第02章 燃燒與大氣污染1

第二章燃燒與大氣污染1.燃料的性質(zhì)2.燃料的燃燒過程3.煙氣體積計算4.燃燒過程中硫氧化物的形成5.顆粒污染物的形成6.其他污染物的形成重點：燃料燃燒過程的影響因素，燃燒所需空氣量、產(chǎn)生煙氣及污染物排放量計算教學(xué)目標：了解常見民用及工業(yè)燃料的組成和性質(zhì)掌握氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒過程學(xué)會分析影響燃燒過程的因素學(xué)會計算燃燒過程產(chǎn)生的煙氣量和污染物濃度

掌握顆粒物、硫氧化物和氮氧化物的產(chǎn)生機理理解通過改變?nèi)紵龡l件減少污染物生成的途徑。

第一節(jié)燃料的性質(zhì)1.

燃料的分類按獲得方法分

按物態(tài)分

天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁巖

木炭、焦炭、煤粉等

液體燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油

氣體燃料

天然氣

高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、焦爐煤氣

燃料是指用以產(chǎn)生熱量或動力的可燃性物質(zhì)，主要是含碳物質(zhì)或碳氫化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、天然氣、發(fā)生爐煤氣等。

2.燃料的化學(xué)組成典型氣體、液體和固體燃料的化學(xué)組成成分比重

煤油

2.燃料的化學(xué)組成典型氣體、液體和固體燃料的化學(xué)組成成分（續(xù)）石墨

無煙煤半無煙煤煙煤

次煙煤褐煤

褐煤

3.燃料組成對燃燒的影響碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒時，放出32860kJ的熱量。當不完全燃燒生成CO時，放出9268kJ的熱量。純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰也短。煤中的碳不是單質(zhì)狀態(tài)存在，而是與氫、氮、硫等組成有機化合物。煤形成的地質(zhì)年代越長，其揮發(fā)性成分含量越少，而含碳量則相對增加。例如，無煙煤含碳量約90%~98%，一般煤的含碳量約50%~95%。氫：是燃料中發(fā)熱量最高的元素。固體燃料中氫的含量為2%~10%，以碳氫化合物的形式存在，1kg氫完全燃燒時能放出120500kJ的熱量。

3.燃料組成對燃燒的影響氧：氧在燃料中與碳和氫生成化合物，降低了燃料的發(fā)熱量氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5%~1.5%硫：以三種形態(tài)存在：有機硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱之為揮發(fā)硫。硫燃燒生成產(chǎn)物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。3.

燃料組成對燃燒的影響水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內(nèi)部水分）組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內(nèi)部水分要放在干燥箱中加熱到102~105C，保持2h后才能除掉?；曳郑菏侨剂现胁豢扇嫉V物質(zhì)，為燃料中有害成分。4.煤的分類和組成

煤的基本分類褐煤最低品味的煤，呈現(xiàn)黑色、褐色或者泥土色，黏結(jié)壯或帶狀，水分含量高，熱值低，由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最短。煙煤形成年代較褐煤長，黑色，外形有可見條紋，水分含量為20%-45%，碳含量75%~90％。成焦性較強，適宜工業(yè)一般應(yīng)用無煙煤煤化時間最長，含碳量最高（高于93％），成焦性差,發(fā)熱量大，具有明顯黑色光澤，機械強度高，儲存穩(wěn)定，不易自燃。

褐煤：煙煤無煙煤4.煤的分類和組成

煤的成分分析工業(yè)分析（

proximateanalysis

）

又叫煤的技術(shù)分析或?qū)嵱梅治?，是評價煤質(zhì)的基本依據(jù)。在國家標準中，煤的工業(yè)分析包括煤的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等指標的測定。通常煤的水分、灰分、揮發(fā)分是直接測出的，而固定碳是用差減法計算出來的。廣義上講，煤的工業(yè)分析還包括煤的全硫分和發(fā)熱量的測定，又叫煤的全工業(yè)分析。

元素分析（ultimateanalysis

）用化學(xué)分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。4.煤的分類和組成煤的工業(yè)分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內(nèi)318～323K溫度下干燥8h，取出冷卻，稱重外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375～380K下，約2h后，稱重內(nèi)部水分揮發(fā)分：失去水分的試樣密封在坩堝內(nèi)，放在1200K的馬弗爐中加熱7min，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重

因為揮發(fā)分不是煤中固有的，而是在特定溫度下熱解的產(chǎn)物，所以確切的說應(yīng)稱為揮發(fā)分產(chǎn)率。揮發(fā)分主要由氫氣、碳氫化合物、一氧化碳及少量的硫化氫等組成。在相同的熱值下，煤中揮發(fā)分越高，越容易燃著，火焰越長，越易完全燃燒。但揮發(fā)分含量過高，容易造成煤的不充分燃燒，釋放出大量的積碳粒子和煙氣，形成環(huán)境污染。揮發(fā)分是煤分類的重要指標。煤的揮發(fā)分反映了煤的變質(zhì)程度，揮發(fā)分由大到小，煤的變質(zhì)程度由小到大。如泥炭的揮發(fā)分高達70%，褐煤一般為40～60%，煙煤一般為10～50%，高變質(zhì)的無煙煤則小于10%。煤的揮發(fā)分和煤巖組成有關(guān)，角質(zhì)類的揮發(fā)分最高，鏡煤、亮煤次之，絲碳最低。所以世界各國和我國都以煤的揮發(fā)分作為煤分類的最重要的指標。4.煤的分類和組成煤的工業(yè)分析（續(xù)）固定碳從煤中扣除水分、灰分以及揮發(fā)分后剩余的部分為固定碳，是煤中的主要可燃物質(zhì)灰分：

是煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱，是煤中的有害物質(zhì)。煤用作動力燃料時，灰分增加，煤中可燃物質(zhì)含量相對減少。礦物質(zhì)燃燒灰化時要吸收熱量，大量排渣要帶走熱量，因而降低了煤的發(fā)熱量，影響了鍋爐操作（如易結(jié)渣、熄火），加劇了設(shè)備磨損，增加排渣量。煤用于煉焦時，灰分增加，焦炭灰分也隨之增加，從而降低了高爐的利用系數(shù)。還必須指出的是，煤中灰分增加，增加了無效運輸，加劇了我國鐵路運輸?shù)木o張。煤灰成分及其含量與層聚積環(huán)境有關(guān)。我國很多煤層的礦物質(zhì)以粘土為主，煤灰成分則為SiO2，A12O3為主，兩者總和一般可達50~80%。在濱海沼澤中形成的煤層，如華北晚石紀煤層黃鐵礦含量高，煤灰中Fe2O3及SO3含量亦較高；在內(nèi)陸湖盆地中形成的某些第三紀褐煤的煤灰中CaO含量較高。4.煤的分類和組成煤中灰分的組成：我國煤炭的平均灰分含量為25％灰分的存在降低了煤的熱值，也增加了煙塵污染和出渣量4.煤的分類和組成煤的元素分析碳和氫：通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉(zhuǎn)化為氨，堿液吸收，滴定硫：與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應(yīng)，SSO42-，滴定4.煤的分類和組成煤中硫的形態(tài)4.煤的分類和組成煤的成分的表示方法

要確切說明煤的特性，必須同時指明百分比的基準，常用的基準有以下四種：收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分

角碼“ar”表示收到基成分，因為收到基表示的為實際原料，所以在進行燃料計算及熱效應(yīng)實驗時，都以收到基為準。但由于煤外部水分是不穩(wěn)定的，收到基的百分成分也隨之波動，因此用收到基評價煤的性質(zhì)是不準確的?？諝飧稍锘阂匀サ敉獠克值娜剂献鳛?00%的成分，即在實驗室內(nèi)進行燃料分析時的試樣成分

4.煤的分類和組成干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分4.煤的分類和組成煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系

收到基空氣干燥基干燥基干燥無灰基5.其他燃料

石油液體燃料的主要來源鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧氫含量增加時，比重減少，發(fā)熱量增加原油經(jīng)過蒸餾、裂化和重整過程，生產(chǎn)出各種汽油、溶劑、化學(xué)產(chǎn)品和燃料油。原油中硫一般以有機硫的形式存在，硫的含量一般在0.1%-7%。原油中的餾分大約有80%~90%留于重餾分中。

天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％碳氫化合物以外的其他組分：水、二氧化碳、氮氣、氦氣和硫化氫。硫化氫具有腐蝕性，燃燒產(chǎn)物為硫的氧化物，所以很多國家規(guī)定了天然氣的總硫含量和硫化氫含量的最大允許值。5.其他燃料

非常規(guī)燃料，除了常規(guī)燃料之外，所有可燃性物質(zhì)都稱為非常規(guī)燃料，根據(jù)來源可分為以下幾種：城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農(nóng)產(chǎn)物和農(nóng)村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業(yè)和采礦廢物天然存在的含碳和含碳氫的資源合成燃料

非常規(guī)燃料通常需要專門技術(shù)轉(zhuǎn)化為易于利用的形式城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問題6.燃料組成的表示方法:CxHySzOwNv

Sample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

燃料的最重要的兩個屬性熱值決定燃料的消耗量雜質(zhì)污染物產(chǎn)生的來源第二節(jié)燃料燃燒過程

一、影響燃燒過程的主要因素1.燃燒過程及燃燒產(chǎn)物

燃燒是指可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨能量（光和熱）的釋放，同時使燃料的組成元素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氧化物。完全燃燒：CO2、H2O不完全燃燒：CO2、H2O&CO、黑煙及其他部分氧化產(chǎn)物如果燃料中含有S和N，則會生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx一、影響燃燒過程的主要因素2、燃料完全燃燒的條件（3T）空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達到燃料的著火溫度2、燃料完全燃燒的條件（3T）著火溫度：在氧存在下可燃質(zhì)開始燃燒必須達到的最低溫度。

時間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時間應(yīng)超過燃料燃燒所需時間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合

混合程度取決于空氣的湍流度，若混合不均勻，將導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生。燃料與空氣之比、溫度、時間、湍流度是在大氣污染物排放量最低條件下實現(xiàn)有效燃燒所必須的，評價燃燒過程及燃燒設(shè)備時必須認真考慮這些因素，通常把溫度、時間與湍流稱為燃燒過程的“3T”2、燃料完全燃燒的條件（3T）2.燃料燃燒的理論空氣量理論空氣量：單位量燃料按照燃燒反應(yīng)方程式完全燃燒所需要的空氣量?？諝膺^剩系數(shù)：超過理論空氣量多給的空氣量稱為過?？諝饬?，實際空氣量與理論空氣量之比為空氣過剩系數(shù)

空燃比：（AF）定義為單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量。富燃條件空氣量低于完全燃燒所需要的量，即空燃比小于理論空氣量。富燃條件下，燃料不能充分燃燒，燃燒溫度較低。

理論空氣條件

即空燃比等于理論空燃比，燃料能充分燃燒，燃燒區(qū)溫度接近極大值。由于燃料能充分燃燒，理論空氣條件下，不完全燃燒產(chǎn)物HC、CO的排放大大減少。

貧燃條件

空燃比略大于理論空燃比條件下，燃料與空氣充分混合，僅產(chǎn)生微量CO和少量HC，隨著燃燒溫度達到最大值，NOx生成量最高?？諝饫^續(xù)過量，一部分燃燒產(chǎn)生的熱量需要預(yù)熱空氣，導(dǎo)致燃燒溫度降低，因此NOx生成量減小。2.燃料燃燒的理論空氣量建立燃燒方程式的假定：空氣組成

20.9%O2和79.1%N2，兩者體積比為：N2/O2=3.78燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2不考慮NOX的生成燃料中的N在燃燒時轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學(xué)式為CxHySzOw2.燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：燃料重量

=12x+1.008y+32z+16w理論空氣量：煤

4~7m3/kg，液體燃料10~11m3/kg

2.燃料燃燒的理論空氣量例題：2.燃料燃燒的理論空氣量空氣過剩系數(shù)實際空氣量與理論空氣量之比。以表示，通常>1部分爐型的空氣過剩系數(shù)2.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=15.113.燃燒過程中產(chǎn)生的污染物燃燒可能釋放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等溫度對燃燒產(chǎn)物的絕對量和相對量都有影響燃料種類和燃燒方式對燃燒產(chǎn)物也有影響3.燃燒過程中產(chǎn)生的污染物燃燒產(chǎn)物與溫度的關(guān)系：3.燃燒過程中產(chǎn)生的污染物燃料種類對燃燒產(chǎn)物的影響（以1000MW電站為例）：3.燃燒過程中產(chǎn)生的污染物典型氣態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物：丁烷

丙烷

4.熱化學(xué)關(guān)系式發(fā)熱量：單位燃料完全燃燒時，所放出的熱量，即在反應(yīng)物開始狀態(tài)和反應(yīng)產(chǎn)物終了狀態(tài)相同下的熱量變化（kJ/kgorkcal/kg）高位發(fā)熱量：包括燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱低位發(fā)熱量：燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時，完全燃燒過程所釋放的熱量4.熱化學(xué)關(guān)系式燃燒設(shè)備的熱損失排煙熱損失不完全燃燒熱損失散熱損失4.熱化學(xué)關(guān)系式燃燒熱損失與空燃比的關(guān)系在充分混合的條件下，熱損失在理論空氣量條件下最低不充分混合時，熱損失最小值出現(xiàn)在空氣過剩一側(cè)第三節(jié)煙氣體積及污染物排放量計算1.煙氣體積計算理論煙氣體積

CO2、SO2、N2和H2O干煙氣、標準干煙氣、濕煙氣煙氣體積和密度的校正轉(zhuǎn)化為標態(tài)下（273K、1atm）的體積和密度注意：美、日和全球監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)的標態(tài)為298K、1atm。1.煙氣體積計算過?？諝庑Ｕ龑嶋H空氣量

=（1+）（O2+3.78N2）完全燃燒：與理論空氣量相比多（O2+3.78N2）

此時煙氣中，O2的量為O2P=O2，N2的量為N2P=3.78（1+）N2空氣中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即進入燃燒系統(tǒng)的空氣總氧量為0.26