燃烧与大气污染更新

第二章 燃烧与大气污染,燃料的性质 燃料燃烧过程 烟气体积及污染物排放计算 燃烧过程中硫氧化物的形成 燃烧过程中颗粒物的形成 燃烧过程中其他污染物的形成,了解常见民用及工业燃料的组成和性质； 了解气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧过程的因素； 学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度； 了解颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径。,第二章 燃烧与大气污染,学时：4学时,3,第一节 燃料的性质,燃料：在燃烧过程中能散发出热量，并能被利用的可燃性物质。燃料分类（1）按物理状态分 固体燃料: 液体燃料： 气体燃料：（2）按燃料来源分： 天然燃料： 人工燃料：,4,煤炭,固体酒精,石蜡,5,（3）按使用多少来分 常规燃料：煤；石油；天然气 非常规燃料：城市固体废弃物、商业和工业固体废弃物、农产物和农村废 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、合成燃料等。,煤及其分类 (1)最重要的固体燃料; (2)碳、氢、氧、氮、硫等一起构成的有机聚合物。 (3)煤中各成分的含量因种类、产地不同而异。,固体燃料煤,7,分类 按照植物在地层内碳化程度的不同，可将煤分为： 泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。,泥煤：形成时间最短，质地疏松、吸水性强、含水率高、氧含量高、碳、硫含量较低、挥发分含量高、可燃性好；机械强度较差；用作锅炉燃料或化工原料，当地使用。,泥煤,褐煤：形成时间较短，黑、褐色，含炭量较高 ，氢、氧含量较低；水分和灰分含量较高 ，热值较低；易碎，当地使用。,褐煤,烟煤：形成时间较长，含碳量高，氢、氧含量较低；密度较大，含水量较少，燃烧易粘结；品种多（长烟煤、气煤、肥煤、瘦煤、结焦煤等）使用范围广（制煤气、炼焦 、动力等）,烟煤,无烟煤：形成时间最长，含碳量高，灰分及挥发分少；质地密实，热值高、灰分少、含硫低、污染轻。可燃性差，多用作民用燃料。,无烟煤,12,煤的化学组成 工业分析：测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热量，是评价工业用煤的主要指标。 元素分析：用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。,13,水分全水分=外部水分内部水分。煤中水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少，热值降低。外部水分可以靠自然干燥方法除去。常称取一定量的13mm以下粒度的煤样，置于干燥箱内，在4550温度下干燥8h，取出冷却，干燥后所失去的水分质量占煤样原来质量的百分数就是煤的外部水分WW。 外部水分内部水分：是把失去外部水分的煤样在干燥箱中加热到102-105，保持2h后才能除掉。一般控制煤中水分在10%13%。,（1）煤的工业分析,灰分灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。我国煤炭的平均灰分含量为25。灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量。高灰分、低熔点的煤极易结渣，从而影响热效率。煤中灰分的组成,挥发分是煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质。H2、CH、CO、H2S等。测定方法：失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重 。,16,固定碳从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳，是煤的主要可燃物质。测定：失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的环境中灼烧到重量不在变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳。,17,煤的元素分析碳： 可燃元素。 煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、硫等组成有机化合物。 煤在燃烧时放出大量的热，煤形成的地质年代越长，碳化程度越高，含碳量越大。,氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为2-10%。 可燃氢（自由氢）：与碳、硫等元素结合的氢。 结合氢：与氧结合成水的结合氢。结合氢不参与燃烧反应。在燃烧计算时，应以可燃氢含量计算煤的发热量和燃烧所需要的空气量。,氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量。氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%。在煤中是以有机或无机氮化物的形式存在的，少数有机氮化物参与燃烧反应，最终会形成污染大气的氮氧化物。在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，用酸滴定，而无机氮化物在一般情况下不参与燃烧反应。硫：测定全硫测定、各种形态的硫的测定。全硫测定煤中全硫的测定方法GB/T214-2007 艾氏法（经典方法）、库伦滴定法、高温燃烧法 四种形态：黄铁矿硫、硫酸盐硫、有机硫、单质硫。,灰分一部分,SO2,SO2,21,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,22,煤的成分的表示方法收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分。空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分。干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%的成分。 干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分。,23,液体燃料石油,天然液体燃料：石油（原油）是液体燃料的主要来源，是天然存在的黑褐色 的黏稠液体。密度0.78-1.00g/cm3，其组成和物理化学成分随产地 的不同有很大差异。主要是由链烷烃，环烷烃、烯烃和芳香烃等碳 氢化合物组成的混合物。组成元素：C、H、O、N、S，还含有微量的 钒、铅等。石油硫的存在形式：大部分能有机硫形式存在，原油通 过蒸馏、裂化和重整过程生产出各种产品。原油中的S约有8090%留 于重馏分中。硫以复杂的环状结构存在，而需去除的仅是硫原子，故 不能用物理方法分离硫化物。采用高压下的催化加氢破坏CSC键 形成H2S气体，可达目的，但费用很高。人为加工的液体燃料：石油经过加工后的产品、合成的液体燃料以及煤经高 压加氢所获得的液体燃料。如汽油、煤油、柴油、重油（原油加工后 残渣总称，对环境的污染最大）。,24,气体燃料天然气,气体燃料属于清洁燃料，是最理想的的燃料。主要包括天然气、液化石油气、裂化石油气、焦炉煤气。天然气是典型的气体燃料，它的组成一般由85%的甲烷、10%乙烷、3%丙烷及少量含C更高的碳氢化合物组成。此外还含有水、二氧化碳和硫化氢等。硫化氢燃烧生成硫氧化物，污染环境，很多国家都规定了天然气中总硫量和硫化氢的最大允许值。液化石油气主要成分是C2、C3、C4。具有易运输、储存、发热高、含硫低、轻污染等特点。广泛用于汽车和民用生活燃料。,25,非常规燃料,非常规燃料城市固体废弃物商业和工业固体废弃物农产物和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燃料 非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题,26,第二节 燃料燃烧过程,燃烧过程及燃烧产物 燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。完全燃烧：CO2、H2O不完全燃烧： CO2、H2O 、CO、黑烟及其他部分氧化产物如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NOx燃烧温度较高时，空气中的部分N可能被氧化成NO热力型NOx,燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）,29,影响燃烧过程的主要因素（3T） 空气条件： 空气量过小，燃烧不完全； 过大，会降低炉温，增加锅炉的排烟损失。, 温度条件： 着火温度是指可燃性物质在空气中开始燃烧必须所达到最低温度。 每种燃料的着火点不同，固体燃料液体燃料周围的空气温度 降低锅炉的热效率、恶化炉工的工作条件。 损失与散热面积、绝热层的厚度、环境温度、风速等有关,40,燃烧计算,燃烧所需理论空气量 1.理论空气量 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。以（Va0）表示。 与燃料种类有关。理论空气量计算: （1）可由燃烧反应方程式 （2）经验公式（由热值） 固体燃料、液体燃料、气体燃料、天然气,41,建立燃烧化学方程式的五个假定： 空气中仅由氮气和氧气组成，其体积分数为：79：21=3.76。 燃料中的固定态氧参与燃烧反应。 燃料中的硫主要被氧化为二氧化硫。 计算理论空气量时，忽略热力型NOx的生成量。 燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主。 燃烧的化学组成式为CxHySzOw,其中x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。则燃料与空气中的氧气完全燃烧的化学反应式为：,42,式中Q为燃烧热。理论空气量 为：,43,理论空气量的经验计算公式,通过元素分析得出燃料中C、H、O等含量后，可由前面反应式计算理论空气量。若知道燃料的热值，可由以下经验公式估算理论空气量：1）固体燃料：2）液体燃料：3）气体燃料： 当 时， 当 时， 天燃气：,44,例：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%,H2O：0.5 % ，S：1.6%，灰分：0.10%。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：,45,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3.76(体积比)则，理论空气量为： mol/kg重油 即 Nm3/kg重油,46,2.空气过剩系数（） 空气过剩系数（）是指实际空气量 与理论空气量 的比。 即： 通常1，值的大小决定于燃料种类、燃烧方式及燃烧条件等因素。,47,3.空燃比（AF） 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可由燃烧方程式直接求得。 例：纯碳在理论空气量下的完全燃烧： 空燃比： 空燃比随着燃料中氢相对含量的减少，碳的相对含量的增加，理论空燃比随之减小。,48,1.理论烟气量和实际烟气量 理论烟气量：在供给理论空气量条件下，燃料完全燃烧产生的烟气体积。以 表示。烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气。 实际烟气量：理论烟气量与过剩空气量之和。以 表示。 即：,干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。,第三节 烟气体积及污染物排放量计算,50,例：CH4完全燃烧 由反应式可以计算出1mol的CH4完全燃烧产生10.52mol烟气。 设空气过剩系数=1.05，由可得： =10.996,51,2.烟气体积和密度的校正 燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故需换算成标态。 大多数烟气可视为理想气体，故可应用理想气体状态方程。 设观测状态下（Ts、Ps下）：烟气的体积为Vs，密度为s。 标态下（Tn、Pn下）： 烟气的体积为Vn，密度为n。 标态下体积为： 标态下密度为：,pV=mRT/M=nRT,3.过剩空气校正 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。以碳在空气中的完全燃烧为例：a为空气过剩系数 = a -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， O2 P= a O2,假设空气只有O2、N2,分别为20.9%、79.1%，则空气中总氧量为: 20.9/ 79.1N2P=0.264N2P 理论需氧量： 0.264N2P-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。,54,污染物排放量的计算 1）实测法：实际测量烟气中污染物浓度，排烟体积和温度等数据，计算污染物的排放量。（工作量大，需要一定的仪器和条件）2）预测法：根据同类燃烧设备的排污系数，燃料成分和燃烧状况，通过燃料衡算预测烟气量、污染物浓度和污染物排放量。（简单方便）,例2-4对于例2-3给定的重油，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=1.2时烟气中SO2和SO3的体积分数，以10-6表示；并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积分数表示。,解：理论烟气量为73.58+47.5+0.5+0.0278+97.833.78=491.4mol/kg（重油）=11.01mN3/kg 实际烟气量11.01+10.470.2=13.10mN3/kg SO2体积0.50.9722.4/1000mN3/kg=0.0109mN3/kg SO3体积0.50.0322.4/1000mN3/kg=3.3610-4mN3/kg 体积分数 干烟气中CO2的含量：干烟气量12.04mN3/kg CO2体积73.5822.4/1000mN3/kg=1.648mN3/kg 干烟气中CO2的体积分数：1.648/12.04 100%=13.69%,例题2-5 已知某电厂烟气温度为473K，压力等于96.93kPa，湿烟气量qV=10400m3/min，含水汽6.25%（体积分数）。奥萨特仪分析结果是：(CO2)=10.7%， (O2)=8.2%，不含CO。污染物排放的质量流量是22。7kg/min。求：(1)污染物排放的质量流量(以t/d表示)；(2)污染物在烟气中的浓度；(3)燃烧时的空气过剩系数；(4)校正至空气过剩系数=1.4时污染物在烟气中的浓度。,解：（1）污染物排放的质量流量为：（2）测定条件下的干烟气量：测定条件下干烟气中污染物的浓度：标况下的浓度：,（3）空气过剩系数：（4）校正至空气过剩系数为1.4条件下的污染物浓度：,作业：,P31 2.8,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,一、燃料中硫的氧化机理1.燃料中硫的氧化,61,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出现。,62,2.H2S的氧化,63,3.CS2和COS的氧化,64,4.元素S的氧化 纯硫氧化的唯一特点在于生成的SO3所占SOx的百分比较通常情况高得多（约20%）。,65,5.有机硫化物的氧化,66,二、SO2和SO3之间的转化 SO2 + O + M SO3 + M （1）SO3 + O SO2 + O2 （2）SO3 + H SO2 + OH （3）SO3 + M SO2 + O + M （4）（1）在炽热反应区 ，O 浓度很高，反应（1）和（2）起支配作用 (0.1%5%SO2)（2）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） (1/401/80SO2),67,烟气离开炉膛进入低温受热面，SO3的生成量不断增加受热面积和金属氧化物的催化作用的结果。 燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率: 转化率与温度密切相关：温度越低，x越大 H2SO4浓度越高，酸