第二章燃烧及大气污染

1、第二章第二章 燃烧与大气污染燃烧与大气污染 第一节第一节 燃料与燃烧过程燃料与燃烧过程 第二节第二节 燃烧计算燃烧计算 第三节第三节 燃烧污染物的形成与控制燃烧污染物的形成与控制 重点：燃烧计算重点：燃烧计算 理论空气量、空气过剩系数；理论空气量、空气过剩系数； 烟气量；烟气量； 污染物排放量污染物排放量1. 燃燃 料料 的的 性性 质质 燃料的定义： 指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。 燃料的分类燃料的分类： （1）常规燃料常规燃料 如煤（coal）、石油(petroleum)、天然气(natural gas)等。 （2）非常规燃料非常规燃料 如如生物燃料、合成油等。生物燃料、合成

2、油等。 按物理状态又可分为：按物理状态又可分为： （1）固体燃料）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧；留下的固定炭以固态燃烧。 （2）液体燃料：）液体燃料：由蒸发过程控制，气态形式燃烧。 (3) 气态燃料气态燃料：由扩散或混合控制。几种常规燃料 一、煤 定义：定义：是一种复杂的物质聚集体。主要可燃成分是C、H及少量O、N、S等一起构成的有机聚合物。 性质：性质：煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。 分类：分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。 a.褐煤褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材结构。 特点：特点：

3、挥发分较高；燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。b.b.烟煤烟煤： 形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。条纹。 挥发分挥发分2045%，C7590%。成焦性。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。适宜工业使用。c.无烟煤： 碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。明显的黑色光泽，机械强度高。 C含量含量93%, 无机物量无机物量1 3空燃比（空燃比（AF） 定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质定义：单位质量燃料燃烧所需

4、的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。量，它可由燃烧方程直接求得。 4理论空气量的经验理论空气量的经验计算公式0aaVVa 例1：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）C：88.3%，H：9.5%，S：1.6%，灰分：0.10%，水分0.5%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。 解：以1kg重油燃烧为基础，则： 重量（g）摩尔数（mol）需氧(O2)量（mol）C88373.5873.58H9547.5以H2O计23.75S160.50.5H2O0.50.02780 理论需氧量为： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 假定空气中N2与O2的摩尔比为

5、3.76(体积比) 则，理论空气量为： mol/kg重油 即 Nm3/kg重油67.465176. 383.9743.1010004 .2267.4652-3 烟气体积及污染物排放量计算烟气体积及污染物排放量计算 一烟气体积计算一烟气体积计算 . . 理论烟气体积理论烟气体积 在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积理论烟气体积。以Vfg0表示，烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气。 干烟气干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气； 湿烟气湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。 Vfg0=V干烟气+V水蒸气 V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中+V理论空气量带入的2实际

6、烟气体积实际烟气体积 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va03.烟气体积和密度的校正烟气体积和密度的校正燃烧产生的烟气其燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（总高于标态（273K、1atm）故需换）故需换算成标态。算成标态。大多数烟气可视为理想气体，故可应用理想气体状态方程。大多数烟气可视为理想气体，故可应用理想气体状态方程。设观测状态下（设观测状态下（Ts、Ps）：烟气的体积为）：烟气的体积为Vs，密度为，密度为s标态下（标态下（TN、PN）：）： 烟气的体积为烟气的体积为VN，密度为，密度为N标态下体积为：标态下体积为：标态下密度为：标态下密度为：应指出，美国、日本和国际全球监测系

7、统网的标准态是应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1atm，在作数据比较时应注意。，在作数据比较时应注意。SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPP 4. 过剩空气较正过剩空气较正 因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气量之和。 用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。 空气过剩系数为 a= m过剩空气中O2的过剩系数 设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形式存在，燃烧产物用下标P表示，m1理论空气量实际空气量假设空气只有O2、N2，分别为21%、79%，则

8、空气中总氧量为(21/79)N2p=0.266N2p理论需氧量： 0.266N2P-O2P 所以 （燃烧完全时） 若燃烧不完全会产生CO，须校正。即从测得的过剩氧中减去CO氧化为CO2所需的O2 此时各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。5 标况下烟气量计算的经验式标况下烟气量计算的经验式PPPNOCONmOmC2222267.311PPPONOa222266. 01PPPPPCOONCOOa5 . 0266. 05 . 01222二污染物排放量的计算二污染物排放量的计算 例例2 对例1给定的重油，若燃料中硫转化为SOX（其中SO2占97%），试计算空气过剩系数a=1.20时烟气中SO2及S

9、O3的浓度，以x10-6表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以干烟气体积百分比干烟气体积百分比表示。 解：解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为： CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 SOX：0.5 NX： 理论烟气量：理论烟气量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=489.45mol/kg重油 即 10.96Nm3/kg重油 空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为： 10.96+(1.2-1)*10.43=13.05Nm3 其中10.43为理论空气量为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。76. 383.9776. 383.97

10、烟气中SO2的体积为 烟气中SO3的体积为 所以，烟气中SO2、SO3的浓度分别为： 25.75/835.25=3.1% KgNm/0109. 010004 .2297. 05 . 03KgNm/1036. 310004 .2203. 05 . 0346646-61075.251005.131036. 31025.8351005.130109. 032SOSOCC 当=1.2时，干烟气量为： CO2体积为： 所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为： KgNm/985.112 . 043.1010004 .220278. 05 .4745.4893重油KgNm/648.110004 .2258.

11、733%75.13100985.11648.1 例例3：已知某电厂烟气温度为473K，压力为96.93kPa，湿烟气量Q=10400m3/min，含水汽6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的质量流量为22.7kg/min。 （1） 污染物排放的质量速率（以t/d表示） （2） 污染物在烟气中浓度 （3） 烟气中空气过剩系数 （4）校正至空气过剩系数=1.8时污染物在烟气中的浓度。解：解：（1）污染物排放的质量流量为： （2）测定条件下的干空气量为： 测定状态下干烟气中污染物的浓度： 标态下的浓度： dtKgtdhhKg/7.32100

12、024min60min7.22min/97500625.01104003mQd36/2 .23281097507 .22mmgC3/0 .421727347393.9633.1012 .2328NmmgTTPPCCNNN （3）空气过剩系数： N2p=100-10.7-8.2=81.1 （4）校正至=1.8条件下的浓度：613. 12 . 81 .81268. 02 . 81268. 01222PPPONQ3/9 .37788 . 1613. 10 .42178 . 1NmmgCCC校实实校2-4 燃烧过程燃烧过程SOx的形成及控制的形成及控制 一、燃料中硫的氧化机理一、燃料中硫的氧化机理 燃

13、料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相当低，即使在贫燃料状态下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物(SO)2，还有少量一氧化二硫S2O。这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。 故一般主要生成一般主要生成SO2，计算时可忽略，计算时可忽略SO3。 二、二、SOx的控制的控制 1 1. .重油脱硫重油脱硫 重油脱硫常用的方法：在钼、钴和镍等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应，打断碳与硫的化合键，氢与硫作用形成H2S，从重油中分离出来。 重油脱硫的困难: (

14、1)要彻底加工燃料，破坏了原来的组织。 (2)产生新的产物：固、液、气态物。 2 燃料脱硫燃料脱硫 ） 煤炭的固态加工煤炭的固态加工 国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是： 炼焦煤：硫分1%，灰分68%； 动力煤：硫分0.51%，灰分1520%。 故原煤必经分选以除去煤中的矿物质。 目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低4090%的S）,此法对有机硫含量较大的煤还不能达到环保条例的要求。 正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等，多处于研究阶段，工业上应用的很少。 型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。 2） 煤炭

15、的转化煤炭的转化 煤炭的转化主要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。 A.煤的气化煤的气化 煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯托切克气化；“第二代”液态排渣气化、Hygas气化、Cogas气化等未商业化；“第三代”处于实验阶段的煤催化气化。 煤气主要是H2、CO、CH4等，硫以H2S形式存在。生产出煤气中H2S含量几百到几千mg/m3。 去除方法有干法、湿法。 B. 煤的液化煤的液化 直接液化 SRC-法 间接液化 鲁奈气化-弗托合成法 煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD，要求大规模水处理设施。 3. 煤

16、燃烧二氧化硫的控制煤燃烧二氧化硫的控制 分为燃前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫和煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫烟气脱硫被认为是最有效的脱硫方式。燃前脱硫燃前脱硫（1）跳汰选煤跳汰选煤 是各种密度、粒度和形状的物料在不断变化的流体中运动过程的选煤。属于物理选煤，主要利用煤中各种成分比例不同，而去除部分灰份和黄铁矿，不能去有机硫。（2）重介质选煤重介质选煤 采用磁铁矿和水配置的悬浮液作为选煤的介质，利用不同浮力进行选煤，属于物理方法。（3）浮选选煤浮选选煤 是气、液、固三相界面的分选过程，包括水中矿物颗粒粘附在气泡，然后上浮到煤浆表面。因为煤的湿润性较好而矿物的湿润性较差。（4）高梯度强磁分离煤脱硫

17、技术高梯度强磁分离煤脱硫技术 煤中有机硫为逆磁性而大部分无机硫为顺磁性，利用磁性不同分离。（5）微波辐射法微波辐射法 煤中黄铁矿的硫最容易吸收微波，有机硫次之，煤基质基本不吸收微波。微波吸收后削弱化学键，采用浸取液洗涤煤中硫，可以去无机硫，也可以去有机硫，目前在实验室状态。（6）化学处理法化学处理法 如在煤中加入碱溶液，在一定反应条件下，脱去无机和有机硫，但该工艺成本高，对煤质有一定影响，在工程上应用少。（7）生物脱硫生物脱硫 利用微生物破坏煤中无机硫和有机硫，可以达到经济、有效的脱硫，但目前的难点是找到能破坏煤中硫而不影响碳结构的高效菌种。国外准备进行半工业实验，国内目前处于起步阶段。（8）型煤固硫技术型煤固硫技术 将不同原料经过筛分按照一定比例配煤，粉碎后同经过预处理的粘结剂和固硫剂混合，经过机械设备成型与干燥，得到具有一定形状和成品的工业固硫型煤。固硫剂按照化学形态分为钙系、钠系及其他。 石灰石、大理石粉、电石渣是工业上较好的固硫剂，应用废液做粘结剂，如碱性纸浆黑液，也有一定的固硫作用。盐泥、糖泥、钙渣、烟道灰等可以作为粘结剂和脱硫剂。 型煤燃烧烟气中粉尘、二氧化硫、CO浓度及烟气黑度明显下降，但由于型煤增加了原煤成本