YYH-第二章-燃燒與大氣污染-2011

LOGO大氣污染控制工程第二章燃燒與大氣污染主講人：楊毅紅能源和資源的不合理利用或浪費(fèi)是造成環(huán)境污染的主要原因；而大氣環(huán)境污染主要是燃料燃燒造成的。因此，要解決大氣環(huán)境污染間題，必須研究燃料燃燒與大氣污染的關(guān)系，盡可能減少燃燒產(chǎn)生的大氣污染物，注意節(jié)約能源，開發(fā)清潔能源。在我國能源構(gòu)成中，煤炭約占70%，石油和天然氣等約占30%，核電比例很小。今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，煤炭仍是主要能源。十一五中國能源消費(fèi)世界各國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對比中國與世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)我國不僅水能等無污染能源開發(fā)較少，而且煤炭利用率低。因此開發(fā)新能源、提高煤炭等能源利用率，潛力很大。做好這項(xiàng)工作，既有利于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又可減輕大氣污染，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。2.1燃料的性質(zhì)2.2燃料燃燒過程2.3燃燒計(jì)算2.4燃燒過程中硫氧化物的形成2.5燃燒過程中顆粒污染物的形成2.6其他污染物的形成１．理論空氣量的計(jì)算２．理論與實(shí)際煙氣量的計(jì)算３．污染物排放量4．燃燒過程中污染物的形成學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)內(nèi)容提要重點(diǎn)與難點(diǎn)2.1燃料的性質(zhì)燃料的定義：

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?xì)浠衔?，如煤、焦炭、木柴、石油、天然氣、發(fā)生爐煤氣等。2.1.1燃料的分類2.1.2燃料的化學(xué)組成2.1.3燃料組成對燃燒的影響2.1.4煤的分類和組成2.1.5其他燃料2.1.6燃料組成的表示方法:CxHySzOwNv2.1.1燃料的分類分類方法常規(guī)燃料：如煤（coal）、petroleum、天然氣(rudegas)等。非常規(guī)燃料:生活垃圾、秸稈等按其物理狀態(tài)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）。液體燃料：由蒸發(fā)過程控制（氣態(tài)形式燃燒）。氣態(tài)燃料：由擴(kuò)散或混合控制。2.1.1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?fàn)t煤氣

2.1.2

燃料的化學(xué)組成典型氣體、液體和固體燃料的化學(xué)組成成分典型氣體、液體和固體燃料的化學(xué)組成成分（續(xù)）2.1.3燃料組成對燃燒的影響碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒時(shí)，放出7850kcal的熱量。當(dāng)不完全燃燒生成CO時(shí)，放出2214kcal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(jī)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：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?xì)浠衔锏男问酱嬖冢?kg氫完全燃燒時(shí)能放出28780kcal的熱量氧：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：三種形態(tài)：有機(jī)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。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。灰分：燃料中不可燃礦物質(zhì)，為燃料中有害成分。2.1.4煤的分類和組成定義一種復(fù)雜的物質(zhì)聚集體。主要可燃成分是C、H及少量O、N、S等一起構(gòu)成的有機(jī)聚合物。性質(zhì)有機(jī)成分和無機(jī)成分的含量因種類、產(chǎn)地不同而異。煤的基本分類褐煤：最低品味的煤，形成年代最短，熱值較低煙煤：形成年代較褐煤長，碳含量75~90％。成焦性較強(qiáng)，適宜工業(yè)一般應(yīng)用無煙煤：煤化時(shí)間最長，含碳量最高（高于93％），成焦性差,發(fā)熱量大褐煤煙煤無煙煤煤的組成分析（按測定組成分析）

（1）工業(yè)分析（proximateanalysis）：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、S含量、熱值。

（2）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。

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8小時(shí)，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,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7分鐘，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重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.失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）放在800±20℃的環(huán)境中灼燒到重量不再變化時(shí)，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳灰分：煤中不可燃礦物質(zhì)的總稱（1）煤的工業(yè)分析灰分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(2)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)，SO42-，滴定我國煤炭資源中，硫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.11％2.1.4

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

2.1.4

煤的分類和組成常用四種基準(zhǔn)表示煤的成分：

Car+Har+Oar+Sar+Aar+War=100%收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時(shí)的試樣成分

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Cad+Had+Oad+Sad+Aad+Wad=100%Cd+Hd+Od+Sd+Ad=100%Cdaf+Hdaf+Odaf+Sdaf=100%我國部分煤種的煤質(zhì)分析結(jié)果

2.1.4煤的分類和組成我國部分煤種的煤質(zhì)分析結(jié)果（續(xù)）2.1.5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(shí)，比重減少，發(fā)熱量增加天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％，此外還有H2O、CO2、N2、He、H2S等。2.1.5其他燃料非常規(guī)燃料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?xì)涞馁Y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2.1.6燃料組成的表示方法:CxHySzOwNvSample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/molC77.212=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

2.2燃料燃燒過程2.2.1影響燃燒過程的主要因素2.2.2燃料燃燒的理論空氣量2.2.3燃燒過程中產(chǎn)生的污染物2.2.4熱化學(xué)關(guān)系式2.2.1影響燃燒過程的主要因素燃燒：是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時(shí)使燃料的組成元素轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的氧化物。完全燃燒的產(chǎn)物：CO2、水蒸汽；不完全燃燒：產(chǎn)生黑煙、CO和其它部分氧化產(chǎn)物等。若燃料中含S、N會生成SO2和NO，燃燒溫度較高時(shí)，空氣中的部分氮會被氧化成NOx。FuelNOx(燃料型NOx)：燃料中的NNOx生成量

ThermalNOx(熱型NOx)：高溫時(shí)空氣中的N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(dá)到燃料的著火溫度時(shí)間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時(shí)間應(yīng)超過燃料燃燒所需時(shí)間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合典型燃料的著火溫度：2.2.2燃料燃燒的理論空氣量理論空氣量：單位量燃料按燃燒反應(yīng)方程式完全燃燒所需要的空氣量。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(shí)轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學(xué)方程式為CxHySzOw上節(jié)內(nèi)容回顧1、煤的工業(yè)分析包括測定煤中___、___、___、___、___和___。媒的元素分析呢？2、影響燃燒過程的主要因素有___、___、___和___。3、媒的成分表示方法有哪些？分別簡述之。4、褐煤是最低品味的媒。（）5、若有一燃料的表達(dá)式為CxHySzOw試寫出燃燒方程式。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/kg2.2.2燃料燃燒的理論空氣量例：計(jì)算辛烷（C8H18）在理論空氣量條件下燃燒時(shí)的燃料/空氣質(zhì)量比，并確定燃燒產(chǎn)物氣體的組成。解：例：假定媒的化學(xué)組成以質(zhì)量計(jì)為：C:77.2%;H:5.2%;N:1.2%;S:2.6%;O:5.9%;灰分：7.9%。試計(jì)算這種媒燃燒時(shí)的理論空氣量。解：組成可表示為：CH0.809N0.013S0.013O0.057化學(xué)成分w/%單位質(zhì)量摩爾組成/(mol*(100g媒)-1)摩爾分?jǐn)?shù)/[mol*mol-1(C)]C77.277.2/12=6.436.43/6.43=1H5.25.2/1=5.25.2/6.43=0.809N1.21.2/14=0.08570.0857/6.43=0.013S2.62.6/32=0.08120.0812/6.43=0.013O5.95.9/16=0.3690.369/6.43=0.057灰分7.9--燃料的摩爾質(zhì)量為：

100g/6.43mol=15.55g/mol(C)燃燒方程式為：CH0.809N0.013S0.013O0.057+a(O2+3.78N2)?----CO2+0.404H2O+0.013SO2+(3.78a+0.0065)N2其中：a=1+0.809/4+0.013-0.057/2=1.19Va0=1.19*(1+3.78)mol*22.4L*10-3/(15.55*10-3)=8.19m3/kg（燃料）空燃比：單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量例：汽油（～C8H18）的完全燃燒：汽油的質(zhì)量：12×8+1.008×18=114.14空氣的質(zhì)量：32

×12.5+28×3.78×12.5=1723空燃比AF=15.10課堂鞏固練習(xí)1、實(shí)際空氣量與理論空氣量之比定義為____。2、單位質(zhì)量的燃料按反應(yīng)方程完全燃燒所需要的空氣量稱為____。3、單位質(zhì)量燃料完全燃燒所需的空氣質(zhì)量稱為（）。a.理論空氣量b.實(shí)際空氣量c.空氣過剩系數(shù)d.空燃比4、燃料燃燒產(chǎn)物中的水蒸汽仍以氣態(tài)存在時(shí)，完全燃燒釋放的熱量稱為（）。a.高位發(fā)熱量b.低位發(fā)熱量c.燃料的發(fā)熱量d.汽化潛熱1.空氣過剩系數(shù)2.理論空氣量；3.d4.b2.2.3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)物也有影響燃料種類對燃燒產(chǎn)物的影響（以1000MW電站為例）：防治大氣污染最有力的措施是有效地利用燃料資源，所有的節(jié)能措施幾乎都會降低大氣污染物的排放量。2.2.4熱化學(xué)關(guān)系式發(fā)熱量：單位燃料完全燃燒時(shí)，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；（固體）KJ/m3(氣體)）高位：包括燃料燃燒生成物中水蒸汽的汽化潛熱，qH低位：指燃料燃燒生成物中水蒸汽仍以氣態(tài)存在時(shí)，完全燃燒釋放的熱量，qL上節(jié)內(nèi)容回顧1、實(shí)際空氣量與理論空氣量之比定義為____。2、單位質(zhì)量的燃料按反應(yīng)方程完全燃燒所需要的空氣量稱為____。3、單位質(zhì)量燃料完全燃燒所需的空氣質(zhì)量稱為（）。a.理論空氣量b.實(shí)際空氣量c.空氣過剩系數(shù)d.空燃比4、燃料燃燒產(chǎn)物中的水蒸汽仍以氣態(tài)存在時(shí)，完全燃燒釋放的熱量稱為（）。a.高位發(fā)熱量b.低位發(fā)熱量c.燃料的發(fā)熱量d.汽化潛熱2.3煙氣體積及污染物排放量計(jì)算2.3.1煙氣體積計(jì)算理論煙氣量煙氣體積和密度的校正過?？諝庑Ｕ?.3.2污染物排放量計(jì)算2.3.1煙氣體積計(jì)算（1）理論煙氣量理論煙氣體積：在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積，以Vfg0表示，煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣。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。理論空氣量Vfg0=V干煙氣+V水蒸氣V理論水蒸氣=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Vfg

（3）煙氣體積和密度的校正(4)過?？諝廨^正(4)過剩空氣較正考慮過?？諝庑Ｕ?，實(shí)際煙氣體積：Vfg=Vfg0+Va（α-1）燃燒可能釋放的污染物有哪些？____、____和____對燃燒產(chǎn)物的濃度和組成產(chǎn)生影響。防治大氣污染最有力的措施是_

___。高位發(fā)熱量比低位發(fā)熱量大。（）什么是理論煙氣量？如何進(jìn)行煙氣體積校正？過剩進(jìn)行空氣校正？參考答案：CO2、CO、SOx、Nox、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等；溫度、燃料種類、燃燒方式；有效地利用燃料資源；對；；實(shí)際煙氣體積：Vfg=Vfg0+Va（α-1）上節(jié)內(nèi)容回顧2.4燃燒過程中硫氧化物的形成2.4.1燃料中硫的氧化機(jī)理（一）硫的氧化（二）H2S的氧化（三）CS2和COS的氧化（四）元素硫的氧化（五）有機(jī)硫化物的氧化2.4.2SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化（一）S的氧化有機(jī)硫的分解溫度較低（氧化條件SO2\SO3、還原條件）無機(jī)硫的分解速度較慢（還原氣氛、溫度<800K:FeS、S2、COS；更高溫度才能氧化…..）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（二）H2S的氧化（三）CS2和COS的氧化（四）元素硫的氧化（五）有機(jī)硫化物的氧化2.4.1燃料中硫的氧化機(jī)理2.4.2SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式SO2+O+MSO3+M（1）SO3+OSO2+O2

（2）SO3+HSO2+OH（3）SO3+MSO2+O+M（4）

在熾熱反應(yīng)區(qū)

，[O]

濃度很高，反應(yīng)（1）和（2）起支配作用

SO3生成速率

當(dāng)d[SO3]/dt=0時(shí)，SO3濃度達(dá)到最大:為SO2的0.1%~5%

燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結(jié)合生成H2SO4轉(zhuǎn)化率與溫度密切相關(guān)H2SO4濃度越高，酸露點(diǎn)越高設(shè)備的運(yùn)行溫度要大于露點(diǎn)溫度，而運(yùn)行的溫度越高，處理煙氣的體積越大2.5燃燒過程中顆粒污染物的形成2.5.1碳粒子的生成（一）積炭的生成（二）石油焦和煤胞的生成2.5.2燃煤煙塵的形成（一）煤粉燃燒過程（二）影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素（一）積炭的生成經(jīng)驗(yàn)分子式C8H。生成的三個(gè)階段：核化過程：氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳。核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應(yīng)較為緩慢的凝團(tuán)和凝聚過程燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素（碳?xì)浔取⒅ф湥┓e炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)（壓力越低則積炭的生成趨勢越小提高氧氣量可以防止積炭生成2.5.1碳粒子的生成（二）石油焦和煤胞的生成燃料油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。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：烷烴烯烴帶支鏈芳烴凝聚環(huán)系瀝青半圓體瀝青瀝青焦焦炭