第2章 燃燒與大氣污染1.ppt

1、第二章 燃燒與大氣污染(1),1. 燃料的性質(zhì) 2. 燃料的燃燒過(guò)程 3. 煙氣體積計(jì)算 4. 燃燒過(guò)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),1.燃料的分類(lèi),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,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)）,2. 燃料的化學(xué)組成,液態(tài)燃料的揮發(fā)（以汽油為例）,3. 燃料組成對(duì)燃燒的影響,碳：可燃元素。1 kg純碳完全燃燒時(shí)，放出32860 kJ的熱量。當(dāng)不完全燃燒生成CO時(shí)，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

2、氫、氮、硫等組成有機(jī)化合物。煤形成的地質(zhì)年代越長(zhǎng)，其揮發(fā)性成分含量越少，而含碳量則相對(duì)增加。例如，無(wú)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?xì)浠衔锏男问酱嬖冢? kg氫完全燃燒時(shí)能放出120500 kJ的熱量。,3. 燃料組成對(duì)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(jī)硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱(chēng)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(duì)燃燒的影響,水分：水

3、分的存在使燃料中可燃成分相對(duì)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102105C，保持2h后才能除掉。 灰分：是燃料中不可燃礦物質(zhì)，為燃料中有害成分。,4.煤的分類(lèi)和組成,煤的基本分類(lèi) 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(zhǎng)，碳含量75%90。成焦性較強(qiáng)，適宜工業(yè)一般應(yīng)用 無(wú)煙煤 煤化時(shí)間最長(zhǎng)，含碳量最高（高于93），成焦性差,發(fā)熱量大,4.煤的分類(lèi)和組成,煤的詳細(xì)分類(lèi),4.煤的分類(lèi)和組成,煤的成分分析 工業(yè)分析（ proximate analysis ） 測(cè)定煤中水分、揮發(fā)分、

4、灰分和固定碳。估測(cè)硫含量和熱值，是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)。 元素分析（ ultimate analysis ） 用化學(xué)分析的方法測(cè)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(lèi)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)318323K溫度下干燥8h，取出冷卻，稱(chēng)重 外部水分 將失去外部水分的煤樣保持在375380K下，約2h后，稱(chēng)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(chēng)重,4.煤的分類(lèi)和組成,煤的工業(yè)分析（續(xù)） 固定碳 失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）放在80020

5、C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： 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,4.煤的分類(lèi)和組成,煤中灰分的組成： 我國(guó)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(lèi)和組成,煤的元素分析 碳和氫：通過(guò)燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測(cè)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(wú)水硫酸鈉混合物反應(yīng)，S SO42-，滴定,4.煤的分類(lèi)和組成,煤中硫的形態(tài),4.煤的分類(lèi)和組成,煤的成分的表示方法 要確切說(shuō)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

6、：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,4.煤的分類(lèi)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(wú)灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分,4.煤的分類(lèi)和組成,煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系,4.煤的分類(lèi)和組成,我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果,4.煤的分類(lèi)和組成,我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果(續(xù)）,5.其他燃料,石油 液體燃料的主要來(lái)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

7、典型的氣體燃料 一般組成為甲烷85、乙烷10、丙烷3,5.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(zhuān)門(mén)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(wèn)題,6.燃料組成的表示方法: CxHySzOwNv,Sample（樣品含重）: C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and ash（灰）: 7.9% by weight. Determine the normalized m

8、olar composition. （決定標(biāo)準(zhǔn)摩爾組成） （元素）（含重） Element Wt % mol/100g mol/mol(碳) C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0.808 N 1.20 14 = 0.0857 6.43 = 0.013 S 2.60 32 = 0.0812 6.43 = 0.013 O 5.90 16 = 0.369 6.43 = 0.057 ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molC The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.

9、013O0.057 （標(biāo)準(zhǔn)摩爾組成）,燃料的最重要的兩個(gè)屬性,熱值 決定燃料的消耗量 雜質(zhì) 污染物產(chǎn)生的來(lái)源,第二節(jié) 燃料燃燒過(guò)程,1.影響燃燒過(guò)程的主要因素 燃燒過(guò)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(huì)生成SO2和NO 空氣中的部分N可能被氧化成NO熱力型NOx,1.影響燃燒過(guò)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(guò)大，會(huì)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(guò)燃料燃燒所需時(shí)間

10、 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(guò)程的主要因素,典型燃料的著火溫度,1.影響燃燒過(guò)程的主要因素,燃燒火焰溫度與燃料混合比的關(guān)系（以CH4為例）,1.影響燃燒過(guò)程的主要因素,典型鍋爐熱損失與過(guò)?？諝饬康年P(guān)系,1.影響燃燒過(guò)程的主要因素,燃?xì)獗群突旌铣潭葘?duì)燃燒產(chǎn)物的影響,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(shí)轉(zhuǎn)化為N2 燃料的化學(xué)式為CxHySzOw,2.燃料燃燒的理

11、論空氣量,燃燒方程式： 燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w 理論空氣量： 煤 47 m3/kg，液體燃料1011 m3/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(guò)剩系數(shù) 實(shí)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(guò)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=15.11,3.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,燃燒可能釋放的污染物： CO2、CO、S

12、Ox、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等 溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物的絕對(duì)量和相對(duì)量都有影響 燃料種類(lèi)和燃燒方式對(duì)燃燒產(chǎn)物也有影響,3.燃燒過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的污染物,燃料種類(lèi)對(duì)燃燒產(chǎn)物的影響（以1000MW電站為例）：,3.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,典型固態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物：,3.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,典型液態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物：,3.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,典型氣態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物：,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(kāi)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/kg or kcal/kg） 高位發(fā)熱量：包括燃燒生成物

13、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(shí)，完全燃燒過(guò)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(shí)，熱損失最小值出現(xiàn)在空氣過(guò)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(jì)算,1.煙氣體積計(jì)算 理論煙氣體積 CO2、SO2、N2和H2O 干煙氣、標(biāo)準(zhǔn)干煙氣、濕煙氣 煙氣體積和密度的校正 轉(zhuǎn)化為標(biāo)態(tài)下（273K、1atm）的體積和密度 注意：美、日和全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)的標(biāo)態(tài)為298K、1atm。,1.煙氣體積計(jì)算,過(guò)剩空氣校正 實(shí)際空

14、氣量 = （1+ ）（O2 + 3.78N2） 完全燃燒：與理論空氣量相比多（O2+ 3.78N2） 此時(shí)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(jìn)入燃燒系統(tǒng)的空氣總氧量為 0.264N2P,1.煙氣體積計(jì)算,過(guò)?？諝庑Ｕ?理論需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空氣過(guò)剩系數(shù) = 1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ） 假如燃燒過(guò)程中產(chǎn)生CO，過(guò)剩氧量必須加以校正： O2P - 0.5 COP = 1 + （ O2P - 0.5 COP ）/ 0.264 N2P - （ O2P - 0.5 COP ） 以上組分的量均可由煙氣分析儀測(cè)定。,2.污染物排放量計(jì)算,方法： 根據(jù)實(shí)