第二章燃燒與大氣污染

1、第二章第二章 燃燒與大氣污染燃燒與大氣污染 第一節(jié)第一節(jié) 燃料與燃燒過程燃料與燃燒過程 第二節(jié)第二節(jié) 燃燒計算燃燒計算 第三節(jié)第三節(jié) 燃燒污染物的形成與控制燃燒污染物的形成與控制 重點：燃燒計算重點：燃燒計算 理論空氣量、空氣過剩系數；理論空氣量、空氣過剩系數； 煙氣量；煙氣量； 污染物排放量污染物排放量1. 燃燃 料料 的的 性性 質質 燃料的定義： 指燃燒過程中能放出熱量，且經濟上可行的物質。 燃料的分類燃料的分類： （1）常規(guī)燃料常規(guī)燃料 如煤（coal）、石油(petroleum)、天然氣(natural gas)等。 （2）非常規(guī)燃料非常規(guī)燃料 如如生物燃料、合成油等。生物燃料、合成

2、油等。 按物理狀態(tài)又可分為：按物理狀態(tài)又可分為： （1）固體燃料）固體燃料：揮發(fā)分被蒸餾后以氣態(tài)燃燒；留下的固定炭以固態(tài)燃燒。 （2）液體燃料：）液體燃料：由蒸發(fā)過程控制，氣態(tài)形式燃燒。 (3) 氣態(tài)燃料氣態(tài)燃料：由擴散或混合控制。幾種常規(guī)燃料 一、煤 定義：定義：是一種復雜的物質聚集體。主要可燃成分是C、H及少量O、N、S等一起構成的有機聚合物。 性質：性質：煤中有機成分和無機成分的含量因種類、產地不同而異。 分類：分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無煙煤。 a.褐煤褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級最低的一類，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材結構。 特點：特點：

3、揮發(fā)分較高；燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。b.b.煙煤煙煤： 形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見條紋。條紋。 揮發(fā)分揮發(fā)分2045%，C7590%。成焦性。成焦性較強，氧含量低，水分及灰分含量不高，較強，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業(yè)使用。適宜工業(yè)使用。c.無煙煤： 碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有明顯的黑色光澤，機械強度高。明顯的黑色光澤，機械強度高。 C含量含量93%, 無機物量無機物量1 3空燃比（空燃比（AF） 定義：單位質量燃料燃燒所需的空氣質定義：單位質量燃料燃燒所需

4、的空氣質量，它可由燃燒方程直接求得。量，它可由燃燒方程直接求得。 4理論空氣量的經驗理論空氣量的經驗計算公式0aaVVa 例1：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結果如下（按質量）C：88.3%，H：9.5%，S：1.6%，灰分：0.10%，水分0.5%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。 解：以1kg重油燃燒為基礎，則： 重量（g）摩爾數（mol）需氧(O2)量（mol）C88373.5873.58H9547.5以H2O計23.75S160.50.5H2O0.50.02780 理論需氧量為： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 假定空氣中N2與O2的摩爾比為

5、3.76(體積比) 則，理論空氣量為： mol/kg重油 即 Nm3/kg重油67.465176. 383.9743.1010004 .2267.4652-3 煙氣體積及污染物排放量計算煙氣體積及污染物排放量計算 一煙氣體積計算一煙氣體積計算 . . 理論煙氣體積理論煙氣體積 在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積稱為理論煙氣體積理論煙氣體積。以Vfg0表示，煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣。 干煙氣干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣； 濕煙氣濕煙氣：包括水蒸氣在內的煙氣。 Vfg0=V干煙氣+V水蒸氣 V理水蒸氣=V燃料中氫燃燒后的水蒸氣+V燃料中+V理論空氣量帶入的2實際

6、煙氣體積實際煙氣體積 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va03.煙氣體積和密度的校正煙氣體積和密度的校正燃燒產生的煙氣其燃燒產生的煙氣其T、P總高于標態(tài)（總高于標態(tài)（273K、1atm）故需換）故需換算成標態(tài)。算成標態(tài)。大多數煙氣可視為理想氣體，故可應用理想氣體狀態(tài)方程。大多數煙氣可視為理想氣體，故可應用理想氣體狀態(tài)方程。設觀測狀態(tài)下（設觀測狀態(tài)下（Ts、Ps）：煙氣的體積為）：煙氣的體積為Vs，密度為，密度為s標態(tài)下（標態(tài)下（TN、PN）：）： 煙氣的體積為煙氣的體積為VN，密度為，密度為N標態(tài)下體積為：標態(tài)下體積為：標態(tài)下密度為：標態(tài)下密度為：應指出，美國、日本和國際全球監(jiān)測系

7、統(tǒng)網的標準態(tài)是應指出，美國、日本和國際全球監(jiān)測系統(tǒng)網的標準態(tài)是298K、1atm，在作數據比較時應注意。，在作數據比較時應注意。SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPP 4. 過剩空氣較正過?？諝廨^正 因為實際燃燒過程是有過?？諝獾模匀紵^程中的實際煙氣體積應為理論煙氣體積與過?？諝饬恐?。 用奧氏煙氣分析儀測定煙氣中的CO2、O2和CO的含量，可以確定燃燒設備在運行中煙氣成分和空氣過剩系數。 空氣過剩系數為 a= m過?？諝庵蠴2的過剩系數 設燃燒是完全燃燒，過?？諝庵械难踔灰設2形式存在，燃燒產物用下標P表示，m1理論空氣量實際空氣量假設空氣只有O2、N2，分別為21%、79%，則

8、空氣中總氧量為(21/79)N2p=0.266N2p理論需氧量： 0.266N2P-O2P 所以 （燃燒完全時） 若燃燒不完全會產生CO，須校正。即從測得的過剩氧中減去CO氧化為CO2所需的O2 此時各組分的量均為奧氏分析儀所測得的百分數。5 標況下煙氣量計算的經驗式標況下煙氣量計算的經驗式PPPNOCONmOmC2222267.311PPPONOa222266. 01PPPPPCOONCOOa5 . 0266. 05 . 01222二污染物排放量的計算二污染物排放量的計算 例例2 對例1給定的重油，若燃料中硫轉化為SOX（其中SO2占97%），試計算空氣過剩系數a=1.20時煙氣中SO2及S

9、O3的濃度，以x10-6表示，并計算此時煙氣中CO2的含量，以干煙氣體積百分比干煙氣體積百分比表示。 解：解：由例1可知，理論空氣量條件下煙氣組成（mol）為： CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 SOX：0.5 NX： 理論煙氣量：理論煙氣量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=489.45mol/kg重油 即 10.96Nm3/kg重油 空氣過剩系數a=1.2時，實際煙氣量為： 10.96+(1.2-1)*10.43=13.05Nm3 其中10.43為理論空氣量為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空氣量。76. 383.9776. 383.97

10、煙氣中SO2的體積為 煙氣中SO3的體積為 所以，煙氣中SO2、SO3的濃度分別為： 25.75/835.25=3.1% KgNm/0109. 010004 .2297. 05 . 03KgNm/1036. 310004 .2203. 05 . 0346646-61075.251005.131036. 31025.8351005.130109. 032SOSOCC 當=1.2時，干煙氣量為： CO2體積為： 所以干煙氣中CO2的含量（以體積計）為： KgNm/985.112 . 043.1010004 .220278. 05 .4745.4893重油KgNm/648.110004 .2258.

11、733%75.13100985.11648.1 例例3：已知某電廠煙氣溫度為473K，壓力為96.93kPa，濕煙氣量Q=10400m3/min，含水汽6.25%（體積），奧薩特儀分析結果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的質量流量為22.7kg/min。 （1） 污染物排放的質量速率（以t/d表示） （2） 污染物在煙氣中濃度 （3） 煙氣中空氣過剩系數 （4）校正至空氣過剩系數=1.8時污染物在煙氣中的濃度。解：解：（1）污染物排放的質量流量為： （2）測定條件下的干空氣量為： 測定狀態(tài)下干煙氣中污染物的濃度： 標態(tài)下的濃度： dtKgtdhhKg/7.32100

12、024min60min7.22min/97500625.01104003mQd36/2 .23281097507 .22mmgC3/0 .421727347393.9633.1012 .2328NmmgTTPPCCNNN （3）空氣過剩系數： N2p=100-10.7-8.2=81.1 （4）校正至=1.8條件下的濃度：613. 12 . 81 .81268. 02 . 81268. 01222PPPONQ3/9 .37788 . 1613. 10 .42178 . 1NmmgCCC校實實校2-4 燃燒過程燃燒過程SOx的形成及控制的形成及控制 一、燃料中硫的氧化機理一、燃料中硫的氧化機理 燃

13、料中的硫在燃燒過程中與氧反應，主要產物是SO2和SO3，但SO3的濃度相當低，即使在貧燃料狀態(tài)下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之幾。在富燃料狀態(tài)下，除SO2外，還有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物(SO)2，還有少量一氧化二硫S2O。這些產物化學反應能力強，所以僅在各種氧化反應中以中間體形式出現(xiàn)。 故一般主要生成一般主要生成SO2，計算時可忽略，計算時可忽略SO3。 二、二、SOx的控制的控制 1 1. .重油脫硫重油脫硫 重油脫硫常用的方法：在鉬、鈷和鎳等的金屬氧化物催化劑作用下，通過高壓加氫反應，打斷碳與硫的化合鍵，氫與硫作用形成H2S，從重油中分離出來。 重油脫硫的困難: (

14、1)要徹底加工燃料，破壞了原來的組織。 (2)產生新的產物：固、液、氣態(tài)物。 2 燃料脫硫燃料脫硫 ） 煤炭的固態(tài)加工煤炭的固態(tài)加工 國外要求用于發(fā)電、冶金、動力的煤質標準是： 煉焦煤：硫分1%，灰分68%； 動力煤：硫分0.51%，灰分1520%。 故原煤必經分選以除去煤中的礦物質。 目前選煤工藝普遍應用的是重力分選法（可降低4090%的S）,此法對有機硫含量較大的煤還不能達到環(huán)保條例的要求。 正在研究的新脫硫法有：浮選法、氧化脫硫法、化學浸出法、化學破碎法、細菌脫硫法、微波脫硫法、磁力脫硫及溶劑精煉等，多處于研究階段，工業(yè)上應用的很少。 型煤固硫是控制SO2的一條經濟有效途徑。 2） 煤炭

15、的轉化煤炭的轉化 煤炭的轉化主要是氣化、液化。即對煤進行脫硫或加氫改變其原有的碳氫比、使煤轉變?yōu)榍鍧嵉亩稳剂稀?A.煤的氣化煤的氣化 煤的氣化技術發(fā)展很快：“第一代”干式排灰的魯奈加壓氣化（已商業(yè)化）和科柏斯托切克氣化；“第二代”液態(tài)排渣氣化、Hygas氣化、Cogas氣化等未商業(yè)化；“第三代”處于實驗階段的煤催化氣化。 煤氣主要是H2、CO、CH4等，硫以H2S形式存在。生產出煤氣中H2S含量幾百到幾千mg/m3。 去除方法有干法、濕法。 B. 煤的液化煤的液化 直接液化 SRC-法 間接液化 魯奈氣化-弗托合成法 煤的液化時耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規(guī)模水處理設施。 3. 煤

16、燃燒二氧化硫的控制煤燃燒二氧化硫的控制 分為燃前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫和煤轉化過程中脫硫，其中煙氣脫硫煙氣脫硫被認為是最有效的脫硫方式。燃前脫硫燃前脫硫（1）跳汰選煤跳汰選煤 是各種密度、粒度和形狀的物料在不斷變化的流體中運動過程的選煤。屬于物理選煤，主要利用煤中各種成分比例不同，而去除部分灰份和黃鐵礦，不能去有機硫。（2）重介質選煤重介質選煤 采用磁鐵礦和水配置的懸浮液作為選煤的介質，利用不同浮力進行選煤，屬于物理方法。（3）浮選選煤浮選選煤 是氣、液、固三相界面的分選過程，包括水中礦物顆粒粘附在氣泡，然后上浮到煤漿表面。因為煤的濕潤性較好而礦物的濕潤性較差。（4）高梯度強磁分離煤脫硫

17、技術高梯度強磁分離煤脫硫技術 煤中有機硫為逆磁性而大部分無機硫為順磁性，利用磁性不同分離。（5）微波輻射法微波輻射法 煤中黃鐵礦的硫最容易吸收微波，有機硫次之，煤基質基本不吸收微波。微波吸收后削弱化學鍵，采用浸取液洗滌煤中硫，可以去無機硫，也可以去有機硫，目前在實驗室狀態(tài)。（6）化學處理法化學處理法 如在煤中加入堿溶液，在一定反應條件下，脫去無機和有機硫，但該工藝成本高，對煤質有一定影響，在工程上應用少。（7）生物脫硫生物脫硫 利用微生物破壞煤中無機硫和有機硫，可以達到經濟、有效的脫硫，但目前的難點是找到能破壞煤中硫而不影響碳結構的高效菌種。國外準備進行半工業(yè)實驗，國內目前處于起步階段。（8）型煤固硫技術型煤固硫技術 將不同原料經過篩分按照一定比例配煤，粉碎后同經過預處理的粘結劑和固硫劑混合，經過機械設備成型與干燥，得到具有一定形狀和成品的工業(yè)固硫型煤。固硫劑按照化學形態(tài)分為鈣系、鈉系及其他。 石灰石、大理石粉、電石渣是工業(yè)上較好的固硫劑，應用廢液做粘結劑，如堿性紙漿黑液，也有一定的固硫作用。鹽泥、糖泥、鈣渣、煙道灰等可以作為粘結劑和脫硫劑。 型煤燃燒煙氣中粉塵、二氧化硫、CO濃度及煙氣黑度明顯下降，但由于型煤增加了原煤成本