3.第二章燃燒與大氣污染2.ppt

1、北京城市學(xué)院 2011年7月,第二章 燃燒與大氣污染,第二章 燃燒與大氣污染,1. 燃料的性質(zhì) 2. 燃料的燃燒過程 3. 煙氣體積計(jì)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(jī)理 有機(jī)硫的分解溫度較低 無機(jī)硫的分解速度較慢 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,1.硫的氧化機(jī)理,H2S的氧化,階段一,階段二,階段三,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,OH濃度最大 SO2濃度最終值,H濃度最大 H2O濃度最終值,1.硫的氧化機(jī)理,CS2和COS的氧化 CS

2、2的氧化,起始反應(yīng),COS生成反應(yīng)，中間體,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,CS2和COS的氧化 COS的氧化-可燃性很差,1.硫的氧化機(jī)理,光解誘發(fā)反應(yīng),COS火焰一區(qū)：產(chǎn)生CO和SO2,CO + O CO2 CO + O2 CO2 + O,COS火焰二區(qū)：CO轉(zhuǎn)化為CO2,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,1.硫的氧化機(jī)理,元素S的氧化,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,SO3百分比 比通常情況大得多,1.硫的氧化機(jī)理,有機(jī)硫化物的氧化,二硫化物,硫醇,二氧化硫,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,2. SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化,反應(yīng)方程式 SO2 + O + M SO3 + M （1）

3、SO3 + O SO2 + O2 （2） SO3 + H SO2 + OH （3） SO3 + M SO2 + 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,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,SO3生成速率 當(dāng)dSO3 /dt = 0 時(shí)，SO3濃度達(dá)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,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,2. SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化,燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結(jié)合生成H2SO4，轉(zhuǎn)化率: 轉(zhuǎn)化率與溫度密切相關(guān) H2SO4濃度越高，酸露點(diǎn)越高 煙氣露

4、點(diǎn)升高極易引起管道和空氣凈化設(shè)施的腐蝕,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,2. SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化,第四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,1.碳粒子的生成 積碳：氣態(tài)燃料生成；石油焦和煤胞：液態(tài)燃料生成 積碳的生成 積炭的生成的三個(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 影響因素： 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

5、解，出現(xiàn)結(jié)焦 多組分重殘油的燃燒后期會(huì)生成煤胞，難以燃燒。 煤胞焦粒生成反應(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,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,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(kuò)散離開表面并與O2反應(yīng),第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,碳層表面生成的是CO,碳層,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO

6、,CO,CO2離散核表面方向擴(kuò)散,CO2向核表面方向擴(kuò)散,碳層表面發(fā)生反應(yīng)：CO2+C=CO,因此，碳主要消耗在使CO2還原成CO上,煤粉燃燒過程,燃燒條件非常理想，煤可以完全燃燒，即生成CO2+灰分； 燃燒條件不夠理想，煤燃燒不好，同時(shí)熱解，生成環(huán)狀化合物，冒黑煙 因此燃燒過程中的燃料與空氣的摩爾數(shù)比值直接影響到生成物質(zhì)的類型。,煤粉燃燒過程 理論上碳與氧的摩爾比1.0時(shí)易形成黑煙； 實(shí)踐證明碳與氧的摩爾比接近1.0時(shí)易形成黑煙； 在預(yù)混火焰中，C/O大約為0.5時(shí)最易形成黑煙； 出現(xiàn)黑煙的燃料順序?yàn)椋簾o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(shí)間與粒子的初始直徑、表面溫

7、度、氧氣濃度等有關(guān)。,2. 燃煤煙塵的形成,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,燃燒碳層中成分和溫度分析,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,黑煙形成的化學(xué)過程,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,高灰分燃料的擴(kuò)散燃燒,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,飛灰的形成過程,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素 煤質(zhì) 燃燒方式 煙氣流速 爐排和爐膛的熱負(fù)荷 鍋爐運(yùn)行負(fù)荷

8、 鍋爐結(jié)構(gòu),第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素煤質(zhì),第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素燃燒方式,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,幾種燃燒方式的煙塵百分比,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,2. 燃煤煙塵的形成,影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素?zé)嶝?fù)荷,第五節(jié) 燃燒過程中顆粒物的形成,熱負(fù)荷：每平方米爐排面積上每

9、小時(shí)燃料燃燒所釋放出來的熱量,鍋爐運(yùn)行負(fù)荷：指鍋爐每小時(shí)蒸發(fā)量與該鍋爐額定蒸發(fā)量的百分比,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,1.有機(jī)污染物的形成 形成歷程 鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔 延長乙炔的鏈形成各種不飽和基 不飽和基進(jìn)一步脫氫形成聚乙炔 不飽和基通過環(huán)化反應(yīng)形成C6C2型芳香族化合物 C6C2基逐步合成為多環(huán)有機(jī)物,1.有機(jī)污染物的形成,比較活潑的碳?xì)浠衔锟赡苁钱a(chǎn)生光化學(xué)煙霧的直接原因 碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān) 燃料中高分子碳?xì)浠衔餄舛扰c多核有機(jī)化合物(POM)排放水平具有相關(guān)性 高空燃比和高燃燒溫度可降低有機(jī)物的排放，但不利于NOx的控制 同時(shí)減少CH和NOx的排

10、放需要仔細(xì)控制混合的型式、溫度水平和整個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間(“三T”),第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,2. CO的形成,CO是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種 CO的全球排放量為200t/a 燃料中的碳都先形成CO，然后進(jìn)一步氧化 控制CO的排放在于努力氧化CO，而不是企圖阻止它的形成 在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時(shí)間足夠長，可以降低CO含量 CO的形成和破壞都由動(dòng)力學(xué)控制，反應(yīng)路線： RH R RCHO RCO CO CO2,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,2. CO的形成,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,3. Hg的形成與排放,Hg對人的腎和神經(jīng)系統(tǒng)有危害 煤碳燃燒是Hg

11、的一大來源 煤中Hg的析出率與燃燒條件有關(guān) 燃燒溫度900oC時(shí)，析出率90 還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛 Hg排放控制是燃煤污染控制的新課題之一,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,4. NOx的形成（自學(xué)）,NOx的形成機(jī)理 燃料型NOx: 燃料中的固定氮生成的NOx 熱力型NOx： 高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx 瞬時(shí)NOx：低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,4. NOx的形成,熱力型NOx的形成 產(chǎn)生NO和NO2的兩個(gè)重要反應(yīng) 上述反應(yīng)的化學(xué)平衡受溫度和反應(yīng)物化學(xué)組成的影響 平衡時(shí)NO濃度隨溫度升高迅速增加,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染

12、物的形成,熱力型NOx的形成,平衡常數(shù)和平衡濃度,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,平衡常數(shù)和平衡濃度,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,上述數(shù)據(jù)說明： 室溫條件下，幾乎沒有NO和NO2生成，并且所有的NO都轉(zhuǎn)化為NO2 800K左右，NO與NO2生成量仍然很小，但NO生成量已經(jīng)超過NO2 常規(guī)燃燒溫度（1500K)下，有可觀的NO生成，但NO量仍然很小,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,煙氣冷卻過程中，根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，NOx應(yīng)主要以NO2的形式存在，但實(shí)際9095的NOx以NO的形式存在，主要原因在于動(dòng)力學(xué)控制 NO/NOx

13、Ratio boilervehicles nature gas0.9-1.0 internal comb. engine 0.99-1.0 coal0.95-1.0 6# fuel oil0.96-1.0 diesel engine0.77-1.0,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,熱力型NOx形成的動(dòng)力學(xué)澤利多維奇(Zeldovich)模型 NO生成的總速率,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,假定N原子的濃度保持不變 得到 由式(4)(5)可得,(k4/k-4)(k5/k-5) = (NOe2/N2O2)=Kp,NO,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,代入6式得,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,假定O原子的濃度等于1/2O2O平衡時(shí)的平衡值Oe，則 最終得,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,積分得NO的形成分?jǐn)?shù)與時(shí)間t之間的關(guān)系,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,熱力型NOx的形成,第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,瞬時(shí)NOx的形成,碳?xì)浠衔锶紵龝r(shí)，分解成CH、CH2和C2等基團(tuán)，與N2發(fā)生如下反應(yīng)