第二章 燃燒與大氣污染

第二章燃燒與大氣污染第1頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§1.燃料的性質(zhì)

燃料的定義：

指燃燒過程中能放出熱量，且經(jīng)濟(jì)上可行的物質(zhì)。

第2頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三燃料的分類：

（1）常規(guī)燃料如煤（coal）、石油(petroleum)、天然氣(rudegas)等。

（2）非常規(guī)燃料按物理狀態(tài)又可分為：

（1）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：由蒸發(fā)過程控制，氣態(tài)形式燃燒。

(3)

氣態(tài)燃料：由擴(kuò)散或混合控制。第3頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三幾種常規(guī)燃料

一、煤定義：是一種復(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)：煤中有機(jī)成分和無機(jī)成分的含量因種類、產(chǎn)地不同而異。第4頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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：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)：①揮發(fā)分較高；②燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量60—75%，O2含量20—25%。第5頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三b.煙煤：形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見條紋。揮發(fā)分20—45%，C75—90%。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.無煙煤：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%,無機(jī)物量<10%,著火難，不易自燃，成焦性差。第6頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.

煤的組成煤的組成按測(cè)定方法分為工業(yè)分析、元素分析兩大類。

a.工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、S含量、熱值。b.元素分析：用化學(xué)法測(cè)定的去除掉外部水分的主要組分。C、H、N、S、O等。第7頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三C.煤的成分的表示方法

要確切說明煤的特性，必須同時(shí)指明百分比的基準(zhǔn)，常用的基準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時(shí)的試樣成分。

第8頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三干燥基：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。第9頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.

煤中硫的形態(tài)(Pyrite)(Marcasite)FeAsS

(Arsenopyrite)第10頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黃鐵礦(愚人金)：

具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。成分相同而屬于正交（斜方）晶系的稱為白鐵礦。一般將黃鐵礦作為生產(chǎn)硫磺和硫酸的原料，而不是用作提煉鐵的原料，因?yàn)樘釤掕F有更好的鐵礦石。

第11頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三白鐵礦：白鐵礦往往呈雞冠狀或束狀，因此它還被稱為雞冠狀黃鐵礦或矛狀黃鐵礦。第12頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三砷黃鐵礦(毒砂)：

中國(guó)從毒砂（舊稱白砒石）中制取砒霜（As2O3）歷史悠久。單斜或三斜晶系。晶體呈柱狀，集合體成粒狀或致密塊狀。錫白色，金屬光澤。敲擊時(shí)發(fā)出蒜臭味。

第13頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三a.硫酸鹽硫:硫酸鹽硫在燃燒時(shí)不參加燃燒，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它形態(tài)的硫能燃燒放出熱量。通常所說的SOx污染物不包括MeSO4。b.硫化鐵硫：是主要的含硫成分，常見形態(tài)是黃鐵礦硫。黃鐵礦：硬度6—6.5,比重4.7—5.2本無磁性，但在強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)下能轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕铮瘴⒉芰^強(qiáng)，據(jù)此，可把其從煤中脫除。c.有機(jī)硫：以各種官能團(tuán)形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分選的方法除去，需采用化學(xué)方法脫硫。第14頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、石油

石油

是液體燃料的主要來源。原油是天然存在的易流動(dòng)液體。比重0.78—1.00

主要含C、H及少量的S、N、O，此外，含有微量金屬（釩、鎳）、砷、鉛、氯等，10ppm左右。

原油中的硫大部分以有機(jī)硫形式存在，形成非碳?xì)浠衔锏木薮蠓肿訄F(tuán)，其含硫量變化范圍較大，一般為0.1—7%。原油通過蒸餾、裂化和重整過程生產(chǎn)出各種產(chǎn)品。原油中的S約有80—90%留于重餾分中。硫以復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在，而需去除的僅是硫原子，故不能用物理方法分離硫化物。采用高壓下的催化加氫破壞C—S—C鍵形成H2S氣體，可達(dá)目的，但費(fèi)用很高。第15頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

三、天然氣

一般組成為CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外還有H2O、CO2、N2、He、H2S等。第16頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2-2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2．燃料完全燃燒的條件3．發(fā)熱量及熱損失4.燃燒產(chǎn)生的污染物

第17頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．燃燒過程及燃燒產(chǎn)物

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。多數(shù)化石燃料完全燃燒的產(chǎn)物是CO2、水蒸汽；不完全燃燒過程將產(chǎn)生黑煙、CO和其它部分氧化產(chǎn)物等。若燃料中含S、N，則會(huì)生成SO2和NOx，燃燒溫度較高時(shí)，空氣中的部分氮會(huì)被氧化成NOx。

FuelNOx(燃料型NOx)——燃料中的N；NOx生成量

ThermalNOx(熱力型NOx)——高溫時(shí)空氣中的N。第18頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．燃料完全燃燒的條件燃料完全燃燒的條件是適量的空氣、足夠的溫度、必要的燃燒時(shí)間、燃料與空氣的充分混合(湍流)。（1）

空氣條件：按燃燒不同階段供給相適應(yīng)的空氣量。（2）

溫度條件：只有達(dá)到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。第19頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）

時(shí)間條件：燃料在燃燒室中的停留時(shí)間是影響燃燒完全程度的另一基本因素。燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)超過燃料燃燒所需時(shí)間。（4）

燃燒與空氣的混合條件：燃料與空氣中氧的充分混合是有效燃燒的基本條件。在大氣污染物排放量最低條件下,實(shí)現(xiàn)有效燃燒的四個(gè)因素：空氣與燃料之比、溫度、時(shí)間、湍流度(三T)

。第20頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．發(fā)熱量及熱損失（1）

發(fā)熱量單位燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量。即反應(yīng)物開始狀態(tài)和反應(yīng)物終了狀態(tài)相同情況下（常溫298K,101325Pa）的熱量變化值，稱為燃料的發(fā)熱量，單位是KJ/Kg（固體），KJ/m3(氣體)。發(fā)熱量有高位、低位之分。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。Q1發(fā)熱量可用氧彈式量熱計(jì)測(cè)定，也可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。第21頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）

熱損失

排煙熱損失：熱損失為6—12%。

不完全燃燒熱損失：化學(xué)不完全燃燒、機(jī)械不完全燃燒。

散熱損失：由于設(shè)備管道溫度高于周圍空氣溫度造成熱損失。第22頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．

燃燒產(chǎn)生的污染物硫氧化物SOx：隨溫度變化不大，主要是煤中S。粉塵：隨燃燒溫度而變化(增高、不變、降低均有變化)。CO及HC化合物：隨燃燒溫度而變化(增高、不變、降低均有變化)。NOx：隨燃燒溫度而變化(增高、不變、降低均有變化)。第23頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、燃料燃燒的理論空氣量1．理論空氣量（Va0）

單位量燃料按燃燒反應(yīng)方程式完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。理論空氣量獲得:（1）可由燃燒反應(yīng)方程式（2）經(jīng)驗(yàn)公式（由熱值）

固體燃料液體燃料氣體燃料天然氣第24頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三建立燃燒化學(xué)方程式時(shí)，假定：1.空氣僅由N2和O2組成，其體積比為79/21=3.76；２.

燃料中的固態(tài)氧可用于燃燒；３.燃料中的硫被氧化成SO2；４.計(jì)算理論空氣量時(shí)忽略NOX的生成量；５.燃料的化學(xué)式為CxHySzOw，其中下標(biāo)x、y、z、w分別代表C、H、S、O的原子數(shù)。第25頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式：第26頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三理論空氣量：

第27頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

3.6~6.0褐煤一般煤的理論空氣量7.5~8.5無煙煤

9~10煙煤液體燃料（燃料油）的

干:8.84~9.01天然氣濕：11.4~12.1第28頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．空氣過剩系數(shù)a實(shí)際空氣量Va與理論空氣量Va0之比為空氣過剩系數(shù)a：通常a>13．空燃比（AF）定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量燃料燃燒所需的空氣質(zhì)量，它可由燃燒方程直接求得。4．理論空氣量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式第29頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例1：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：88.3%，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(chǔ)，則：第30頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

重量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧(O2)量（mol）C88373.5873.58H9547.5以H2O計(jì)23.75S160.50.5H2O0.50.02780第31頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/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重油第32頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2-3煙氣體積及污染物排放量計(jì)算一．煙氣體積計(jì)算１.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理論空氣量帶入的第33頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．實(shí)際煙氣體積Vfg

Vfg=Vfg0+(a-1)Va03.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)煙氣可視為理想氣體，故可應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程。設(shè)觀測(cè)狀態(tài)下（Ts、Ps）：煙氣的體積為Vs，密度為ρs標(biāo)態(tài)下（TN、PN）：煙氣的體積為VN，密度為ρN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)注意。第34頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.過?？諝廨^正因?yàn)閷?shí)際燃燒過程是有過?？諝獾?，所以燃燒過程中的實(shí)際煙氣體積應(yīng)為理論煙氣體積與過?？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剩系數(shù)?？諝膺^剩系數(shù)為a=m-----過?？諝庵蠴2的過剩系數(shù)設(shè)燃燒是完全燃燒，過?？諝庵械难踔灰設(shè)2形式存在，燃燒產(chǎn)物用下標(biāo)P表示，第35頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三假設(shè)空氣只有O2、N2，分別為21%、79%，則空氣中總氧量為(21/79)N2p=0.266N2p理論需氧量：0.266N2P-O2P所以（燃燒完全時(shí)）

若燃燒不完全會(huì)產(chǎn)生CO，須校正。即從測(cè)得的過剩氧中減去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)。5．

標(biāo)況下煙氣量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)式第36頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二．污染物排放量的計(jì)算例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)算空氣過剩系數(shù)a=1.20時(shí)煙氣中SO2及SO3的濃度，以x×10-6表示，并計(jì)算此時(shí)煙氣中CO2的含量，以干煙氣體積百分比表示。第37頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三解：由例1可知，理論空氣量條件下煙氣組成（mol）為：CO2：73.58H2O：47.5+0.0278SOX：0.5NX：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(shù)a=1.2時(shí)，實(shí)際煙氣量為：10.96+(1.2-1)*10.43=13.05Nm3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。第38頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三煙氣中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%第39頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)α=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：

第40頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例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）

煙氣中空氣過剩系數(shù)（4）校正至空氣過剩系數(shù)α=1.8時(shí)污染物在煙氣中的濃度。第41頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三解：（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：

第42頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）空氣過剩系數(shù)：N2p=100-10.7-8.2=81.1（4）校正至α=1.8條件下的濃度：第43頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2-4燃燒過程SOx的形成及控制一、燃料中硫的氧化機(jī)理

燃料中的硫在燃燒過程中與氧反應(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)。故一般主要生成SO2,計(jì)算時(shí)可忽略SO3。第44頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、SOx的控制1.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(yīng)，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:(1)要徹底加工燃料，破壞了原來的組織。

(2)產(chǎn)生新的產(chǎn)物：固、液、氣態(tài)物。第45頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．

燃料脫硫１）

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6~8%；動(dòng)力煤：硫分0.5~1%，灰分15~20%。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40~90%的S）,此法對(duì)有機(jī)硫含量較大的煤還不能達(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。

第46頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2）

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?、使煤轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩稳剂?。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，硫以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、濕法。B.

煤的液化直接液化SRC-Ⅱ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。

第47頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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)化過程中脫硫，其中煙氣脫硫被認(rèn)為是最有效的脫硫方式。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(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