Побочным продуктом промышленной революции в Западной Европе стало сильное загрязнение атмосферы как видимыми загрязняющими веществами, такими как твердые частицы, так и выбросами ядовитых материалов, таких как свинец, мышьяк и ртуть. С тех пор промышленные операции стали свидетелями все более пристального внимания и регулирования для контроля этих выбросов. Вначале эти правила в основном применялись к вещам, которые можно было увидеть, потрогать или понюхать. Благодаря постоянным достижениям и все более изощренным возможностям обнаружения и измерения очень малых количеств химических веществ эти законодательные органы в области загрязнения охватывают все больше и больше химических веществ, которые вредны как для людей, так и для окружающей среды. Последним проявлением загрязнения является изменение климата, вызванное в большей или меньшей степени деятельностью человека, что приводит к увеличению количества поглощающих излучение газов в атмосфере. Некоторые из основных загрязняющих веществ, связанных с процессами горения, перечислены в таблице, а некоторые из них более подробно обсуждаются в следующих разделах.

Выброс	Источник	Эффект
Углекислый газ (CO2)	Полное сгорание углерода в топливе	Глобальное потепление
Угарный газ (CO)	Неполное сгорание углерода в топливе	Смог
Двуокись серы (SO2)	Сжигание серы в топливе	Смог, кислотные дожди
Оксиды азота (NOx)	Побочный продукт большинства процессов сгорания	Кислотный дождь
Двуокись азота (NO2)	Побочный продукт процесса сгорания	Глобальное потепление
Водяной пар (H2O)	Горение водорода в топливе	Локализованный туман
Твердые частицы (ТЧ)	Несгоревший или частично несгоревший углерод и углеводороды, а также грязь и зола в топливе	Смог

Оксиды азота

Оксиды азота (NOx) относятся к числу основных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу в процессе сжигания. Термин NOx относится к кумулятивным выбросам NO, NO2 и следовых количеств других видов. Большая часть NOx изначально образуется в виде NO, а затем окисляется до образования NO2 либо непосредственно в камере сгорания, либо по мере того, как дымовые газы выбрасываются в атмосферу. Когда NOx реагирует с летучими органическими соединениями в присутствии солнечного света, они образуют приземный озон (O3), который является основным компонентом смога. Когда NOx вступает в реакцию с водой и воздухом, образуется очень разбавленная азотная кислота (HNO3), вызывающая кислотные дожди.

Образование NOx обычно происходит тремя путями: термическими NOx, топливными NOx и мгновенными NOx. Термические NOx относятся к NOx, которые образуются в результате высокотемпературного окисления азота в воздухе для горения. Скорость образования термических NOx сильно коррелирует с температурой. При температурах выше 1400 C уровни образующихся NOx становятся значительными, а скорость образования возрастает экспоненциально. Типичным методом контроля образования NOx является снижение пиковой и средней температуры пламени. Этот подход противоречит традиционным методам обеспечения полного сгорания, но необходим некоторый компромисс между эффективностью сгорания и образованием термических NOx.

Топливный NOx относится к преобразованию связанного с топливом азота, содержащегося в азотосодержащих топливах, таких как нефть и уголь, в NO, образующийся в процессе сгорания. Преобразование в NO сильно зависит от отношения топлива к воздуху, но лишь слабо зависит от температуры зоны горения. Это означает, что такие методы, как смешивание топлива с воздухом, могут значительно снизить выбросы топливных NOx.

Мгновенные NOx относятся к NOx, которые образуются очень рано в процессе сгорания. Он появляется в результате образования промежуточных соединений цианида азота (HCN), за которым следует окисление HCN до NO. Образование мгновенных NOx обычно слабо зависит от температуры, но эта зависимость может усиливаться в условиях богатого топлива.

Двуокись серы

Сера присутствует в большинстве ископаемых видов топлива и в основном образуется в результате процессов распада растений и животных. При сгорании топлива, содержащего серу, образуется SO2, который при окислении в атмосфере превращается в серную кислоту (H2SO4). Выбросы SO2 вносят значительно больший вклад в кислотные дожди, чем NOx. SO2 сам по себе очень агрессивен и вреден для окружающей среды. Значительное количество SO2, выбрасываемого в атмосферу, далее окисляется до SO3 при смешивании с воздухом, а затем соединяется с водяным паром, образуя стойкий видимый шлейф, т. е. кислотный туман.

Для уменьшения выбросов SO2 можно использовать несколько методов. Одно из решений состоит в том, чтобы просто перейти на топливо с меньшим содержанием серы, но это может отрицательно сказаться на производительности котла, поскольку топливо может значительно различаться по теплотворной способности. Это также может повлиять на стабильность пламени, изменить выбросы и может потребовать внесения изменений в обращение с топливом.

Если переход на топливо с низким содержанием серы нецелесообразен, может быть более подходящим использование мокрых или сухих скрубберов. Эти скрубберы представляют собой метод дожигания для очень эффективного контроля выбросов SO2 без внесения серьезных изменений в работу котла. Побочные продукты очистки, сульфат кальция (CaSO4) или сульфит кальция (CaSO3), в зависимости от процесса, могут использоваться в качестве гипса или размещаться на свалках.

Твердые частицы

При сгорании топлива, содержащего негорючие материалы, образуется зола. Эту золу вместе с любыми частицами несгоревшего углерода часто в совокупности называют твердыми частицами (ТЧ) или летучей золой. ТЧ, такие как дым, пыль, сажа и дымка, выделяются в процессе горения, и их концентрация зависит от химического состава топлива. В высокой концентрации ТЧ могут способствовать плохой видимости, например, дымке, которая является обычным явлением в густонаселенных районах. Это также может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, поскольку мелкие частицы могут проникать глубоко в легкие, а некоторые даже попадать в кровоток. Размер частиц измеряется в микрометрах (мкм), а выбросы ТЧ регулируются отдельно для частиц размером менее 10 мкм и частиц менее 2,5 мкм. Перед сбросом дымовых газов в атмосферу может потребоваться их фильтрация для уменьшения количества ТЧ.

Угарный газ

Угарный газ (СО) образуется в процессе сгорания, когда углерод в топливе не сгорает полностью. Газ CO не имеет запаха, бесцветен и очень токсичен. Крупнейшим источником выбросов CO являются транспортные средства, на долю которых приходится примерно 60 % общего объема выбросов CO в Соединенных Штатах. В некоторых городах выбросы от автомобилей могут даже достигать 95 % от общего объема выбросов CO. Другими источниками выбросов CO являются промышленные процессы, такие как котлы для сжигания и мусоросжигательные заводы.

Таким образом, контроль процесса сгорания важен с точки зрения эффективности котла, поскольку неполное сгорание приводит к увеличению выбросов CO и ТЧ, а это означает, что энергия тратится впустую. В хороших системах сжигания CO должен быть ограничен несколькими частями на миллион (ppm), обычно в диапазоне 20-25 ppm. Если содержание CO превышает 1000 частей на миллион, это обычно является результатом недостатка воздуха или очень плохого смешения топлива с воздухом и является признаком серьезных проблем в процессе сгорания.

При сжигании жидкого и газообразного топлива обычно выделяется значительно меньше выбросов CO, чем при сжигании твердого топлива. Таким образом, контроль горения является важной задачей проектирования и эксплуатации твердотопливных котлов.