低了高炉的利用系数。还必须指出的是，煤中灰分增加，增加了无效运输，加剧了我国铁路运输的紧张。

B.水分。煤矿中的水分有外部水分和内部水分两种形式。外部水分是指煤在开采、运输和洗选过程中润湿在煤的外表以及大毛细孔中的水。它以机械方式与煤相连接，较容易蒸发，其蒸汽压与纯水的蒸汽压相等。在空气中放置时，外部水分不断蒸发，直至煤中水分的蒸汽压与空气的相对湿度达到平衡时为止，此时失去的水分就是外部水分。含有外部水分的煤称为应用煤，失去外部水分的煤称为风干煤。外部水分多少与煤粒度等有关，而与煤质无直接关系。内部水分是指吸附或凝聚在煤粒内部的毛细孔中的水，内部水分只有在高温下才能除掉。一般内在水分是指将风干煤加热到105℃～110℃时所失去的水分，它主要以物理化学方式（如吸附等）与煤相连接，较难蒸发，故其蒸汽压小于纯水的蒸汽压。失去内在水分的煤称为干煤。

通常在组分分析报告中所给出的水分即指内部水分。煤中的水分是有害组分，煤中水分的存在，不仅降低了煤中的可燃物质成分，而且在燃烧时还消耗热。

C.挥发分。煤的挥发分，即煤在一定温度下隔绝空气加热，逸出物质（气体或液体）中减掉水分后的含量。剩下的残渣称为焦渣。因为挥发分不是煤中固有的，而是在特定温度下热解的产物，所以，确切地说应称为挥发分产率。挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳及少量硫化氢等组成。在相同的热值下，煤中挥发分越高，越容易燃烧，火焰越长，越容易完全燃烧，但挥发分含量过高，容易造成煤的不充分燃烧，释放出大量积炭粒子和烟气，形成环境污染。

挥发分是煤分类的重要指标。煤的挥发分反映了煤的变质程度，挥发分由大到小，煤的变质程度由小到大。如泥炭的挥发分高达70%，褐煤一般为40%～60%，烟煤一般为10%～50%，高变质的无烟煤则小于10%。煤的挥发分和煤岩组成有关，角质类的挥发分最高，镜煤、亮煤次之，丝碳最低。所以，世界各国和我国都以煤的挥发分作为煤分类最重要的指标。

D.固定碳。从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩下的部分就是固定碳，是煤中的主要可燃物质。

②煤的元素分析是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。

A.碳（C）。碳是煤组成中主要的可燃元素。煤的炭化年龄越大，碳含量越高，碳燃烧时放出大量的热。

B.氢（H）。氢在煤中以自由氢（可燃氢）和结合氢两种形式存在，前者指与碳、硫等元素结合的氢，它燃烧时放出的热量约为碳的3倍半；后者指与氧结合的氢，它不参加燃烧反应。计算时，应以可燃氢的含量来计算煤的发热量和燃烧所需的空气量。

C.氧（O）。氧在煤中常与碳、氢等可燃元素构成非可燃性的氧化物。煤中的含氧量一般不采用直接测定法测定，而是应用其他易测成分的测定值，用下式间接算出

D.氮（N）。氮在煤中是以无机或有机含氮化合物形式存在的。无机含氮化合物在燃烧过程中，一般不参加反应，煤中少量有机氮化物（吡啶、咔唑、氨基化合物等）参加燃烧反应，参与反应的有机含氮化合物在高温下分解形成污染大气的氮氧化合物NOx。

E.硫（S）。硫在煤中的形态可分为有机硫和无机硫两大类。有机硫（CxHySz）以各种官能团形式存在，如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。无机硫包括黄铁矿硫（FeS2）、硫酸盐硫（MeSO4）和元素硫（S），其中硫化铁硫是主要的含硫成分（主要代表是黄铁矿硫），而无机硫中的硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的部分，其他的能燃烧放出热量。

煤中的可燃硫是极为有害的，随着煤的燃烧，可生成SO2及SO3等有害气体污染大气。有机硫不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。无机硫中的硫化铁硫在强磁场感应下能转变为顺磁性物质，吸收微波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。我们所说的污染物SOx只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4，而一般我们说的含硫量是指总硫量。

2.石油

石油是液体燃料的主要来源。石油又称为原油，它是一种天然存在的燃料，是易流动的一种黑褐色黏稠液体，相对密度为0.78～1.0。它主要是由烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等碳氢化合物所组成的混合物。此外，还含有少量硫化物、氧化物、水分和矿物杂质，含有微量金属（如钒、镍、铅等，10mg/kg左右）。它们的含量因产地而异。

按原油中含硫量的高低，石油可分为高硫原油和低硫原油。原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，其含硫量变化范围较大，一般为0.1%～0.7%。在轻馏分中，硫以硫化氢（H2S）、硫醇（C2H5—SH）、一硫化物（R—S—R）、二硫化物（R—S—S—R′）、环状硫化物（四氢噻吩）等形态存在。原油中的硫约有80%～90%留于重馏分中，以复杂的环状结构存在，由于需要从原油中去除硫原子，因此，不能用物理方法分离硫化物来降低燃料油中的硫分。常采用高压下的催化加氢来破坏C—S—C键形成H2S气体，达到除去硫原子的目的，但费用很高。

根据原油中所含碳氢化合物种类比例的多少，可将原油分为石蜡基原油、烯烃原油、中间基原油、芳香基原油等。(www.xing528.com)

（1）石蜡基原油

这类原油含烷烃（CnH2n+2）较多，其所含烷烃是链状结构的饱和碳氢化合物，高沸点馏分中含有大量的石蜡。从这种原油中可以得到黏度指数较高的润滑油和燃料性能良好的煤油。

（2）烯烃原油

这种原油中含烯烃较多，其化学稳定性和热稳定性比较差。经炼制加工可得辛烷值较高的汽油和优质沥青。它的优点是含蜡少，便于炼制柴油和润滑油。从这种原油中提炼出的汽油量较少，炼制出的煤油，燃烧时黑烟较重。

（3）中间基原油

在这种油中，烷烃和烯烃的含量大体相等，经炼制后可得到大量直馏汽油和优质煤油，直馏汽油的辛烷值不高。

（4）芳香基原油

这种油含芳香烃化合物较高，在自然界中储藏量很少。由这种原油炼制的汽油具有较强的溶剂性，而由此炼制的煤油燃烧时容易冒黑烟。

各种原油中均含有多种极其宝贵的化工原料。虽然原油可直接作为原料烧掉，但不经济，通常将原油进行热加工处理，炼制出各种不同用途的燃料和化工原料后，再加以利用。原油通过裂化、重整和蒸馏过程生产出各种产品，按照馏分沸点的高低，可分为汽油、煤油、柴油、重油等。

①汽油

分航空汽油和车用汽油，航空汽油的沸点为40℃～150℃，相对密度为0.71～0.74。车用汽油的沸点为50℃～200℃，相对密度为0.73～0.76 g汽油除用作飞机和内燃机的燃料外，近年来作为化工原料的数量也在日益增加。

②煤油

煤油馏分沸点为150℃～280℃，相对密度为0.78～0.82。煤油分白煤油和茶色煤油，白煤油可用作家用燃料和小型石油发动机的燃料；茶色煤油多用作动力柴油机的燃料。

③柴油

柴油馏分的沸点为200℃～350℃，相对密度为0.80～0.85。柴油主要用作柴油客车、柴油载重机以及高速柴油车的燃料。用于柴油机的柴油燃料要具有着火性能好、引燃点高、黏度适当、尽可能少或不含灰分和水分等特性。

④重油

广义上来说，重油是原油加工后各种残渣油的总称。根据原油加工的方法不同，可将重油分为直馏重油和裂化重油两类。直馏重油是常、减压炼制所剩下的渣油，常压的渣油可直接用于锅炉及工业窑炉的燃料，而减压渣油因含沥青质多，不能直接作为燃料，一般需加入适当轻质馏分的油品进行调质，然后再作为燃料燃烧。

重油的性能参数主要有相对密度、黏度、着火点、灰分及夹杂物、水分和含硫量等。相对密度大的重油发热值低，燃烧性能不好；含低沸点碳氢化合物越多，黏度就越低，黏度低的重油有利于燃烧，但每单位体积的发热量减小；重油的灰分及夹杂物含量较少，多以固体金属氧化物残存在燃烧后的灰分中；重油中的水分是在运输和储存过程中混进的，含水量多时，不仅会降低重油的发热量和燃烧温度，而且会影响供油设备的正常运行。因此，当重油中水分含量太高时，应设法将其除掉。重油中硫的含量虽然不多（0.5%～5%），但对环境危害甚大，重油中所含的有机硫化物和黄铁矿完全燃烧时，可生成污染大气的气体SO2。

在冶金、建材、石油化工等工业部门所用的冶金炉和热工窑炉多以重油为燃料。但其发热量低，燃烧性能不好，对环境污染大。

3.天然气

天然气是典型的气体燃料，它是在具有油气地质构造的地层里，经钻井而采掘的。它一般由甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%及少量含碳较高的碳氢化合物组成。此外，天然气还含有碳氢化合物以外的其他组分，如水、二氧化碳、氮气和硫化氢等。其中硫化氢是有害物质，它燃烧时生成多种硫化物，会污染环境。天然气中的惰性组分一般可忽略不计，但当其所占比例较大时，将会影响燃料的其他燃烧特征（如燃烧热等），并增加输送成本，必须除去惰性组分或与其他气体混合，以使其稀释。

天然气分湿性天然气与干性天然气两种，湿性天然气是在油田附近开采的天然气。干性天然气产于天然气田，其中不含有石油气。

4.非常规燃料

除了煤、石油和天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之列。某些较低级的化石燃料，如泥炭、焦油砂、油页岩等，也作为非常规燃料对待。非常规燃料可分为如下几类：

①城市固体废弃物；

②商业和工业固体废弃物；

③农作物及农村废物；

④水生植物和水生废物；

⑤污水处理厂废物；

⑥可燃性工业和采矿废物；

⑦天然存在的含碳和含碳氢的资源；

⑧合成燃料。

非常规燃料既能提供能源，又能处置废物，减轻对环境的压力。但是，非常规燃料的燃烧常造成比常规燃料更严重的空气污染和水体污染。