燃燒與大氣污染

燃燒與大氣污染第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要的大氣污染物：煙塵、NOx和SO2源于燃料燃燒燃料燃燒過程的基本原理；空氣量、煙氣量、污染物排放量等的計算污染物的生成機理；如何控制燃燒過程，以便減少污染物的排放量。本章主要內容第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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

燃料是指用以產生熱量或動力的可燃性物質，主要是含碳物質或碳氫化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、天然氣、發(fā)生爐煤氣等。第一節(jié)燃料第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）固體燃料—煤煤是最重要的固體燃料。它是由地質時代植物遺體堆積在大陸湖盆、沼澤盆地、封閉海灣等地方，經過復雜的生物化學和物理化學作用轉化而成的固體可燃礦產。根據煤化程度的不同，可分為褐煤、煙煤和無煙煤等。1、煤的基本分類第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的種類和性質煤的種類主要性質褐煤形成年代最短，呈黑色、褐色或泥土色，結構類似木材，揮發(fā)分較高，析出溫度較低，干燥后無灰的褐煤中碳的含量為60%-75%，氧含量為20%-25%，褐煤的水分和灰分含量都較高，燃燒熱值較低，不能用于制焦碳，易于破裂。煙煤形成歷史較褐煤更長，呈黑色，外形有可見條紋，揮發(fā)分含量為20%-45%，碳含量為75%-90%。煙煤的成焦性較強，且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，適于工業(yè)上的一般應用。無煙煤煤化時間最長，具有明亮的黑色光澤，機械強度高。碳的含量一般高于93%，無機物含量一般低于10%，著火困難，儲存時不穩(wěn)定，不易自燃，成焦性極差。第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月煤中硫的分類煤中硫的分類存在形態(tài)及主要性質硫化鐵硫主要代表為黃鐵礦硫，是煤中主要的含硫成分。黃鐵礦比矸石和煤重得多；本身雖無磁性但在磁場感應下能轉變?yōu)榇判晕镔|；和煤碳相比有不同的微波效應，吸收微波能力較強，據此可采用不同的物理和化學方法，把黃鐵礦從煤中脫除。有機硫原生有機硫來源于形成煤的植物蛋白質的原生質，一般蛋白質含硫量為5%，以各種不同形式的含硫雜環(huán)存在有機硫主要以噻吩、芳香基硫化物、環(huán)硫化物、脂肪族硫化物、二硫化物、硫醇等各種官能團形式存在，且與煤中有機硫構成復雜分子，不宜用一般重力分選的方法除去，需用化學方法進行脫硫。次生有機硫是由一種松懈的鍵與煤中有機物構成的有機聯(lián)系。在煤中分布不均勻，主要局限于黃鐵礦包裹體的周圍。硫酸鹽硫主要以鈣、鐵和錳的硫酸鹽形式存在，以石膏為主，也有少量綠礬（FeSO4.7H2O），在煤中含量較少。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月天然液體燃料—石油（原油）人工液體燃料—石油加工后的產品，包括汽油、煤油、柴油、重油等（二）液體燃料屬于較清潔燃料，熱值高且穩(wěn)定，燃燒產生的污染物較少（三）氣體燃料是防止大氣污染最理想的燃料，燃燒效率高，產生的污染物很少。主要有天然氣、液化石油氣、裂化石油氣、煤氣、高爐煤氣等第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月非常規(guī)燃料城市固體廢棄物；商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物；農業(yè)廢物及農村廢物；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；天然存在的含碳的和含量碳氫的資源；合成燃料第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月煤的組成及分析方法項目煤礦的組成分析測定方法工業(yè)分析水分外部水分稱取一定量的13mm以下粒度的煤樣，置于干燥箱內，在318K-323K溫度下干燥8h，取出冷卻，干燥后所失去的水分質量，占煤樣原質量的百分數就是煤礦的外部水分。內部水分將失去外部水分的煤樣繼續(xù)在375K-380K下干燥約2H，所失去水分質量占原來質量的百分數即為內部水分。灰分煤礦中不可燃礦物質的總稱，其含量和組成因煤種及粗加工的不同而異。揮發(fā)分系煤礦干餾時所釋放出的氣態(tài)可燃物質，將風干的煤樣在1200K的爐中加熱7分鐘而測定。固定碳從煤中扣除水分、灰分和揮發(fā)分后剩下的部分就是固定碳。元素分析碳和氫是通過燃燒后分析尾氣中二氧化碳和水分的生成量而測定。氮在催化劑作用下使煤中的氮轉化為氨，繼而用堿吸收，最后用酸滴定。硫將樣品放在氧化鎂和無水碳酸鈉的混合物上加熱，使硫化物轉變?yōu)榱蛩猁}，再以重量法測定硫酸鋇沉淀而測得。二、燃料的成分分析第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、燃料的發(fā)熱量指單位燃料完全燃燒后產生的熱量，單位為kJ/kg（固體、液體燃料）或kJ/m3（氣體燃料）。高位發(fā)熱量：包括燃料生成物中水蒸氣的汽化潛熱低位發(fā)熱量：燃燒產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。一般燃燒設備利用的熱量是低位發(fā)熱量WH,WW：燃料中氫和水分的質量百分數第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)燃料的燃燒一、燃燒過程燃燒是指可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨著能量（光和熱）的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成為相應的氧化物。燃燒產物

完全燃燒：CO2、H2O不完全燃燒：CO2、H2O&CO、黑煙及其他部分氧化產物如果燃料中含有S和N，則會生成SO2和NOx空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、燃燒的基本條件溫度條件（Temperature）：燃料只有達到著火溫度才能與氧化合燃燒。著火溫度是在氧存在下可燃物質開始燃燒所必須達到的最低溫度。著火溫度：固體<液體<氣體

溫度不僅影響燃燒速率，還影響產物的成分和數量?？諝鈼l件：需要充足的空氣；如果空氣供應不足，燃燒就不完全。但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月典型鍋爐熱損失與過?？諝饬康年P系第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月時間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時間應超過燃料燃燒所需時間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：混合條件即燃料與空氣的混合程度，一般取決于空氣的湍流度。若混合不充分，部分燃料在富燃條件下燃燒，將導致不完全燃燒產物的產生。對于固體燃料的燃燒，湍流有助于破壞燃燒產物在燃料表面形成的邊界層，從而提高表面反應的氧利用率，并使燃燒過程加速。通常把溫度、時間和湍流稱為燃燒過程的“三T”第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、燃料燃燒的理論空氣量建立燃燒方程式的假定：空氣組成21%O2和79%N2，體積比為：N2/O2=3.762參加反應的元素為C、H、S、O。燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2熱力型NOX生成量小，燃料中含N量也較低，均可忽略。燃料化學式為CxHySzOw，計算中氣體按理想氣體計算（一）理論空氣量

單位量燃料按燃燒反應計量方程式完全燃燒所需空氣量稱為理論空氣量，是燃料完全燃燒時所需的最小空氣量。由燃料的組成決定，可根據燃燒方程式計算求得。

第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月燃燒方程式：3.763.76理論空氣量的計算式對氣體燃料，按化學組分—氣體燃料燃燒理論空氣量，m3/（m3干燃氣）—i成分的體積分數第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月對氣體燃料，按元素組成計算—固、液體燃燒的理論空氣量，m3/（kg燃料）Wc,y等—燃料中碳等的質量分數（二）實際空氣量為使燃料完全燃燒，就必須供給過量的空氣。一般把超過理論空氣量多供給的空氣量稱為過?？諝饬?。并把實際空氣量Va與理論空氣量Va0之比定義為空氣過剩系數α，即第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）空燃比（AF）

指單位質量燃料燃燒所需要的空氣質量，可由燃燒方程式直接得到。例如甲烷在理論空氣量下的完全燃燒：CH4+2O2+7.52N2→CO2+2H2O+7.52N2其空燃比為第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月例：假定煤的化學組成以質量計為：C:77.2%，H:5.2%，N:1.2％，S:2.6%，O:5.9%，灰分:7.9%。試計算這種煤燃燒時的理論空氣量。解：首先確定煤的摩爾組成。設有1000g煤。g/1000g(煤)mol/1000g(煤)需氧量mol/1000g(煤)C772÷12＝64.364.3H52÷1＝5213N12÷14＝0.8570S26÷32＝0.8120.812O59÷16＝3.69-1.845灰分790第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月a=x+y/4+z-w/2=64.3+13+0.812-1.845=76.27mol1kg煤需要的理論氧氣量a為：按式（2-2）計算，則有：=8.881×0.772+3.329×0.026+26.457×0.052-3.333×0.059＝6.856+0.087+1.376-0.197＝8.12m3/kg第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、燃燒產生的污染物

燃料燃燒過程并不那么簡單，還有分解和其他的氧化、聚合過程。燃燒煙氣主要由懸浮的少量顆粒物、燃燒產物、未燃燒和部分燃燒的燃料、氧化劑以及惰性氣體（主要是N2）等組成。燃燒可能釋放出的污染物有：CO2、CO、SOx、NOx、炭黑、飛灰、金屬及其氧化物、金屬鹽類、醛、酮和稠環(huán)碳氫化合物等。這些都是有害物質，它們的形成與燃燒條件有關。第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月燃燒產物與溫度的關系：溫度對燃燒產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物也有影響第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月燃燒設備的熱損失排煙熱損失：煙溫升高12~15K，排煙熱損失增加1%。但煙溫過低會造成受熱面的酸腐蝕。不完全燃燒熱損失：化學不完全燃燒和機械不完全燃燒。散熱損失：由于設備管道溫度高于周圍空氣溫度造成熱損失。第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)燃燒過程污染物排放量計算

一、煙氣量計算（一）理論煙氣量在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積稱為理論煙氣體積。煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣，通常分為干煙氣（不含水蒸汽）和濕煙氣（含水蒸汽）。1、氣體燃料的理論煙氣量

理論干煙氣量理論濕煙氣量：見p28式（2-5）m3/m3干燃氣第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、固體和液體燃料

理論干煙氣量m3/kg燃料理論濕煙氣量：見p28式（2-7）（二）實際煙氣量的計算

實際煙氣量＝理論煙氣量＋過?？諝饬?/p>

Vf=Vf0+(α-1)Va0第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、污染物排放量計算

通過測定煙氣中污染物的濃度，根據實際排煙量，很容易計算污染物的排放量。但在很多情況下，需要根據同類燃燒設備的排污系數、燃料組成和燃燒狀態(tài)，預測煙氣量和污染物濃度。

第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月組分質量/g摩爾數/mol需氧量/mol產生煙氣量/molC85571.2571.2571.25（CO2）H11311328.2556.5（H2O）N20.1400.07（N2）S100.31250.31250.313（SO2）O201.25-0.625——練習

重油的成分分析如下：C：85.5%；H：11.3%；O：2.0%；S：1.0%；N：0.2%；計算：⑴理論空氣量和理論煙氣時；⑵干煙氣中的SO2及CO2最大濃度；⑶在空氣過剩10%條件下完全燃燒，產生的煙氣量。

解：按燃燒1kg重油計算第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月a=71.25+28.25+0.313-0.625=99.19mol干煙氣量為（501.1-56.5）＝444.6mol/kg重油＝9.96m3/kg重油（1）1kg重油需要的理論氧氣量a為：理論空氣量為4.76×99.19=472.1mol/kg煤＝10.58m3/kg重油第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月過?？諝饬繛?0.58×0.1=1.058m3/kg重油實際煙氣量=理論煙氣量+過?？諝饬?11.22+1.058=12.28m3/重油（3）在10%過?？諝庵腥紵海?）干煙氣中SO2濃度（體積比）：0.313/(444.6)=0.07%CO2濃度（體積比）：71.25/(444.6)=16.0%第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)燃燒過程中污染物的生成與控制

一、燃燒過程中硫氧化物的生成與控制1.單體硫的氧化2.硫化物的氧化3.有機硫化物的氧化上述可燃性硫在燃燒時主要生成SO2。只有1%至5%生成SO34.硫酸鹽硫不參與燃燒反應（一）硫氧化物的氧化機理

第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月控制燃燒產生的硫氧化物主要通過以下三個途徑:

燃燒前脫硫燃燒中脫硫燃燒后煙氣脫硫（二）硫氧化物的控制

第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、燃料脫硫燃燒前脫硫即對燃料進行脫硫，因此亦稱之為燃料脫硫。燃料在燃燒前脫硫，可以降低燃燒器改進、煙氣脫硫費用，減少設備腐蝕及灰渣處理量，還可回收部分硫資源。1）煤炭脫硫固型加工物理選煤：利用黃鐵礦硫和煤的密度不同而通過重力分選和水選將黃鐵礦硫和部分礦物質除去。這樣可使煤的含硫量降低40%，灰份降低70%左右。化學選煤技術：加氫脫硫、加氧脫硫、用堿液浸煤后用微波照射等。微生物方法：細菌脫硫第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月煤炭的轉化煤炭轉化煤液化一定溫度和壓力下，通過加入氣化劑將煤轉化為煤氣將煤轉化為液體燃料煤氣化煤的氣化—采用空氣、氧氣和水蒸氣作為氣化劑，在氣化爐內反應生成不同組分不同熱值的煤氣（H2、CO、CH4）。S主要以H2S形式進入煤氣，以濕法或干法脫除。煤的液化—通過化學加工（如直接催化加氫、熱解）轉化為液態(tài)烴燃料（如汽油、柴油等）或化工原料等。煤可用各種方法加氫使之液化，并使有機硫轉化為硫化氫，從而得到幾乎不含灰分和硫化物的清潔燃料。

第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）重油脫硫在催化劑（Mo-Co、Mo-Ni、W-Ni等）作用下通過高壓加氫反應，切斷碳與硫的化學鍵，使氫與硫作用形成H2S從重油中分離，并將其用吸收法除去。如RSR+2H2=2RH+H2S第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、燃燒過程脫硫（1）型煤技術型煤固硫的基本原理：將脫硫劑CaO和煤粉末混合，加上粘結劑（如瀝青、無硫紙漿黑液等）、催化劑，然后加壓成型。型煤燃燒時產生的SO2氣體遇到脫硫劑中的CaO就會發(fā)生脫硫反應。型煤燃燒時，可固硫50%，減少煙塵60%，并節(jié)煤10~15%。在我國，采用燃燒過程脫硫的技術主要有兩種——型煤固硫和流化燃燒脫硫技術第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅰ概述固體的流態(tài)化——把粒徑8mm以下的碎煤和脫硫劑加入燃燒室的床層中，從爐底鼓風使床層處于流化狀態(tài)。流化床燃燒過程中脫硫：采用石灰石和白云石作為脫硫劑。在燃燒過程中脫硫劑分解為石灰CaO，在氧化性氣氛下CaO與煙氣中的SO2和氧反應生成CaSO4。將燃燒產生的SO2在離開燃燒器之前被脫除，是比較有效的脫硫方法。當固體顆粒中有流體通過時，隨著流體速度逐漸增大，固體顆粒開始運動，當流速達到一定值時，固體顆粒之間的摩擦力與它們的重力相等，每個顆?？梢宰杂蛇\動，所有固體顆粒表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化。（2）流化床燃燒脫硫技術

第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月流化床燃燒脫硫第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅱ流化床脫硫的化學過程脫硫劑：石灰石（CaCO3）、白云石（CaCO3?MgCO3）爐內化學反應流化床燃燒方式為脫硫提供了理想的環(huán)境CaSO4的摩爾體積大于CaCO3，由于孔隙堵塞，CaO不可能完全轉化為CaSO4第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月流化床燃燒脫硫第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月ⅲ流化床燃燒脫硫的影響因素①鈣硫比表示脫硫劑用量的指標，影響最大的性能參數Ca/S比（R）對脫硫率（）的影響可用下式近似表達②煅燒溫度存在最佳脫硫溫度范圍（一般為800~850℃）溫度低時，孔隙量少、孔徑小，反應被限制在顆粒外表面溫度過高，CaCO3的燒結作用變得嚴重第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月鈣硫比及溫度的影響流化床脫硫效率與鈣硫摩爾比和床溫的關系第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度的影響a流化床脫硫效率與鈣硫摩爾比和床溫的關系b脫硫效率與流化速度的關系第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月③脫硫劑的顆粒尺寸和孔隙結構顆粒尺寸小于臨界尺寸時脫硫劑發(fā)生揚析，脫硫率仍是增加的，但綜合考慮，顆粒尺寸并非越小越好顆?？紫督Y構應有適當的孔徑大小，既保證一定孔隙容積，又保證孔道不易堵塞④脫硫劑的種類白云石的孔徑分布和低溫煅燒性能好，但易發(fā)生爆裂揚析，且用量大于石灰石近兩倍當氣流通過顆粒層時，一些終端速度小于床層表觀氣速的細顆粒將被上升氣流帶走，這一過程稱為揚析。第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、燃燒過程中氮氧化物的生成與控制（一）燃燒過程中氮氧化物生成的影響因素1、燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx研究表明，燃料中20%~80%的氮轉化為NOx，該機理是較低溫度下常見的氮氧化物生成機制2、熱力型NOx高溫下N2與O2反應生成的NOx低于1273K熱力型NOX生成量很小，高于1373K上是生成NOX的主要時機。溫度對熱力型NOX的生成具有決定作用。第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、瞬時型NOx低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx碳氫化合物燃燒時，分解成CH、CH2和C2等基團，與N2發(fā)生如下反應繼而與火焰中的O、OH基團反應生成NOx。瞬時型NOx主要產生于HC含量較高，氧濃度較低的富燃料區(qū)。多發(fā)生在內燃機的燃燒過程中。第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）燃燒過程中氮氧化物生成的控制技術控制NOx形成的因素空氣－燃料比燃燒區(qū)溫度及其分布后燃燒區(qū)的冷卻程度燃燒器形狀第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、低氧燃燒降低NOx的同時提高鍋爐熱效率但造成CO、HC、碳黑產生量增加第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、降低助燃空氣預熱溫度燃燒空氣由27oC預熱到315oC，NO排放量增加3倍第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、排煙再循環(huán)法將部分低溫煙氣與空氣混合，使火焰溫度及O2濃度降低，使NOx的生成受限。對熱力型NOx的降低有明顯效果。適用于含N量少的燃料。第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4、兩段燃燒法該法是燃燒過程中分兩次供給空氣第一段：供給的空氣量約為Va0的85~90%。一級燃燒區(qū)溫度降低，氧氣量不足，NOx生成量很小。第二段：第二次供給的空氣量約為Va0的10~15%。CO、HC完全燃燒，煙氣溫度低實驗表明：第一段過?？諝庀禂翟叫?，NOx的控制效果越好，但不完全燃燒產物增加。第二段主要完成未燃燃料和不完全燃燒產物的燃燒。第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、燃燒過程中顆粒污染物的形成與控制（一）碳粒子的生成與控制（1）積炭的生成—三階段理論：核化過程：氣相脫氫反應并產生凝聚相固體碳；核表面上發(fā)生非均質反應；較為緩慢的凝團和凝聚過程。1、積炭的生成及控制53燃燒過程中生成一些主要成分為碳的粒子，通常由氣相反應生成積炭，由液態(tài)烴燃料高溫分解產生的粒子都是結焦或煤胞第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）積炭的影響因素及控制：取決于核化步驟和氧化這些中間體的反應速率燃料的分子結構是影響積炭的主導因素；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??；積炭的生成與火焰的結構以及碳氫比的綜合作用有關。第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）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)結焦（石油焦—比積碳更硬的物質）；油滴蒸發(fā)后殘留的焦?！喊y以燃燒，其大小與油滴直徑相關；（2）控制控制壁面溫度可減