大气污染第02章_燃烧与大气污染.ppt

第二章 燃烧与大气污染(2) 1. 燃料的性质 2. 燃料的燃烧过程 3. 烟气体积计算 4. 燃烧过程中硫氧化物的形成 5. 颗粒污染物的形成 6. 其他污染物的形成 第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成 一、燃烧中硫的氧化机理 燃料中硫氧化物的形成可以分成燃料 硫氧化到 SO2，SO2 氧化到 SO3 和 SO3 氧化生成硫酸三个步骤。 n燃料燃烧过程中，有机硫和无机硫 首先分解出含硫化合H2S， CS2 ， COS，元素硫和含硫有机物。 H2S 的氧化包括直接氧化，生成OH和生 成水三个阶段，第二个阶段决SO2 的浓度； CS2 ，COS，元素硫通过 链反应被氧化。含硫有机物通过分 解、取代和氧化被转化为SO2。 第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成 有机硫的分解温度较低 无机硫的分解速度较慢 含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，由于反应： 在所有的情况下，它都作为一种重要的反应中间体 1.硫的氧化机理 H2S的氧化反应方程式 H2S的直接氧化 生成OH 生成水 SO , OHmax,SO2 max 二. SO2和SO3之间的转化 n反应方程式 n低浓度的SO3通过反应（1）产生于燃烧过程中。 nSO2 + O + M SO3 + M （1） nSO3 + O SO2 + O2 （2） nSO3 + H SO2 + OH （3） nSO3 + M SO2 + O + M （4） n nSO3主要在贫燃条件下产生， SO2约占硫氧化物的95% 。受热面和金属氧化物的催化作用可以大大提高S03的 浓度。 2. SO2和SO3之间的转化 nSO3生成速率 n当dSO3 /dt = 0 时，SO3浓度达到最大 n在富燃料条件下，O浓度低得多，SO3的去除反应主要为 反应（3）， SO3的最大浓度： 2. SO2和SO3之间的转化 n燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4， 转化率: n转化率与温度密切相关 nH2SO4浓度越高，酸露点越高 n烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀 2. SO2和SO3之间的转化 SO3的转化率/% n燃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 。这这些产产物化学反应应能力强，所以仅仅在各种氧化 反应应中以中间间体形式出现现。 n燃烧时, 故一般主要生成SO2,计计算时时可忽略SO3。 n二、SOx的控制 n1、重油脱硫 n 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，加断碳与硫的化合键，以氢置换出碳， 同时氢与硫作用形成H2S，从重油中分离出来 。 n n重油脱硫的困难: n (1)要彻底加工燃料，破坏了原来的组织 。 n （2）产生新的产物：固、液、气态物。 n n n2 燃料脱硫 n） 煤炭的固态加工 n 国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是 ： n 炼焦煤：硫分2200，强烈的湍流作用，但分子扩散 仍然起作用 扩散火焰中，碳的生成按如下顺序： 芳香烃炔烃烯烃烷烃 而在预混火焰中则是 萘苯醇烃烯醛炔 1. 碳粒子的生成 n乙炔火焰中生碳反应过程 1. 碳粒子的生成 n石油焦和煤胞的生成 燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液 相裂化和高温分解，出现结焦 多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。 焦粒生成反应的顺序：烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环系 沥青 半园体沥青 沥青焦 焦炭 煤胞是重油燃料液滴燃烧后期生成的一种焦粒，难以继续 燃烧。煤胞为微小空心的球形粒子，其大小与油滴的直径 成正比，一般为 10-300 m。 2. 燃煤烟尘的形成 n烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括： 黑烟：未燃尽的碳粒，煤粉燃烧时，碳粒表面温度和 氧含量相对较低。如果燃烧不够理想，煤粉在高温下 发生热解作用，产生多环化合物，这样就会冒黑烟。 飞灰：不可燃矿物质微粒，煤粉燃烧时，灰层中的部 分灰分被气流裹胁，最终以飞灰形式排放。理想的燃 烧条件下，几乎不产生黑烟，因此燃煤烟气产生的烟 尘主要成分是飞灰。 决定煤燃烧过程性能的是残留下来的固体部分，即碳的表面燃烧 速率决定煤的燃烧性能。 靠近碳表面的燃烧产物是CO,它扩散离开表面，与O2反应生成CO2 ，CO2向碳表面或离开表面2个方向扩散，当其到达碳表面时： CO2+CCO 所以，实际 到达C表面的O2很少，碳主要消耗在使CO2还原成CO 煤粉燃烧过程 2. 燃煤烟尘的形成 灰 层 碳层 外扩散 n碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应 2. 燃煤烟尘的形成 n煤粉燃烧过程 理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟 在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟 易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤 焦炭 褐 煤 低挥发分烟煤 高灰发分烟煤 碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气 浓度等有关 2. 燃煤烟尘的形成 n燃烧碳层中成分和温度分布 2. 燃煤烟尘的形成 n黑烟形成的化学过程 裂片反应 缩合反应 脂肪类化合物 2. 燃煤烟尘的形成 n灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素 2. 燃煤烟尘的形成 n飞灰的形成过程 凝固/熔化 团块 聚结 2. 燃煤烟尘的形成 n影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素 煤质：灰分越高，含水量越少，则排尘浓度越高。 燃烧方式 烟气流速：自然引风锅炉，烟气流速越低，排尘浓度越低。对 于机械引风锅炉，若不合理控制风量，引风带尘的浓度将提高 。 炉排和炉膛的热负荷：炉排热负荷增大，灰分被气流带走，如 果炉膛热负荷增大，燃料不能充分燃烧，未燃尽的气体将会以 黑烟排走。 锅炉运行负荷：锅炉负荷越高，燃煤量增大，烟气量增大，排 尘浓度就会增大。 锅炉结构 2. 燃煤烟尘的形成 n几种燃烧方式的烟尘颗粒概况 2. 燃煤烟尘的形成 n影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质 2. 燃煤烟尘的形成 n燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响 2. 燃煤烟尘的形成 n几种燃烧方式的烟尘百分比 2. 燃煤烟尘的形成 n几种燃烧方式的烟尘颗粒概况 n火电厂大气污染物排放标准 v本标准将火电厂按年限划分为以下三个时段： v时段1992年8月1日之前建成投产或初步设计已通过审 查批准的新、扩、改建火电厂； v时段1992年8月1日起至1996年12月31日期间环境影响 报告书通过审查批准的新、扩、改建火电厂，包括1992年8 月1日之前环境影响报告书通过审查批准、初步设计待审查 批准的新、扩、改建火电厂； v时段1997年1月1日起环境影响报告书待审查批准的新 、扩、改建火电厂 大气污染物排放标准 火电厂大气污染物排放标准 分类烟尘最高允许排 放浓度（mg/m3） 在县及县以上城镇规划区内的火电厂 锅炉 200 在县规划区以外地区的火电厂锅炉500 第I时段的在县及县以上城镇规划区内 、1997年1月1日后还有10年及以上剩 余寿命的火电厂锅炉 600 第时段的火电厂锅炉最高允许烟尘排放浓度 火电厂大气污染物排放标准 第时段火电厂各烟囱SO2最高允许排放浓度 燃料收到基硫分 （） 1.01.0 最高允许排放浓 度（mg/m3） 21001200 锅炉额定蒸发量煤粉锅炉 液态排渣固态排渣 1000t/h1000650 第时段的火电厂锅炉氮氧化物最高允许排放浓度（mg/m3） 2. 燃煤烟尘的形成 n影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素运行负荷 第六节 燃烧过程中其他污染物的形成 1.有机污染物的形成 有机污染物，常常指未燃尽的碳氢化合物，是燃料不完全燃烧 的 产物。 燃烧过程中碳氢化合物通过链式反应进行热分解，在简 单 燃烧的火焰后区形成复杂的碳氢化合物。 n形成历程 链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔 延长乙炔的链形成各种不饱和基 不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔 不饱和基通过环化反应形成C6C2型芳香族化合物 C6C2基逐步合成为多环有机物 不完全燃烧可以产生有机污染物、一氧化碳，还能导致 重金属污染物如汞的析出。 1.有机污染物的形成 比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接 原因 碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关 燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM排放水平具有相关 性 燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利 于NOx的控制 同时减少CH和NOx的排放需要仔细控制混合的型式、 温度水平和整个系统的停留时间 形成原因：燃料燃烧不完全 低温（900oC时，析出率90 n还原性气氛的析出率低于氧化性气氛 nHg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一 4. NOx的形成 nNOx的形成机理 n氮氧化物是在氮燃烧过程中与氧发生氧化反应生成 的氧化物，主要有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、 N2O5等，由于生成的各种氧化物种类较多，因此用 NOx来表示。由于燃烧条件和反应时间的不同，其生 成 的氮的氧化物含量也不一样。燃烧产生的氮氧化 物分为三类： n燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的NOx n热力型NOx： 高温下N2与O2反应生成的NOx n瞬时NOx：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx 4. NOx的形成 4. NOx的形成 5.二恶英的形成机理 5.二恶英的形成机理 n1 已知某种无烟煤的收到基水分含量为5.0%，干 燥基灰分含量26%，干燥无灰基元素分析结果如 下：C：91.7%，H3.8%，O2.2%， N1.3%,S1.0%。试求该种煤的收到基组成和干燥 基组成。 n2 甲烷在空气过剩20%的条件下完全燃烧，已知 空气的湿度为0.0116mol水/mol干空气，试计算 ，燃烧1mol甲烷需要的实际空气量，燃烧产物的 量以及烟气组成。 例题讲解 例题讲解 n1 解：题中所给无烟煤的收到基水分含量为5.0%，因此灰分和干 燥无灰基之和占收到基的95%，其中，灰分占收到基的 95%*26%=24.7%，干燥无灰基占收到基的95%-24.7%=70.3% ，占干燥基的100%-26%=74%。 n因此，收到基组成为： n水分：5%；灰分：24.7%；C：91.7%*70.3%=64.47%； H3.8%*70.3%=2.67%；O：2.2%*70.3%=1.55%； nN1.3%*70.3%=0.91%；S：1.0%*70.3%=0.70%。 n干燥基组成： n灰分：26%；C：91.7%*74%=67.86% nH：3.8%*74%=2.81%；O：2.2%*74%=1.63% nN：1.3%*74%=0.96%；S：1.0%*74%=0.74% 例题讲解 n2 解：以1mol甲烷作为计算的基准反应，反应式如下： n需要的干空气量： n需要的实际空气量： n（2）忽略燃烧过程中NOX的形成，烟气的组成为： nCO2:1mol; nH2O:(2+11.43*0.0116)mol=2.13mol； nN2：0.79nd=0.79*11.43=9.03； nO2：（11.43*0.21-2）mol=0.4mol。 n烟气的总量： n由此可计算各组分的体积，例如，对于CO2，其体积分数为： 课后思考与复习 n1、