第二章 燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染 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 2燃烧与大气污染 1 1 教学要求了解常见民用及工业燃料的组成和性质 掌握气态 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 掌握颗粒物 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2 教学重点重点理解燃烧的基本原理和相关污染物形成机理 重点掌握燃烧过程污染物排放计算 3 教学难点燃烧过程污染物排放计算 焚烧秸秆 300MW 600MW W 形火焰燃低挥发份无烟煤锅炉 600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉 600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉 300MW 600MW W 形火焰燃低挥发份无烟煤锅炉该锅炉的主要技术特点 分级送风的双拱炉膛 旋风分离式煤粉浓缩型燃烧器 双进双出球磨机正压直吹式燃烧系统 600MW及以上超临界本生直流机组锅炉 600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉 600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉 1 燃料的性质 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 第一节燃料的性质 1 燃料的分类 燃料的分类 1 常规燃料如煤 coal petroleum 天然气 rudegas 等 2 非常规燃料按其物理状态分为 1 固体燃料 挥发分被蒸馏后以气态燃烧 蒸气控制 留下的固定炭以固态燃烧 扩散控制 2 液体燃料 由蒸发过程控制 气态形式燃烧 3 气态燃料 由扩散或混合控制 一 煤 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O2 N2 S等一起构成的有机聚合物 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 一 煤 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 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 挥发分较高 析出温度低 燃烧热值低 不能制炭 干燥后 C含量60 75 O2含量20 25 一 煤 b 烟煤 形成历史较褐煤长 黑色 外形有可见条纹 挥发分20 45 C75 90 成焦性较强 氧含量低 水分及灰分含量不高 适宜工业使用 c 无烟煤 碳含量最高 煤化时间最长的煤 具有明显的黑色光泽 机械强度高 C含量 93 无机物量 10 着火难 不易自燃 成焦性差 一 煤 1 煤的组成煤的组成按测定方法分为工业分析 元素分析两大类 a 工业分析 水分 灰分 挥发分 固定碳 S含量 热值 b 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 2 煤的分类和组成 煤的工业分析水分 一定重量13mm以下粒度的煤样 在干燥箱内318 323K温度下干燥8h 取出冷却 称重 外部水分将失去外部水分的煤样保持在375 380K下 约2h后 称重 内部水分挥发分 失去水分的试样密封在坩埚内 放在1200K的马弗炉中加热7min 放入干燥箱中冷却至常温再称重 2 煤的分类和组成 煤的工业分析 续 固定碳失去水分和挥发分后的剩余部分 焦炭 放在800 20 C的环境中灼烧到重量不再变化时 取出冷却 焦炭所失去的重量为固定碳灰分 从煤中扣除水分 灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳 2 煤的分类和组成 煤中灰分的组成 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 3 煤的元素分析 碳和氢 通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定氮 在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨 碱液吸收 滴定硫 与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应 SSO42 滴定 4 煤中硫的形态 有机硫 CxHySz 硫化物硫 FeS2 煤中含硫无机硫元素硫 S 硫酸盐硫 MeSO4 4 煤中硫的形态 a 硫化铁硫 是主要的含硫成分 常见形态是黄铁矿硫 黄铁矿 硬度6 6 5 比重4 7 5 2本无磁性 但在强磁场感应下能转变为顺磁性物 吸收微波能力较强 据此 可把其从煤中脱除 b 有机硫 以各种官能团形式存在 如噻吩 芳香基硫化物 硫醇等 不易用重力分选的方法除去 需采用化学方法脱硫 c 硫酸盐硫 硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧 留在灰渣里 是灰分的一部分 其它形态的硫能燃烧放出热量 通常所说的SOx污染物只包括有机硫 硫化物 不包括MeSO4 5 煤的成分的表示方法 要确切说明煤的特性 必须同时指明百分比的基准 常用的基准有以下四种 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 5 煤的成分的表示方法 干燥基 以去掉全部水分的燃料作为100 的成分 干燥基更能反映出灰分的多少干燥无灰基 以去掉水分和灰分的燃料作为100 的成分 5 煤的成分的表示方法 煤的成分的表示方法及其组成的相互关系 5 煤的成分的表示方法 我国部分煤种的分析结果 5 煤的成分的表示方法 我国部分煤种的分析结果 续 其他燃料 石油液体燃料的主要来源链烷烃 环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物主要含碳和氢 还有少量硫 氮和氧氢含量增加时 比重减少 发热量增加天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷85 乙烷10 丙烷3 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液体 比重0 78 1 00主要含C H2 少量的S N2 O2 此外 含有微量金属 钒 镍 砷 铅 氯等 10ppm左右 原油中的硫大部分以有机硫形式存在 形成非碳氢化合物的巨大分子团 其含硫量变化范围较大 一般为0 1 7 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80 90 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C S C键形成H2S气体 可达目的 但费用很高 含硫量增加 汽油煤油柴油重油 沥青 C8H17 5C12H26含硫0 5 5 原油中含S0 1 7 三 天然气 一般组成为CH485 乙烷10 丙烷3 此外还有H2O CO2 N2 He H2S等 低热值气体燃料 3000kcal m3高炉煤气 转炉煤气 工业尾气 高热值气体燃料 8000kcal m3天然气 液化石油气 中热值气体燃料3000 8000kcal m3焦炉煤气 沼气 思烷 按发热值分为 5 其他燃料 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 第二节燃料燃烧过程 一 影响燃烧过程的主要因素1 燃烧过程及燃烧产物2 燃料完全燃烧的条件3 发热量及热损失4 燃烧产生的污染物 1 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 多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2 水蒸汽 不完全燃烧过程将产生黑烟 CO和其它部分氧化产物等 若燃料中含S N会生成SO2和NOx 燃烧温度较高时 空气中的部分氮会被氧化成NOx FuelNOx 燃料型NOx 燃料中的NNOx生成量ThermalNOx 热型NOx 高温时空气中 燃烧过程及燃烧产物完全燃烧 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NO空气中的部分N可能被氧化成NO 热力型NOx 2 燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件是适量的空气 足够的温度 必要的燃烧时间 燃料与空气的充分混合 1 空气条件 按燃烧不同阶段供给相适应的空气量 2 温度条件 只有达到着火温度 才能与氧化合而燃烧 着火温度 在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度 各种燃料的着火温度见表2 4 P38 3 时间条件 燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素 燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间 4 燃烧与空气的混合条件 燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件 在大气污染物排放量最低条件下 实现有效燃烧的四个因素 空气与燃料之比 温度 时间 湍流度 三T 3 发热量及热损失 1 发热量单位量燃料完全燃烧产生的热量 即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下 常温298K 101325Pa 的热量变化值 称为燃料的发热量 单位是KJ Kg 固体 KJ m3 气体 发热量有高位 低位之分 高位 包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热 Qh低位 指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时 完全燃烧释放的热量 Q1可用氧弹式量热计测定 也可用经验公式计算 经验公式见式 根据煤的工业分析数据计算 煤的发热量根据燃料的工业分析数据计算 注意 煤中H有两种形态 可燃氢 参加燃烧 自由氢 结合氢 与O2 根据燃料的工业分析数据计算自由氢与C S结合 需应用基来表明组成注 干燥基 上标d 可燃基 上标b 应用基 上标a 设省煤器 空气预热器可降温 防止温度过低而受酸蚀 一般工业锅炉160 200 大中工业锅炉120 180 2 热损失排烟热损失 热损失为6 12 不完全燃烧热损失 化学不完全燃烧 机械不完全燃烧 散热损失 由于设备管道温度高于周围空气温度造成热损失 4 燃烧产生的污染物硫氧化物SOx 随温度变化不大 主要是煤中S 粉尘 随燃烧温度而变化 增高 不变 降低均有变化 CO及HC化合物 随燃烧温度而变化 增高 不变 降低均有变化 NOx 随燃烧温度而变化 增高 不变 降低均有变化 4 燃烧过程中产生的污染物 燃烧产物与温度的关系 4 燃烧过程中产生的污染物 燃料种类对燃烧产物的影响 以1000MW电站为例 二 燃料燃烧的理论空气量 建立燃烧方程式的假定 空气组成21 O2和79 N2 两者体积比为 N2 O2 3 76燃料中固定氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为SO2不考虑NOX的生成燃料中的N在燃烧时转化为N2燃料的化学式为CxHySzOw 二 燃料燃烧的理论空气量 燃烧方程式 燃料重量 12x 1 008y 32z 16w理论空气量 煤4 7m3 kg 液体燃料10 11m3 kg 二 燃料燃烧的理论空气量 例题 二 燃料燃烧的理论空气量 空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比 以 表示 通常 1部分炉型的空气过剩系数 二 燃料燃烧的理论空气量 空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量kg燃料 kg空气 例如 汽油 C8H18 的完全燃烧 汽油的质量 12 8 1 008 18 114 14空气的质量 32 12 5 28 3 78 12 5 1723空燃比AF 15 11 假定 1 空气中仅由N和O组成 其体积比为3 76 N2 O2 79 21 2 忽略NOx的生成 计算烟气量 3 燃料中的氧可用于燃烧 4 除特别指明外 T 273 15K P 1atm 第三节燃烧计算 空气量 烟气量 污染物排放量 1 所需空气量 一 固 液燃料燃烧计算 1222 422 4 产物量 用 表示燃料中含C H S O 的质量分数 燃料 1kg 需O2量 C H S 1 867 5 6 0 7 1 867 11 2 0 7 211 222 4 3222 422 4 3222 4 O 0 7 0 H2O 0 1 24 则 理论需O量为 理论空气量为 实际空气量为 其中 为空气过剩系数 产物量 燃料 1kg 需O2量 C H S 1 867 5 6 0 7 1 867 11 2 0 7 O 0 7 0 H2O 0 1 24 如下表 产生的烟气量 在供共给理论空气量的条件下完全燃烧 1 的体积 产生的烟气主要有 产物量 燃料 1kg 需O2量 C H S 1 867 5 6 0 7 1 867 11 2 0 7 O 0 7 0 H2O 0 1 24 2 的体积 则 为空气的含湿量kg 3 的体积 燃料燃烧生成 助燃空气中的 则 4 理论烟气量 分干湿气量 5 实际烟气量 过剩空气量 3 由烟分析计算烟气量 1 完全燃烧时 设 烟气成分 不考虑 则 2 不完全燃烧时 设 则 供氧气量 所以理论需氧量为 则 2 不完全燃烧时 4 空气过剩系数的计算 1 完全燃烧时 某重油的质量组成为C 86 H 9 S 3 对烟气组分分析知 求 1 重油燃烧时所需的理论空气量 2 求空气过剩系数 解 C O2CO2 S O2SO2 2H O2H2O 1 1kg重油燃烧时所需的理论氧气量为 1 867 0 7 5 6 0 7 1 867 0 86 0 7 0 03 5 6 0 09 0 7 0 02 2 117 所需的理论空气量为 4 76 4 76 2 117 10 08 2 由 可知 所以空气过剩系数 1 155 1 13 3 0 84 0 例 某重油的质量组成为C 86 H 11 S 3 对烟气组分分析知 求 1 1kg重油燃烧时所需的理论空气量 2 排烟中产生的SO2的浓度 解 1kg重油燃烧所需的理论空气量 1kg重油燃烧产生的理论烟气量 由题意知 空气过剩系数 实际烟气量 SO2 SO2 可燃气体 假设用 表示燃气中组分的体积分数 三 气体燃料的燃烧计算 不可燃气体 SO2 H2O O2 1 空气量 0 50 50 5 112 1111 COH2H2SCnHm 产物量 m3 需O量 m3 燃气量 m3 燃气 1 则理论需O量为 理论空气量为 实际空气量为 其中 为空气过剩系数 2 烟气量 2 根据燃烧设备的排污系数 燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度 三 污染物排放量的计算 方法 1 根据实测的污染物浓度和排烟量 1 污染物排放量计算 单位时间内污染物的排放体积 污染物的浓度 2 烟尘排放量 根据物料恒算 W 燃料消耗量 t h A 燃料中的灰分10 50 平均20 左右 B 烟气带走灰分占灰分的比例 15 20 除尘效率 3 SO2的排放量 W 燃料消耗量 t h S 燃料含硫量 0 5 10 平均1 7 左右 脱硫效率 可燃硫占全硫的比例 80 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 1 硫的氧化机理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 1 硫的氧化机理 CS2和COS的氧化 1 硫的氧化机理 元素S的氧化 1 硫的氧化机理 有机硫化物的氧化 2 SO2和SO3之间的转化 反应方程式SO2 O M SO3 M 1 SO3 O SO2 O2 2 SO3 H SO2 OH 3 SO3 M SO2 O M 4 在炽热反应区 O 浓度很高 反应 1 和 2 起支配作用 2 SO2和SO3之间的转化 SO3生成速率当d SO3 dt 0时 SO3浓度达到最大在富燃料条件下 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 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H2SO4浓度越高 酸露点越高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 SO2排放因子举例 fromAP 42 第五节燃烧过程中颗粒物的形成 1 碳粒子的生成积炭的生成核化过程 气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳核表面上发生非均质反应较为缓慢的聚团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素积炭的生成与火焰的结构有关提高氧气量可以防止积炭生成压力越低则积炭的生成趋势越小 1 碳粒子的生成 火焰的结构预混火焰 气体燃料和空气在燃烧前充分混合 bursenburner meekerburner 扩散火焰 燃料和空气分别进入燃烧区 混合然后发生反应 实际中应用最多 不同的区域有不同的 0 值 1 碳粒子的生成 火焰的结构 续 层流火焰 Re2200 强烈的湍流作用 但分子扩散仍然起作用 1 碳粒子的生成 乙炔火焰中生碳反应过程 1 碳粒子的生成 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 2 燃煤烟尘的形成 烟尘 固体燃料燃烧产生的颗粒物 包括 黑烟 未燃尽的碳粒飞灰 不可燃矿物质微粒煤粉燃烧过程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 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 燃烧碳层中成分和温度分布 2 燃煤烟尘的形成 黑烟形成的化学过程 2 燃煤烟尘的形成 高灰分燃料的扩散燃烧 2 燃煤烟尘的形成 灰分中含有Hg As Se Pb Cu Zn等污染元素 2 燃煤烟尘的形成 飞灰的形成过程 2 燃煤烟尘的形成 影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质燃烧方式烟气流速炉排和炉膛的热负荷锅炉运行负荷锅炉结构 2 燃煤烟尘的形成 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 燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响 2 燃煤烟尘的形成 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素 燃烧方式 2 燃煤烟尘的形成 几种燃烧方式的烟尘百分比 2 燃煤烟尘的形成 几种燃烧方式的烟尘颗粒概况 火电厂大气污染物排放标准本标准将火电厂按年限划分为以下三个时段 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 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