第2章燃燒與大氣污染分析

1、第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 第二章第二章 燃燒與大氣污染燃燒與大氣污染(2) 1. 燃料的性質(zhì)燃料的性質(zhì) 2. 燃料的燃燒過程燃料的燃燒過程 3. 煙氣體積計(jì)算煙氣體積計(jì)算 4. 燃燒過程中硫氧化物的形成燃燒過程中硫氧化物的形成 5. 顆粒污染物的形成顆粒污染物的形成 6. 其他污染物的形成其他污染物的形成 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成燃燒過程中硫氧化物的形成 4.1 硫的氧化機(jī)理硫的氧化機(jī)理 有機(jī)硫的分解溫度較低有機(jī)硫的分解溫度較低 無機(jī)硫的分解速度較慢無機(jī)硫的分解速度較慢 含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍(lán)色，由于反應(yīng)

2、：含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍(lán)色，由于反應(yīng)： 在所有的情況下，它都作為一種重要的反應(yīng)中間體在所有的情況下，它都作為一種重要的反應(yīng)中間體 2 OSOSOhv 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 H2S的氧化的氧化 22 22 2 2 2 22 OH SSOH SOOSOO OH SOHSH HOOHH HOOHO OHHH OH 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 CS2和和COS的氧化的氧化 22 2 22 2 2 2 CSOCSSOO CSOCOSO SOOSOO OCSCSSO CSOCOS OCSCOSS SOSOO 2 22 COSCO S S OSO O O

3、COSCO SO SO OSOO hv 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 元素元素S的氧化的氧化 87 2 86 * 22 22 223 23 SSS SOSOO SOSOSS SOOSOSO SOOSOO SOOSOO SOOMSOM hv 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 有機(jī)硫化物的氧化有機(jī)硫化物的氧化 22222 22 22 22 22 RCH SSCH RORCH SSCHRHO RCH SSCHRRCH SRCHS RCH SRHRCH SHR RSHORSHO RSORSO 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 4.2 SO2和和SO3之間的

4、轉(zhuǎn)化之間的轉(zhuǎn)化 n反應(yīng)方程式反應(yīng)方程式 nSO2 + O + M SO3 + M （1） nSO3 + O SO2 + O2 （2） nSO3 + H SO2 + OH （3） nSO3 + M SO2 + O + M （4） n在熾熱反應(yīng)區(qū)在熾熱反應(yīng)區(qū) ，O 濃度很高，反應(yīng)濃度很高，反應(yīng)（1）和和（2）起支配起支配 作用作用 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 nSO3生成速率生成速率 n當(dāng)當(dāng)dSOdSO3 3 /d /dt t = 0 = 0 時，時，SOSO3 3濃度達(dá)到最大濃度達(dá)到最大 n在富燃料條件下，在富燃料條件下，OO濃度低得多，濃度低得多，SOSO3 3的去除反應(yīng)主

5、要為反的去除反應(yīng)主要為反 應(yīng)（應(yīng)（3 3），）， SOSO3 3的最大濃度：的最大濃度： 3 1223 d SO SOOMSOO d kk t 12 3 max 2 SOM SO k k 12 3 max 3 SOMO SO H k k 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結(jié)合生成結(jié)合生成H2SO4， 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率: : n轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率與溫度密切相關(guān)率與溫度密切相關(guān) nH2SO4濃度越高，酸露點(diǎn)越高濃度越高，酸露點(diǎn)越高 n煙氣露點(diǎn)升高極易引起管道和空氣凈化設(shè)施的腐蝕煙氣露點(diǎn)升高極易引起管道和空氣凈化設(shè)施的腐蝕 24324 H

6、 SOSOH SO 100/() %xPPP 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 SO3的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率/% 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 例題 煤的元素分析結(jié)果如下：煤的元素分析結(jié)果如下：H 5%; C 75.8%; N 1.5%; S 1.6%；O 7.4%; 灰灰 8.7。在空氣過量。在空氣過量 20的條件下燃燒，空氣濕度為的條件下燃燒，空氣濕度為 0.0116mol(H2O)/mol(干空氣干空氣)。假定完全燃燒，。假定完全燃燒， 試計(jì)算煙氣組成并估算煙氣的酸露點(diǎn)。試計(jì)算煙氣組成并估算煙氣的酸露點(diǎn)。 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 列表計(jì)算

7、1kg煤完全燃燒時各組分的摩爾數(shù)、 需氧量和產(chǎn)生的煙氣量。 組分質(zhì)量/g摩爾數(shù)/mol需氧量/mol 煙氣量/mol H505012.525（H2O） C75863.1763.17 63.17 （CO2） N151.0710 0.536（N2） S160.50.50.5 （SO2） O744.625-2.3130 灰分870 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 因此，燃燒1kg煤需要的理論氧氣量為： 12.563.170.52.31373.857mol 需要的實(shí)際空氣量為： 73.857（13.78）（120）（10.0116） 428.56mol 產(chǎn)生的煙氣量為： （2563.1

8、705360.5）428.5673.857 443.9mol 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 煙氣的組成為： CO2：63.17/443.910014.23 SO2 ：0.5 /443.91000.11 H2O ：（25423.640.0116）/443.96.74 O2 ：73.8570.2/443.93.33 N2 ：（73.8573.781.20.536）/443.975.59 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 SO2的體積分?jǐn)?shù)為0.11，假定SO2向 SO3的轉(zhuǎn)化率為5，而全部SO3轉(zhuǎn)化為 H2SO4 ，則H2SO4的含量為： 0.110.055.510-

9、5。因此: lgP H2SO4 lg5.510-5 4.26 查教材P53圖27，可得煙氣的露點(diǎn)約 為143 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 第五節(jié)第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成燃燒過程中顆粒物的形成 5.1 碳粒子的生成碳粒子的生成 n積炭的生成積炭的生成 n核化過程：氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳核化過程：氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳 n核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應(yīng)核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應(yīng) n較為緩慢的聚團(tuán)和凝聚過程較為緩慢的聚團(tuán)和凝聚過程 n燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素 n積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān) n提高氧氣量

10、可以防止積炭生成提高氧氣量可以防止積炭生成 1.壓力越低則積炭的生成趨勢越小壓力越低則積炭的生成趨勢越小 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n火焰的結(jié)構(gòu)火焰的結(jié)構(gòu) n預(yù)混火焰：氣體燃料和空氣在燃燒前充分混合 （ bursen burner, meeker burner） n擴(kuò)散火焰：燃料和空氣分別進(jìn)入燃燒區(qū)，混合然后 發(fā)生反應(yīng)（實(shí)際中應(yīng)用最多），不同的區(qū)域有不同 的 (0) 值 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n火焰的結(jié)構(gòu)（續(xù)）火焰的結(jié)構(gòu)（續(xù)） n層流火焰：Re2200，強(qiáng)烈的湍流作用，但分子擴(kuò)散仍 然起作用 Laminartransitiondeveloped

11、turbulent height Jet velocity 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n乙炔火焰中生碳反應(yīng)過程乙炔火焰中生碳反應(yīng)過程 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n石油焦和煤胞的生成石油焦和煤胞的生成 燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發(fā)生燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發(fā)生 液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)結(jié)焦液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)結(jié)焦 多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞，難以燃燒。多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞，難以燃燒。 焦粒生成反應(yīng)的順序：烷烴焦粒生成反應(yīng)的順序：烷烴 烯烴烯烴 帶支鏈芳烴帶支鏈芳烴 凝聚凝聚 環(huán)系環(huán)系 瀝青瀝青

12、 半園體瀝青半園體瀝青 瀝青焦瀝青焦 焦炭焦炭 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 5.2 燃煤煙塵的形成燃煤煙塵的形成 n煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括： 黑煙：未燃盡的碳粒黑煙：未燃盡的碳粒 飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒 n煤粉燃燒過程煤粉燃燒過程 n碳表面的燃燒產(chǎn)物為碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴(kuò)散離開表面并與，它擴(kuò)散離開表面并與O2反應(yīng)反應(yīng) 灰灰 層層 碳層碳層 外擴(kuò)散外擴(kuò)散 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n煤粉燃燒過程煤粉燃燒過程 理論上碳與氧的摩爾比近理論上碳與氧的摩爾比近1.0時最易形成黑煙時

13、最易形成黑煙 在預(yù)混火焰中，在預(yù)混火焰中，C/O大約為大約為0.5時最易形成黑煙時最易形成黑煙 易燃燒又少出現(xiàn)黑煙的燃料順序?yàn)椋簾o煙煤易燃燒又少出現(xiàn)黑煙的燃料順序?yàn)椋簾o煙煤 焦炭焦炭 褐褐 煤煤 低揮發(fā)分煙煤低揮發(fā)分煙煤 高灰發(fā)分煙煤高灰發(fā)分煙煤 碳粒子燃盡的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃碳粒子燃盡的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃 度等有關(guān)度等有關(guān) 22 2 C HO2 COH(2 )C mns m n 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n燃燒碳層中成分和溫度分布燃燒碳層中成分和溫度分布 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n黑煙形成的化學(xué)過程黑煙形成

14、的化學(xué)過程 芳烴 碳?xì)浠衔?濃縮反應(yīng) 快速 煙灰（經(jīng)過 直接通道） 分裂反應(yīng) 煙灰（經(jīng)過非 直接通道） 慢速 脂（肪）化合物 黑煙形成的化學(xué)途徑 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n高灰分燃料的擴(kuò)散燃燒高灰分燃料的擴(kuò)散燃燒 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n灰分中含有灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素等污染元素 煤燃燒產(chǎn)生的飛灰顆粒中顆粒尺寸及 元素濃度變化軌跡。底部坐標(biāo)反應(yīng)出 尺寸決定于濃度比率。 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n飛灰的形成過程飛灰的形成過程 液化作用 燃燒，灰溶化 燒焦分裂 灰結(jié)合 霧化 難容核素晶核形成

15、 凝結(jié)和溶解 不穩(wěn)定核素濃縮及表面濃縮 凝結(jié)和鏈凝聚形成 燃燒完全 燃燒完全 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素 煤質(zhì)煤質(zhì) 燃燒方式燃燒方式 煙氣流速煙氣流速 爐排和爐膛的熱負(fù)荷爐排和爐膛的熱負(fù)荷 鍋爐運(yùn)行負(fù)荷鍋爐運(yùn)行負(fù)荷 鍋爐結(jié)構(gòu)鍋爐結(jié)構(gòu) 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素煤質(zhì)煤質(zhì) 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響 煤的粒徑小于Dp 第第2章燃燒與大氣污染分析章

16、燃燒與大氣污染分析 n影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素燃燒方式燃燒方式 煤粉空氣 冷卻墻 煤燃燒系統(tǒng):(a) 煤粉燃燒；(b)鼓風(fēng)燃燒；(c)拋煤機(jī)爐排；(d)流化床燃燒室 煤及爐渣層 固體輸出 淘洗優(yōu)良的 煤石灰石 底盤 灰 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n幾種燃燒方式的煙塵百分比幾種燃燒方式的煙塵百分比 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 本標(biāo)準(zhǔn)將火電廠按年限劃分為以下三個時段： v時段1992年8

17、月1日之前建成投產(chǎn)或初步設(shè)計(jì)已通過審查 批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠； v時段1992年8月1日起至1996年12月31日期間環(huán)境影響報(bào) 告書通過審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠，包括1992年8月1 日之前環(huán)境影響報(bào)告書通過審查批準(zhǔn)、初步設(shè)計(jì)待審查批準(zhǔn) 的新、擴(kuò)、改建火電廠； v時段1997年1月1日起環(huán)境影響報(bào)告書待審查批準(zhǔn)的新、 擴(kuò)、改建火電廠。 大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 分類煙塵最高允許排 放濃度（mg/m3） 在縣及縣以上城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的火電廠 鍋爐 200 在縣規(guī)劃區(qū)以外地區(qū)的火電廠

18、鍋爐500 第I時段的在縣及縣以上城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)內(nèi)、 1997年1月1日后還有10年及以上剩余 壽命的火電廠鍋爐 600 第第時段的火電廠鍋爐最高允許煙塵排放濃度時段的火電廠鍋爐最高允許煙塵排放濃度 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 第第時段火電廠各煙囪時段火電廠各煙囪SOSO2 2最高允許排放濃度最高允許排放濃度 燃料收到基硫分 （） 1.01.0 最高允許排放濃 度（mg/m3） 21001200 鍋爐額定蒸發(fā)量煤粉鍋爐 液態(tài)排渣固態(tài)排渣 1000t/h1000650 第第時段的火電廠鍋爐氮氧化物最高允許排放濃度（時段的火電廠鍋爐

19、氮氧化物最高允許排放濃度（mg/mmg/m3 3） 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 n影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素運(yùn)行負(fù)荷運(yùn)行負(fù)荷 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 第六節(jié)第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成燃燒過程中其他污染物的形成 6.1 有機(jī)污染物的形成 n形成歷程形成歷程 n鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔 n延長乙炔的鏈形成各種不飽和基延長乙炔的鏈形成各種不飽和基 n不飽和基進(jìn)一步脫氫形成聚乙炔不飽和基進(jìn)一步脫氫形成聚乙炔 n不飽和基通過環(huán)化反應(yīng)形成不飽和基通過環(huán)化反應(yīng)形成C6C2型芳香族化型

20、芳香族化 合物合物 nC6C2基逐步合成為多環(huán)有機(jī)物基逐步合成為多環(huán)有機(jī)物 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 比較活潑的碳?xì)浠衔锟赡苁钱a(chǎn)生光化學(xué)煙霧的直接比較活潑的碳?xì)浠衔锟赡苁钱a(chǎn)生光化學(xué)煙霧的直接 原因原因 碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān)碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān) 燃料中高分子碳?xì)浠衔餄舛扰c燃料中高分子碳?xì)浠衔餄舛扰cPOMPOM排放水平具有相關(guān)排放水平具有相關(guān) 性性 燃料與空氣的充分混合可降低有機(jī)物的含量，但不利燃料與空氣的充分混合可降低有機(jī)物的含量，但不利 于于NOx的控制的控制 同時減少同時減少CH和和NOx的排放需要仔細(xì)控制混合的型式、的排放需要仔

21、細(xì)控制混合的型式、 溫度水平和整個系統(tǒng)的停留時間溫度水平和整個系統(tǒng)的停留時間 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 6.2 CO的形成的形成 nCO是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種 nCO的全球排放量為的全球排放量為200106t/a n燃料中的碳都先形成燃料中的碳都先形成CO，然后進(jìn)一步氧化，然后進(jìn)一步氧化 n在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以降低在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以降低 CO含量。含量。 nCO的形成和破壞都由動力學(xué)控制，反應(yīng)路線：的形成和破壞都由動力學(xué)控制，反應(yīng)路線： RH R RCHO RC

22、O CO COOH 2 COH 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 6.3 Hg的形成與排放的形成與排放 nHg對人的腎和神經(jīng)系統(tǒng)有危害對人的腎和神經(jīng)系統(tǒng)有危害 n煤碳燃燒是煤碳燃燒是Hg的一大來源的一大來源 n煤中煤中Hg的析出率與燃燒條件有關(guān)的析出率與燃燒條件有關(guān) n燃燒溫度燃燒溫度900oC時，析出率時，析出率90 n還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛 nHg排放控制是燃煤污染控制的新課題之一排放控制是燃煤污染控制的新課題之一 第第2章燃燒與大氣污染分析章燃燒與大氣污染分析 6.4 NOx的形成的形成 nNOx的形成機(jī)理的形成機(jī)理 n燃料型燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的：燃料中的固定氮生成的NO