第二章 清潔燃燒技術(shù) - 1

1、第二章第二章 清潔燃燒技術(shù)清潔燃燒技術(shù) 本章主要內(nèi)容： 案例分析2.1 燃料的燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備2.2 燃燒過(guò)程中主要污染物的形成機(jī)制2.3 煤脫硫技術(shù)和低NOX生成燃燒技術(shù) 課后思考題及拓展任務(wù) 循環(huán)流行化床鍋爐技術(shù)是近十幾年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)高效低污染清潔燃燒技術(shù)。國(guó)際上這項(xiàng)技術(shù)在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢物處理利用等領(lǐng)域已得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，并向幾十萬(wàn)千瓦級(jí)規(guī)模的大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展；國(guó)內(nèi)在這方面的研究、開發(fā)和應(yīng)用也逐漸興起，循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行或正在制造之中。未來(lái)的幾年將是循環(huán)流化床飛速發(fā)展的一個(gè)重要時(shí)期【案例分析】【案例分析】 （1）循環(huán)流化床的結(jié)構(gòu)和原理 鍋爐采用單鍋筒，自然循環(huán)方式

2、，總體上分為前部及尾部?jī)蓚€(gè)豎井。前部豎井為總吊結(jié)構(gòu)，四周有膜式水冷壁組成。自下而上，依次為一次風(fēng)室、密相床、懸浮段，尾部煙道自上而下依次為高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器及省煤器、空氣預(yù)熱器。尾部豎井采用支撐結(jié)構(gòu)，兩豎井之間由立式旋風(fēng)分離器相連通，分離器下部連接回送裝置及灰冷卻器。燃燒室及分離器內(nèi)部均設(shè)有防磨內(nèi)襯，前部豎井采用敷管爐墻，外置金屬護(hù)板，尾部豎井采用輕型爐墻，由八根鋼柱承受鍋爐全部重量?！救蝿?wù)二】煤燃燒大氣污染物排放量的計(jì)算p 某電廠煙氣溫度為473k，壓力為105kpa，濕煙氣量V=10400m3,水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為6.25%，二氧化碳為10.7%，氧氣為8.2%，不含一氧化碳。排放的污染

3、物質(zhì)流量為22.7kg/min。求1.污染物排放的流量（單位：t/d）2.污染物在干煙氣中的濃度。3.煙氣中的過(guò)剩系數(shù)。4.空氣過(guò)度系數(shù)a=1.8時(shí)，污染物在煙氣中的濃度。p 潔凈燃燒技術(shù)主要是通過(guò)潔凈煤技術(shù)減少二氧化硫排放和通過(guò)改變?nèi)紵绞浇档蚇Ox生成。主要潔凈煤技術(shù)包括煤炭洗選加工，煤炭氣化和液化，工業(yè)和民用煤炭固硫技術(shù)，燃煤鍋爐采用的脫硫技術(shù)和循環(huán)流化床燃燒技術(shù)等。 、 、2.1 2.1 燃料的燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備燃料的燃燒過(guò)程及燃燒設(shè)備2.1.1 燃料的種類燃料的種類(1)固體燃料 固體燃料分為天然固體燃料、人工固體燃料和固體可燃廢物。 泥煤 泥煤是最年輕的煤，是由植物剛剛衍變而成的。

4、 褐煤 褐煤比泥煤炭化程度大一些，這種煤基本上完成了植物遺體的炭化過(guò)程 煙煤 煙煤是炭化程度較高的煤，僅次于無(wú)煙煤。 無(wú)煙煤 無(wú)煙煤是含碳量最高、炭化時(shí)間最長(zhǎng)的煤。（煤炭分類見表2-1）(2)液體燃料 液體燃料包括石油及石油制品、煤炭加工制取的燃料油和生物液體燃料。(3)氣體燃料 由可燃?xì)怏w組成燃料稱為氣體燃料?？煞譃樘烊粴怏w燃料、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程副產(chǎn)氣體燃料和人造氣體燃料等。一、 燃料的種類及組成二、 燃料的燃燒過(guò)程三、 煙氣體積及污染物排放量計(jì)算四、燃燒污染物的形成與控制 A.固體燃料：揮發(fā)分被蒸餾后以氣態(tài)燃燒（蒸氣控制）；留下的固定炭以固態(tài)燃燒（擴(kuò)散控制）。 B.液體燃料：由蒸發(fā)過(guò)程控制（氣

5、態(tài)形式燃燒）。 C. 氣態(tài)燃料：由可燃?xì)怏w組成的燃料稱為氣體燃料。氣體燃料屬于清潔燃料，主要包括天然氣、液化石油氣、焦?fàn)t煤氣等。 按其物理狀態(tài)分為：一、一、 燃料的種類及組成燃料的種類及組成1.1. 燃料的分類（1 1）如下表：（2）按使用多少可以分為 1）常規(guī)燃料 如煤、石油、天然氣等。 2）非常規(guī)燃料2.2. 幾種常規(guī)燃料及其化學(xué)組成（1）煤 定義：煤是最重要的固體燃料，它是一種復(fù)雜的物質(zhì)聚集體。煤的可燃成分主要是由碳、氫及少量氧、氮和硫等一起構(gòu)成的有機(jī)聚合物,各種聚合物之間由不同的碳?xì)渲ф溁ハ噙B接成更大的顆粒。 性質(zhì)：性質(zhì)：煤中有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分的含量因種類、產(chǎn)地不同而異。1）煤的分類：

6、分類：基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。 A.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級(jí)最低的一類，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：揮發(fā)分較高，析出溫度低；燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。1）煤的分類B.B.煙煤煙煤：形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見條紋。 揮發(fā)分2045%，C 7590%。成焦性較強(qiáng)，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業(yè)使用。C.C.無(wú)煙煤無(wú)煙煤：碳含量最高，煤化時(shí)間最長(zhǎng)的煤，具有明顯的黑色光澤，機(jī)械強(qiáng)度高。 C含量93%, 無(wú)機(jī)物量1 部分爐型的空氣過(guò)剩系數(shù)0實(shí)際空氣量理論空氣量aaVV通常1，值

7、的大小決定于燃料種類、燃燒裝置形式及燃燒條件等因素。5.5.燃料燃燒的理論空氣量 空燃比 單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量 例如：汽油（C8H18）的完全燃燒： 汽油的質(zhì)量：128+1.00818 = 114.14 空氣的質(zhì)量：3212.5+283.7812.5 = 1723 空燃比 AF=15.1181822222181818CH8O3.78 8N8CO9H O 3.78 8N4445.5.燃料燃燒的理論空氣量 理論空氣量的經(jīng)驗(yàn)理論空氣量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 已知元素分析可用式2-1計(jì)算； 若知燃料的熱值可用式2-2計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結(jié)果如下（按質(zhì)量）C：88

8、.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。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(chǔ)，則： 重量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧量（mol）C88373587358H954752375S160505H2O0500278073.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比) 則，理論空氣量為： mol/kg重油即 Nm3/kg重油43.1010004 .2267.46567.465176. 383.976. 燃料燃燒的過(guò)程和設(shè)備 6.1固體燃料燃燒的過(guò)程和設(shè)備 固體燃料的燃燒主要指煤或焦炭的燃燒。煤的燃燒過(guò)程概括

9、起來(lái)至少有四個(gè)主要過(guò)程： 氣象中氧分子擴(kuò)散到煤粒子的表面； 煤中揮發(fā)的擴(kuò)散； 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)； 反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到氣流中。煤的燃燒方式分為層燃、室燃和硫化態(tài)燃燒。 燃燒設(shè)備大致可以分為爐排爐、煤粉爐、旋風(fēng)燃燒爐和流化床鍋爐。 爐排爐：又稱層燃爐，如：鏈條爐、振動(dòng)爐排爐、拋煤機(jī)爐排爐等。 煤粉爐 旋風(fēng)燃燒爐 流化床鍋爐6.2氣體燃料的燃燒過(guò)程和設(shè)備 氣體燃料的燃燒過(guò)程6.3液體燃料的燃燒過(guò)程和設(shè)備三、三、 煙氣體積及污染物排放量計(jì)算煙氣體積及污染物排放量計(jì)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。以Vfg0表示，煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和

10、水蒸氣。干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣；濕煙氣：包括水蒸氣在內(nèi)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(shí)際煙氣體積 Vfg0 Vfg = Vfg0 + (a-1)Va0 3.煙氣體積和密度的校正燃燒產(chǎn)生的煙氣其T、P總高于標(biāo)態(tài)（273K、1atm）故需換算成標(biāo)態(tài)。大多數(shù)煙氣可視為理氣，故可應(yīng)用理氣方程。設(shè)觀測(cè)狀態(tài)下（Ts、Ps下）：煙氣的體積為Vs，密度為s。標(biāo)態(tài)下（TN、PN下）： 煙氣的體積為VN，密度為N。標(biāo)態(tài)下體積為：標(biāo)態(tài)下密度為：應(yīng)指出，美國(guó)、日本和國(guó)際全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是298K、1atm在作數(shù)據(jù)比較時(shí)應(yīng)

11、注意。SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPPP4. 4.過(guò)?？諝廨^正過(guò)剩空氣較正 因?yàn)閷?shí)際燃燒過(guò)程是有過(guò)?？諝獾模匀紵^(guò)程中的實(shí)際煙氣體積應(yīng)為理論煙氣體積與過(guò)?？諝饬恐?。 用奧氏煙氣分析儀測(cè)定煙氣中的CO2、O2和CO的含量，可以確定燃燒設(shè)備在運(yùn)行中煙氣成分和空氣過(guò)剩系數(shù)。 空氣過(guò)剩系數(shù)為 a= m-過(guò)?？諝庵蠴2的過(guò)剩系數(shù) 設(shè)燃燒是完全燃燒，過(guò)剩空氣中的氧只以O(shè)2形式存在，燃燒產(chǎn)物用下標(biāo)P表示，m1理論空氣量實(shí)際空氣量PPPNOCONmOmC2222276. 311PPPONOa222266. 01假設(shè)空氣只有O2、N2,分別為21%、79%，則空氣中總氧量為 理論需氧量： 0.

12、266N2P-O2P 所以（燃燒完全時(shí)） 若燃燒不完全會(huì)產(chǎn)生CO，須校正。即從測(cè)得的過(guò)剩氧中減去CO氧化為CO2所需的O2 此時(shí)各組分的量均為奧氏分析儀所測(cè)得的百分?jǐn)?shù)。PPPPPCOONCOOa5 . 0266. 05 . 01222 例2 對(duì)例1給定的重油，若燃料中硫轉(zhuǎn)化為SOX（其中SO2占97%），試計(jì)算空氣過(guò)剩系數(shù)a=1.20時(shí)煙氣中SO2及SO3的濃度，以ppm表示，并計(jì)算此時(shí)煙氣中CO2的含量，以體積百分比表示。分析解答：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： 97.833.76理論煙氣量：

13、 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.833.76 )=489.45mol/kg重油 即 489.45=10.96m3/kg重油 空氣過(guò)剩系數(shù)a=1.2時(shí)，實(shí)際煙氣量為： 其中10.43為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空氣量。分析解答： 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： ppmCppmCSOSO75.251005.131036. 325.8351005.130109. 064632KgNm/0109. 010004 .2297. 05 . 03KgNm/1036. 310004 .2203. 05 . 034分析

14、解答： 當(dāng)=1.2時(shí)，干煙氣量為： CO2體積為： 所以干煙氣中CO2的含量（以體積計(jì)）為： KgNm/985.112 . 043.1010004 .220278. 05 .4745.4893重油KgNm/648. 110004 .2258.733%75.13100985.11648.1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(jié)果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的質(zhì)量流量為22.7Kg/min。 （1） 污染物排放的質(zhì)量速率（以t/d表示） （2） 污染物在煙氣中濃度 （3

15、） 煙氣中空氣過(guò)剩系數(shù) （4）校正至空氣過(guò)剩系數(shù)=1.8時(shí)污染物在煙氣中的濃度。解：（1）污染物排放的質(zhì)量流量為： （2）測(cè)定條件下的干空氣量為： 測(cè)定狀態(tài)下干煙氣中污染物的濃度： 標(biāo)態(tài)下的濃度： dtKgtdhhKg/7.32100024min60min7.22min/97500625.01104003mQd36/2.23281097507.22mmgCNmmgTTPPCCNNN3/0 .421727347393.9633.1012 .2328 （3）空氣過(guò)剩系數(shù)： （4）校正至=1.8條件下的濃度：613. 12 . 81 .81268. 02 . 81268. 01222PPPONQNm

16、mgCCC3/9 .37788 . 1613. 10 .42178 . 1校實(shí)實(shí)校四、燃燒污染物的形成與控制 （一）燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程SOxSOx的形成及控制的形成及控制 1.燃料中硫的氧化機(jī)理燃料中硫的氧化機(jī)理 燃料中的硫在燃燒過(guò)程中與氧反應(yīng)，主要產(chǎn)物是SO2和SO3，但SO3的濃度相當(dāng)?shù)停词乖谪毴剂蠣顟B(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(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)，所以僅在各種氧化反應(yīng)中以中間體形式出現(xiàn)。 燃燒時(shí)： 故一般主要生成SO2,計(jì)算時(shí)可忽略SO3。 （二）（二）SOxS

17、Ox的控制的控制 2 燃料脫硫） 煤炭的固態(tài)加工 國(guó)外要求用于發(fā)電、冶金、動(dòng)力的煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是： 煉焦煤：硫分1%，灰分68%； 動(dòng)力煤：硫分0.51%，灰分1520%； 故原煤必經(jīng)分選以除去煤中的礦物質(zhì)。 目前選煤工藝普遍應(yīng)用的是重力分選法（可降低4090%的S）,此法對(duì)有機(jī)硫含量較大或精煉還不能達(dá)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(xué)浸出法、化學(xué)破碎法、細(xì)菌脫硫法、微波脫硫法、磁力脫硫及溶劑精煉等，工業(yè)上應(yīng)用的很少。 型煤固硫是控制SO2的一條經(jīng)濟(jì)有效途徑。 2） 煤炭的轉(zhuǎn)化 煤炭的轉(zhuǎn)化主要是氣化、液化。即對(duì)煤進(jìn)行脫硫或加氫改變其原有的碳?xì)浔取⑹姑恨D(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩稳?/p>

18、料。 A.煤的氣化 煤的氣化技術(shù)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(shí)驗(yàn)階段的煤催化氣化。 煤氣主要是H2、CO、CH4等，煤中硫的H2S形式存在。生產(chǎn)出煤氣中H2S含量幾百到幾千mg/m3。 去除方法有干法、濕式法。 B. 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(shí)耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規(guī)模水處理設(shè)施。 3. 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(zhuǎn)化過(guò)程中脫硫，其中煙氣脫硫被認(rèn)為是最有效的脫硫方式。燃

19、前脫硫燃前脫硫:（1）逃汰選煤 是各種密度、粒度和形狀的物料在不斷變化的流體中運(yùn)動(dòng)過(guò)程。屬于物理選煤，主要利用煤中各種成分比例不同，而去處部分灰份和黃鐵礦，不能去有機(jī)硫。（2）重介質(zhì)選煤 采用磁鐵礦和水配置的懸浮液作為選煤的介質(zhì)，利用不同浮力進(jìn)行選煤，屬于物理方法。（3）浮選選煤 是氣、液固三相界面的分選過(guò)程，包括水中礦物顆粒粘附在氣泡，然后上浮到煤漿液體表面。因?yàn)槊旱臐駶?rùn)性較好而礦物的濕潤(rùn)性較差。（4）高梯度強(qiáng)磁分離煤脫硫技術(shù) 煤中有機(jī)硫?yàn)槟娲判远蟛糠譄o(wú)機(jī)硫?yàn)轫槾判?，利用磁性不同分離。（5）微波輻射法 煤中黃鐵礦的硫最容易吸收微波，有機(jī)硫次之，煤基質(zhì)基本不吸收微波。微波吸收后削弱化學(xué)鍵，采

20、用浸取液洗滌煤中硫，可以去無(wú)機(jī)硫，也可以去有機(jī)硫，目前在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。（6）化學(xué)處理法，如在煤中加入堿溶液，在一定反應(yīng)條件下，脫去無(wú)機(jī)和有機(jī)硫，但該工藝成本高，對(duì)煤質(zhì)有一定影響，在工程上應(yīng)用少。（7）生物脫硫 利用微生物破壞煤中無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫，可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、有效的脫硫，但目前的難點(diǎn)是找到能破壞煤中硫而不影響碳結(jié)構(gòu)的高效菌種。國(guó)外準(zhǔn)備進(jìn)行半工業(yè)實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)目前處于起步階段。 二氧化硫國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn) （mg/m3）國(guó)家新電廠舊電廠國(guó)家新電廠舊電廠奧地利200-1620200-2000荷蘭200-700400比利時(shí)250-2000250-2000新西蘭125加拿大715波蘭540-1755675-4160

21、丹麥400-2000810西班牙400-2000芬蘭380-2540620-2540瑞典160-540160-920法國(guó)400-2000400-2000瑞士430-2145430-2145德國(guó)400-2000400-2500英國(guó)400-30002000-3000意大利400-2000400-2000美國(guó)740-14801480日本170-860170-860（8）型煤固硫技術(shù) 將不同原料經(jīng)過(guò)篩分按照一定比例配煤，粉碎后同經(jīng)過(guò)預(yù)處理的粘結(jié)劑和固硫劑混合，經(jīng)過(guò)機(jī)械設(shè)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(xué)形態(tài)分為鈣系、鈉系及其他。固 硫 劑分 子 式金 屬 氧 化 物Ca

22、O M gO氫 氧 化 物Ca(OH )2 M g(OH )2鈣 系鹽 類CaCO3, M gCO3氫 氧 化 物NaOH K OH鹽 類Na2CO3 K 2CO3鈉 系其 他金 屬 氧 化 物M nO2 Fe2O3 SiO2 Al2O3 石灰石、大理石粉、電石渣是工業(yè)上較好的固硫劑，應(yīng)用廢液做粘結(jié)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(jié)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，可能使某些爐型的鍋爐出力受到一些影響，目前還處于工業(yè)示范階段。(2)燃燒中脫硫燃燒中脫硫2.2.3 低NOx生成燃燒技術(shù) 影響