第02章 燃燒與大氣污染

第二章燃燒與大氣污染(1)(fuelandairpollution)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.其他污染物的形成第一節(jié)燃料的性質(zhì)(propertyoffuel)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

2.

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(dāng)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。

2.

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。2.

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。3.煤的分類和組成

煤的基本分類褐煤最低品位的煤，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，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3.煤的分類和組成

煤的成分分析工業(yè)分析（

proximateanalysis）測定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱值，是評價工業(yè)用煤的主要指標。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。3.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

固定碳失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的環(huán)境中灼燒到重量不再變化時，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳灰分：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3.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3.煤的分類和組成煤的元素分析元素分析使用化學(xué)方法測定去掉外部水分的煤中主要主分碳和氫：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3.煤的分類和組成煤中硫的形態(tài)3.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

空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實驗室內(nèi)進行燃料分析時的試樣成分

3.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3.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

4.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)熱量增加天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％4.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5.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

1.影響燃燒過程的主要因素燃燒過程及燃燒產(chǎn)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NOx1.影響燃燒過程的主要因素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1.影響燃燒過程的主要因素典型燃料的著火溫度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.影響燃燒過程的主要因素燃氣比和混合程度對燃燒產(chǎn)物的影響2.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）：C88.3%;H9.5%;S1.6%;H2O0.05%;灰分0.1.%。試確定燃燒1kg重油所需要的理論空氣量。解：以1kg為例，則重量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧摩爾數(shù)（mol）C88373.5873.58H9547.523.75S160.50.5H2O0.50.02780所以理論需氧摩爾數(shù)為73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg假定干空氣中氮和氧的摩爾比（體積比）為3.78，則1kg重油完全燃燒所需要的理論空氣量為

97.83*(3.78+1)=467.63mol/kg重油即467.63×（22.4/1000)＝10.47m3N/kg重油

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）：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)4.熱化學(xué)關(guān)系式燃燒熱損失與空燃比的關(guān)系第三節(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0.264N2P1.煙氣體積計算過剩空氣校正理論需氧量=0.264N2P-O2P，空氣過剩系數(shù)

=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃燒過程中產(chǎn)生CO，過剩氧量必須加以校正：O2P-0.5COP=1+（O2P-0.5COP

）/[0.264N2P-（O2P-0.5COP

）]

以上組分的量均可由煙氣分析儀測定。

2.污染物排放量計算方法：根據(jù)實測的污染物濃度和排煙量根據(jù)燃燒設(shè)備的排污系數(shù)、燃料組成和燃燒狀況預(yù)測煙氣量和污染物濃度2.污染物排放量計算例題：教材P47例2－4第二章燃燒與大氣污染(2)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.其他污染物的形成第四節(jié)燃燒過程中硫氧化物的形成

1.硫的氧化機理

有機硫的分解溫度較低無機硫的分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍色，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1.硫的氧化機理H2S的氧化1.硫的氧化機理元素S的氧化2.SO2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

2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO3生成速率

當(dāng)d[SO3]/dt=0時，SO3濃度達到最大在富燃料條件下，[O]濃度低得多，SO3的去除反應(yīng)主要為反應(yīng)（3），SO3的最大濃度：2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO3的轉(zhuǎn)化率/%第五節(jié)燃燒過程中顆粒物的形成1.碳粒子的生成積炭的生成核化過程：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)較為緩慢的聚團和凝聚過程燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)提高氧氣量可以防止積炭生成壓力越低則積炭的生成趨勢越小1.碳粒子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)系瀝青半園體瀝青瀝青焦焦炭

2.燃煤煙塵的形成煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒煤粉燃燒過程碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴散離開表面并與O2反應(yīng)生成CO2灰層碳層外擴散2.燃煤煙塵的形成煤粉燃燒過程理論上碳與氧的摩爾比近1.0時最易形成黑煙在預(yù)混火焰中，C/O大約為0.5時最易形成黑煙易燃燒又少出現(xiàn)黑煙的燃料順序為：無煙煤焦炭褐煤低揮發(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、氧氣濃度等有關(guān)2.燃煤煙塵的形成燃燒碳層中成分和溫度分布C/O摩爾比2.燃煤煙塵的形成高灰分燃料的擴散燃燒2.燃煤煙塵的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素2.燃煤煙塵的形成飛灰的形成過程2.燃煤煙塵的