大气污染控制工程PPT课件.ppt

环境工程 大气污染控制工程 1 教材 郝吉明马广大主编大气污染控制工程第二版高等教育出版社蒲恩奇主编大气污染治理工程高等教育出版社NoeldeNeversAirPollutionControlEngineering secondedition McGraw Hill 2 教学大纲 第一章概论第二章燃烧与大气污染第三章颗粒物污染物控制技术基础第四章除尘装置第五章气态污染物控制技术基础第六章硫氧化物的污染控制第七章固定源氮氧化物污染控制第八章挥发性有机物污染控制第九章城市机动车污染控制第十章大气污染和全球气候 3 第二章燃烧与大气污染 4 主要的大气污染物 烟尘 NOx和SO2源于燃料燃烧燃料燃烧过程的基本原理 污染物的生成机理 如何控制燃烧过程 以便减少污染物的排放量 5 第一节 燃料的性质 一 煤煤是重要的固体燃料 是一种不均匀的有机燃料 主要是植物的部分分解和变质形成 煤的可燃成分主要是碳 氢及少量氧 氮和硫等一起构成的有机聚合物 各种聚合物之间由不同的碳氢支链相互连成更大的颗粒 煤中有机成分和无机成分的含量 因煤的种类和产地的不同而有很大差别 6 1煤的分类 褐煤最低品位的煤 是由泥煤形成的初始煤化物 形成年代最短 呈黑色 褐色和泥土色 其结构类似木材 褐煤呈现出粘结状及带状 水分含量高 与高品位煤相比 其热值较低 烟煤形成年代较褐煤长 呈黑色 外形有可见条文 挥发分含量为20 45 碳含量为75 90 烟煤的成焦性较强 且含氧量低 水分和灰分含量一般不高 适宜于工业上的一般应用 在空气中 它比褐煤更能抵抗风化 无烟煤无烟煤是碳含量最高 煤化时间最长的煤 它具有明显的黑色光泽 机械强度高 碳的含量一般高于93 无机物含量低于10 因而着火困难 储存时稳定 不易自燃 无烟煤的成焦性极差 7 2煤的工业分析 水分 包括外部和内部水分灰分 煤中不可燃矿物物质的总称 其含量和组成因煤种及粗加工的不同而异 我国煤炭的平均灰分约25 它的存在降低了煤的热值 也增加了烟尘污染及出渣量 挥发分 煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质称为挥发分 固定碳 从煤中扣除水分 灰分及挥发分后剩余的部分就是固定碳 是煤的主要可燃物质 估测硫含量热值 8 3煤的元素分析 碳氢氮 在催化剂作用下使煤中氮转变为氨 继而用碱吸收 最后用酸滴定 硫 将样品中放在MgO和无水Na2CO3的混合物上加热 使硫化物变为硫酸盐 再以重量法测定硫酸钡沉淀 氧 通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量 9 4煤中硫的形态 采用物理 化学和放射化学法测定结果证实 煤中含有四种形态的硫 黄铁矿硫 FeS2 硫酸盐硫 MeSO4 有机硫 CxHySz 和元素硫 煤中各种形态硫的比例 直接影响煤炭脱硫方法的选择 一般把硫分为硫化铁硫 有机硫和硫酸盐硫 前两种能燃烧放出热量称为挥发硫 硫酸盐硫不参加燃烧 是灰分的一部分 10 二 石油 石油是液体燃料的主要来源 原油是天然存在的易流动的液体 比重在0 78 1 00之间 它是多种化合物的混合物 主要由链烷烃 环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成 原油通过蒸馏 裂化和重整生产出各种汽油 溶剂 化学产品和燃料油 原油中的硫大部分以有机硫的形式存在 形成非碳氢化合物的巨大分子团 原油中硫的含量变化范围较大 一般为0 1 7 原油中的硫分约有80 90 留于重馏分中 一复杂的环状结构存在 11 三 天然气 天然气是典型的气体燃料 它的组成一般为甲烷85 乙烷10 丙烷3 含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中 天然气还含有碳氢化合物以外的其他组分 如H2O CO2 N2 He和H2S等 天然气中的硫化氢具有腐蚀性 它的燃烧产物为硫的氧化物 因此许多国家规定了天然气中总硫含量和硫化氢含量的最大允许值 12 四 非常规燃料 城市固体废弃物 商业和工业固体废弃物 农产品及农村废物 水生植物和水生废物 污泥处理厂废物 可燃性工业和采矿废物 天然存在的含碳和含碳氢的资源 合成染料 13 第二节燃料燃烧过程 一 燃烧过程及其主要影响因素1燃烧过程及燃烧产物燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程 并伴随着能量 光和热 的释放 同时使燃料的组成元素转化成为相应的氧化物 多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2和H2O 然而 不完全燃烧过程将产生黑烟 CO和其他部分氧化产物等大气污染物 若燃烧过程含有氮和硫 则会生成SO2和NO 以污染物形式存在在于烟气中 此外 当燃烧温室温度较高时 空气中的部分氮也会被氧化成为NOx 常称为热力型氮氧化物 14 2燃料完全燃烧的条件 1 空气条件燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气量 如果空气供应不足 燃烧就不安全 相反空气量过大 也会降低炉温 增加锅炉的排烟损失 因此 按燃烧不同阶段供给相适应的空气量是十分必要的 2 温度条件燃料只有达到着火温度才能与氧化合燃烧 着火温度是在氧存在下可燃物质开始燃烧所必须达到的最低温度 各种燃料都具有自己特征的着火温度 按固体燃料 液体燃料 气体燃料的顺序上升 15 3 时间条件 4 燃料与空气的混合条件燃料和空气中氧的充分混合也是有效燃烧的基本条件 混合程度取决于空气的湍流度 若混合不充分 将导致不完全燃烧产物的产生 对于蒸汽相的燃烧 湍流可以加速液体燃料的蒸发 对于固体燃料的燃烧 湍流有助于破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层 从而提高表面反应的氧利用率 并使燃烧过程加速 通常把温度 时间和湍流称为燃烧过程的 三T 16 二 燃料燃烧的理论空气量1理论空气量燃料燃烧所需要的氧气 一般是从空气中获得的 单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量 由燃料的组成决定 可根据燃烧方程式计算求得 17 建立燃烧化学方程式时 通常假设 1 空气仅是由氮和氧组成的 其体积比为79 1 20 9 3 78 2 燃料中的固态氧可用于燃烧 3 燃料中的硫主要被氧化为SO2 4 热力型NOx的生成量较小 燃料中含氮量也较低 在计算理论空气量时可以忽略 5 燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO 一般以N2为主 6 燃料的化学式为CxHySzOw 其下标x y z w分别代表碳 氢 硫和氧的原子数 18 于是 理论空气量 19 例1计算辛烷 C8H18 在理论空气量条件下燃烧时的燃料 空气质量比 并确定燃烧产物气体的组成 显然 燃烧1mol辛烷需要12 5 4 78 59 75mol空气 辛烷的摩尔质量为114 于是理论空气量下燃烧时燃料 空气的质量比为 气体组成通常以摩尔百分比表示 它不随气体温度和压力变化 燃烧产物的总摩尔数为8 9 47 25 64 25 因此烟气组成为 xCO2 8 64 25 0 125 12 5 xH2O 9 64 25 0 140 14 0 xN2 47 25 64 25 0 735 73 5 20 例2假定煤的化学组成以质量计为 C 77 2 H 5 2 N 1 2 S 2 6 O 5 9 灰分 7 9 试计算这种煤燃烧时的理论空气量 解 首先确定煤的摩尔组成 为计算简便 相对于单一原子标准化其摩尔组成 21 对于该种煤 其组成可表示为 CH0 808N0 013S0 013O0 057燃料的摩尔质量 即相对于每摩尔碳的质量 包括灰分 为M 100g 6 43mol 碳 15 55g mol 碳 一般煤的理论空气量Va0 4 9m3 kg 液体燃料的Va0 10 11m3 kg 22 2空气过剩系数 在理想的混合状态下 理论量的空气即可保证完全燃烧 但实际的燃烧装置中 三T 条件不可能达到理想化的程度 因此为使燃料完全燃烧 就必须供给过量的空气 一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量 并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数 即通常 1 值的大小取决于燃料种类 燃烧装置形式及燃烧条件等因素 23 3 空燃比 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量 可以由燃烧方程式直接求得 例如 甲烷燃烧 空燃比 随着燃料中氢相对含量的减少 碳相对含量的增加 理论空燃比随之减少 24 三 燃烧产生的污染物 燃料燃烧过程并不是那么简单 还有分解和其他的氧化 聚合过程 燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物 燃烧产物 未燃烧和部分燃烧的燃料 氧化剂以及惰性气体 主要是N2 等组成 燃烧可能释放出的污染物有 CO2 CO SOx NOx 烟 飞灰 金属及其氧化物 金属盐类 醛 酮和绸环碳氢化合物等 这些都是有害物质 它们的形成与燃烧条件有关 25 燃烧产物与温度的关系 26 四 热化学关系式 发热量燃料设备的热损失 27 燃烧热损失与空然比的关系 28 第三节烟气体积及污染物排放量计算 一 烟气体积计算1 理论烟气量与实际烟气量在理论空气量下 燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积 以Vfg0表示 烟气成分主要是CO2 SO2 N2和水蒸气 通常分为干烟气 不含水蒸汽 和湿烟气 含水蒸汽 理论烟气量 干烟气量 水蒸气体积理论水蒸气体积 燃料中氢燃烧后生成的水蒸气体积 燃料中所含的水蒸气体积 由供给的理论空气量带入的水蒸气体积 29 实际烟气量 理论烟气量 过剩空气量 Vfg Vfg0 1 Va0理论烟气量可由燃烧方程计算 如CH4燃烧 1mol的CH4完全燃烧产生10 52mol的烟气 根据理想气体定律 近似认为烟气中各组分的摩尔比等于体积比 所以1m3的甲烷完全燃烧产生10 52m3的烟气 假设空气过剩系数为1 05 则Vfg Vfg0 1 Va0 10 52 1 05 1 9 52 10 996 30 燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准状态 273K 1atm 烟气体积和密度往往需要换算成为标准状态 假设烟气体积和密度可应用理想气体状态方程换算 于是 对于温度Ts 压力Ps的烟气 其体积Vs 密度 s 在标准状态下 温度Tn 压力Pn 烟气的体积为Vn 密度为 n 则标准状态下的烟气体积 2烟气体积和密度的校正 31 美国 日本和国际全球监测系统网的标准是指出298K和1atm 在作数据比较或校对时需要注意 标准状态下烟气的密度 32 3过剩空气校正 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气体与过剩空气量之和 用奥氏烟气分析仪测定干烟气中CO2 O2和CO的含量 就可以确定燃烧设备运行时的烟气成分和空气过剩系数 以碳在空气中完全燃烧为例 C O2 3 78N2 CO2 3 78N2烟气中仅含有CO2和N2 若空气过剩 则燃烧方程式变为C 1 a O2 1 a 3 78N2 CO2 aO2 1 a 3 78N2 33 a是过剩空气中O2的过剩摩尔数 根据定义 空气过剩系数 要计算 必须知道过剩氧的摩尔数 若燃烧是完全的 过剩空气中的氧仅能够以O2的形式存在 假如燃烧产物以小标P表示C 1 a O2 1 a 3 78N2 CO2p O2p N2p其中 O2p aO2 表示过剩氧量 N2p为实际空气量中所含的总氮量 34 假定空气的体积组成为20 9 O2和79 1 N2 则实际空气量中所含的总氧量为 理论需氧量为0 264N2p O2p 因此空气过剩系数 假设燃烧过程产生CO 过剩氧量必须加以校正 即从测得的过剩氧中减去氧化CO为CO2所需要的氧 35 因此 式中各组分的量均为奥萨特仪所测得的各组分的百分数 例如 奥萨特仪分析结果为 CO2 10 O2 4 CO 1 那么N2 85 则考虑过剩空气校正后 实际烟气体积 36 二 污染物排放量计算 通过测定烟气中污染物的浓度 根据实际排烟量 很容易计算污染物的排放量 但在很多情况下 需要根据同类燃烧设备的排污系数 燃料组成和燃烧状态 预测烟气量和污染物浓度 各种污染物的排污系数由其形成机理和燃烧条件决定 37 例3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 C88 3 H9 5 S1 6 H2O0 05 灰分0 10 试确定 1 燃烧1kg重油所需要的理论空气量 2 若燃料中硫全部转化为SOx 其中SO2占97 试计算空气过剩系数为1 20时烟气中SO2及SO3的浓度 以10 6表示 并计算此时干烟气中CO2的含量 以体积百分比表示 解 以1kg重油燃烧为基础 则重量 g 摩尔数 mol 需氧量 mol C88373 5873 58H9547 523 75S160 50 5H2O0 50 02780 38 所以 理论需氧量为73 58 23 75 0 5 97 83mol kg重油假定干空气中氮和氧的摩尔比 体积比 为3 78 则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为 97 83 3 78 1 467 63mol kg重油即467 63 22 4 1000 10 47m3N kg重油于是 理论空气量条件下烟气组成为 mol 为CO2 73 58 H2O 47 5 0 0278SOx 0 5 N2 97 83 3 78理论烟气量为 73 58 47 5 0 0278 0 5 97 83 3 78 491 4mol kg重油即491 4 22 4 1000 11 01m3N kg重油空气过剩系数 1 2 实际烟气量为11 01 10 47 0 2 13 10m3N kg重油 39 烟气中SO2的体积为0 5 0 97 22 4 1000 0 0109m3N kg重油SO3的体积为 0 5 0 03 22 4 1000 3 36 10 4m3N kg重油所以 烟气中SO2及SO3的浓度分别为 SO2 0 0109 13 10 106 832 10 6 SO3 3 36 10 4 13 10 106 25 75 10 6当 1 2时 干烟气量为 491 4 47 5 0 0278 22 4 1000 10 47 0 2 12 04m3NCO2的体积为 73 58 22 4 1000 1 648m3N kg重油所以干烟气中CO2的含量以体积计为 1 648 12 04 100 13 69 40 第四节燃烧过程中污染物的形成与控制 燃料燃烧过程产生的大气污染物主要是烟尘 硫氧化物 氮氧化物和一氧化碳等 一 烟尘的形成与控制烟尘包括黑烟和飞灰 其发生量可在排出口用仪器直接测量 也可根据物料平衡关系间接计算 41 烟尘的形成与控制 如果燃烧时空气分配不均匀 则在空气不足的地方产生大量未燃烧的炭粒 在高温下热解生成多环化合物 黑烟 黑烟主要是没有燃尽的炭粒 飞灰则是燃料所含的不可燃矿物微粒 是灰分的一部分 黑烟是燃料不完全燃烧的产物 故可以通过改善燃料条件减少排放量 燃料受热前与一部分空气混合 是防止黑烟生成的有效措施 42 二 硫氧化物的形成与控制1 燃料中硫的氧化机理燃料中硫的氧化煤受热后 在热解释放挥发分的同时 煤中有机硫与无机硫也会发出来 松散结合的有机硫在低温 700K 下分解 紧密结合的有机硫在较高温度 800K 下分解释出 遇到氧气时 它们全部氧化成SO2和少量的SO3 在还原气氛下 挥发出的主要是H2S和COS 在燃烧过程中也会被氧化成为SO2 焦炭中的硫 与H2反应生成H2S 也可能与氧反应生成SO2 43 无机硫的分解速度较慢 在还原气氛 温度1700k Fe S2 COS SO2或SO3含硫燃料燃烧的特征是火焰呈浅蓝色 这种颜色是由于反应O SO SO2 hV 44 H2S的氧化 研究表明 H2S的氧化过程分三个阶段 第一阶段 大部分H2S被消耗掉 其燃烧产物主要是SO2和H2O 主要反应为 还有某种程度的链分支反应 45 第二阶段 SO浓度减少 OH浓度达到其最大值 SO2达到其最终浓度 最后 当H2浓度达到最大值时 水的浓度开始上升 其反应为 46 CS2和COS的氧化 CS2是很易燃的 COS则是CS2 火焰中的一种中间体 有人提出 CS2氧化的链起始反应为 47 COS火焰显示出两个区域 第一区中生成CO和SO2 在第二区中CO转化为CO2 链反应是由COS的光解诱发的 与CS2相比 COS的可燃性较差 48 所有硫化物的火焰中都曾发现元素硫 通常这种硫呈原子态或二聚硫S2 低温下纯硫蒸发时 这些蒸气分子是聚合的 其分子式为S8 对373K左右的纯硫氧化物的气相研究表明 此种氧化反应具有链反应特征 元素硫的氧化 49 反应生成物来自下列反应 纯硫氧化的唯一特点在于生成的SO3所占SOx的百分比较通常的多约20 50 有机硫化物的氧化燃料中的有机硫化物可能是硫醇 硫化物或二硫化物的形式存在 它们燃烧的主要产物都是二氧化硫 在贫燃状态下 空气过量 硫醇氧化时 即使温度约为573K 其中的硫也会全部被转化成SO2 当温度较低且在富燃状态下 空气不足 可以生成SO2并可获得其他一些产物如醛和甲醇 二硫化物的氧化是按照与硫化物类似的反应路线进行的 初始步骤为 51 接着发生基的分解 然后再通过氢的取代生成硫醇最后生成烃基和二氧化硫 52 2SO2和SO3之间的转化 低浓度的SO3可以通过下述反应产生于燃烧过程中SO2 O M SO3 M在高温下SO3可能通过下述反应而被消耗 SO3 O SO2 O2SO3 H SO2 OHSO3 M SO2 O M 53 在有些燃烧设备中 SO3可以通过催化反应形成 SO2在4300C 6200C条件下与V2O5接触 产生以下反应 V2O5 SO2 V2O4 SO32SO2 O2 V2O4 2VOSO42VOSO4 V2O5 SO3 SO2在特殊环境下 硫与无机组分的反应可以将硫固定在固相中 如加入CaO可以有效地减少烟气中的SO2CaO s SO2 1 2O2 CaSO4 s 54 3 硫氧化物的控制 控制燃烧产生SO2的措施主要有 低硫燃料燃料脱硫型煤固硫燃料过程中脱硫烟气脱硫 55 燃料脱硫 1 煤炭加工 分选除去煤中矿物质 主要采用重力分选法 可降低原煤含硫量的40 90 但不能去除有机硫 正在研究的有 浮选法 氧化脱硫法 化学浸出法 化学破碎法 细菌脱硫 微波脱硫 磁力脱硫 烧型煤是控制SO2污染的另一条途径 适合中国国情 根据煤种不同 用无粘结剂或加沥青 粘土等粘结剂 以CaCO3作固硫剂 经干馏成型或直接压制成型 制得各种型煤 56 燃料脱硫 2 煤炭转化 煤的气化煤气化的方法有60多种 第一代气化技术有固体排渣鲁奇加压移动床 温克勒常亚流化床 柯 托常亚流化床 第二代气化技术有液态排渣鲁奇气化 加氢气化 第三代气化技术有催化气化和闪燃氢化热解法 溶剂精制煤用溶剂萃取加氢 生成清洁的低硫 低灰分固体或液体燃料 57 燃料脱硫 3 重油脱硫 重油是原油在常压精馏时 残留在蒸馏釜的残油 工业上加氢脱硫 大致分直接和间接法 直接法将常压精馏引入装有催化剂的脱硫设备 在催化剂作用下 碳硫键断裂 氢与硫生成H2S气体 从残油中脱除 脱硫率可达75 间接法将常压残油先减压蒸馏 把含沥青和金属少的轻油和含这些成分多的残油分开 只对轻油高压加氢脱硫 再把这种脱硫油和残油合并 得到含硫2 2 6 的最终产品 58 燃烧炉内脱硫 燃烧炉内脱硫采用沸腾炉 使煤和脱硫剂在沸腾炉内处于流体状态 边燃烧边进行脱硫反应 脱硫剂采用白云石 CaCO3 MgCO3 CaCO3 CaO CO2CaO SO2 1 2O2 CaSO4MgCO3 MgO CO2MgO SO2 1 2O2 MgSO4 59 三有机物的形成 四 CO的形成 五汞的形成与排放 60 六 氮氧化物的形成与控制 人类活动排入大气中的NOx90 来源于燃料燃烧过程 NOx有多种形态 但燃烧排出的主要是NO和NO2 根据美国统计 大约有50 以上的NOx来自固定燃烧源 其余主要来自汽车尾气 燃烧过程形成的NOx分二类 一类是燃料中的固定氮生成的NOx 称为燃料NOx 一类是大气中的氮在高温下被氧化生成的 成为热力型NOx 由于氮分子N N键能比有机化合物中C N键能大得多 因此氧首先破坏C N键生成燃料型NOx 61 一 氮氧化物的形成 燃烧形成的燃烧型NOx与燃料的含氮量有关 石油平均氮的质量分数为0 65 大多数煤中氮的质量分数为1 2 燃料燃烧时 约20 80 的氮转化为NOx 燃烧温度不太高时 排气中主要是燃料型NOx 在高温下 空气中的氮也被氧化生成NOx N2 O2 2NONO 1 2O2 NO2因此 烟气中NO NO