大气污染控制 第二章 大气污染控制基础

第二章大气污染控制基础 本章要点 燃烧反应物 燃料的分类和性质完全燃烧与不完全燃烧过程燃烧反应产物 污染物的生成机理 计算烟气排放量 计算污染物排放量 一 燃烧与大气污染 有关燃烧的基本概念 1 燃烧燃烧是指一种物质起剧烈的氧化反应 同时发光发热的现象 2 燃料用以产生热量或动力的可燃性物质 如煤 焦炭 木柴等 3 理论空气量 实际空气量与空气过剩系数 理论空气量 按照燃料中各可燃质氧化反应方程来计算燃料燃烧过程所需的空气量 用V0表示实际空气量 实际供给的空气量称为实际空气量 实际空气量用Vk表示 空气过剩系数 1 机理 活化分子碰撞理论反应物活化分子生成物 放热 链锁反应理论 活化分子碰撞理论在阐述温度对反应速度的影响时 能够正确地反应客观规律 但是 不一定能解释燃烧反应过程中的某些现象 如干燥的CO和O2混合气体 即使在700 高温下也几乎不会发生反应 若在其中加入微量的水蒸汽 就能大大加速这一反应 甚至着火燃烧 其反应式仍为2CO O2 2CO2 这就不能用有效碰撞理论来解释了 需要有新的理论来解释 如链锁反应理论 链锁反应理论认为有很多化学反应需要经过若干中间基元反应才能完成 在这些中间反应中会产生一些活性很高的活性产物 活性中心 再由这些活性中心与原始反应物进行化学反应 这时除产生最终生成物外会再生出若干活性中心 使得化学反应得以继续 活性中心是一些很不稳定的自由原子 自由基 它们与原始反应物反应时的活化能很低 能大大提高化学反应速率 链锁反应有不分支链锁反应与分支链锁反应两大类 均相燃烧过程中的链锁反应 总反应 2 着火理论 自燃自燃点燃 依靠外热能量强化局部可燃混合气化学反应 使反应速率急剧升高而达到爆炸式反应 并向周围未燃的可燃混合气传播的现象 热自燃 链锁自燃 自身化学反应 活性中心迅速繁殖 气体燃料的燃烧 褶皱层流火焰的表面燃烧理论 微扩散的容积燃烧理论 液体燃料的燃烧 乳化油 微爆理论 水煤气反应理论 固体燃料的燃烧 层燃式燃烧 流化床燃烧 悬浮式燃烧 油滴的燃烧 油雾的燃烧 乳化油的燃烧 3 燃料与燃烧方式 紊流火焰 紊流燃烧 扩散燃烧 气体燃料的燃烧 褶皱层流火焰的表面燃烧理论小尺度紊流大尺度紊流修正公式 微扩散的容积燃烧理论紊流火焰的传播速度增大不是由于火焰前锋面面积的增加 而是由于紊流中热传递和质量 即活化中心 扩散等紊流迁移性质的加强 加速了火焰中的化学反应 加大了燃烧区的宽度 液体燃料的燃烧 a 油滴的燃烧油滴蒸发油滴热解和裂化着火燃烧 添图 b 油雾的燃烧 c 乳化油的燃烧燃料油乳化之后燃烧 既节约了燃料 又强化了燃烧过程 是一种较常用的燃烧方法 一般采用机械法 气动法或超声波法使水分散在油中 形成油包水型乳化液 有两种理论对乳化油燃烧过程做出较好的解释 微爆理论水煤气反应理论 固体燃料的燃烧 a 煤的燃烧阶段特征 挥发分燃烧阶段 焦炭燃烧阶段 燃烬阶段 b 燃烧方式 层燃式燃烧 流化床燃烧 悬浮式燃烧 煤的有机化学结构 图2 5 挥发分燃烧阶段 焦炭燃烧阶段 燃烬阶段 层燃式燃烧主要的优点是 能获得最大的热密度可以较大地增加鼓风燃烧过程稳定 流化床燃烧示意图 流化床的料层温度一般控制在850 1050 流化层的高度为1 0 1 5m 优点 很快升温并着火燃烧热负荷大 温度分布比较均匀可实现低温燃烧 工况不稳定时不完全燃烧煤气质量低 缺点 悬浮式燃烧悬浮式燃烧 直流燃烧 涡流燃烧 燃烧强度大 优点 容易调节炉温 改善劳动条件 缺点 大量的飞灰 直流燃烧 火炬式 涡流燃烧 旋风式 直流燃烧与层燃式相比 最大优点是可以大量使用劣质煤和煤屑 甚至还可以掺用一部分无烟煤和焦炭屑 用层燃式燃烧发热量较低和灰分含量较高的劣质煤时 炉温只能达到1100 改用直流燃烧法时 炉温可达到1300 影响燃烧过程的因素 1 燃料种类和性质 包括燃料中所含的水分 挥发物灰量及其可熔性燃料的发热量 燃料的粘结性和热稳定性 2 化学反应速度和氧气向燃料表面的扩散速度 燃烧与大气污染物 烟尘 是指煤等固体燃料在燃烧过程中由烟囱排出的烟气中所含的烟 烟黑 灰分 粒状浮游物质的混合物 硫氧化物 包括 有机硫和无机硫 如黄铁矿 硫酸盐类等 氮氧化物 燃烧过程中的NOx主要来源于空气和燃料中含有的氮 碳氧化物 主要来自燃料燃烧和机动车排气 二 燃烧过程与污染控制 CO与CO2的生成与控制烟尘的生成与控制硫氧化物的生成与控制NOX生成与控制碳氢化合物的生成与控制 1 CO与CO2的生成与控制 CO与CO2的生成 最基本的反应 C O2CO2 Q2C O22CO QC CO22CO Q2CO O22CO2 QCO的控制方法充分的氧气 停留时间足够 水蒸气含量较多时 C 2H2O CO H2C 2H2O CO2 2H23C 4H2O 4H2 CO 2CO2C 2H2 CH4在固体表面的催化下 H2O容易与CO CO2发生反应 CO H2O CO2 H22CO 2H2 CO2 CH4CO 3H2 H2O CH4CO2 4H2 2H2O CH42CO CO2 C 2 烟尘的生成与控制 生成原因 不完全燃烧气体燃料碳黑液体燃料积碳 碳粒煤黑烟 主要含有苯 芘 蒽 苯并芘等 碳烟的生成 烟尘的控制改进燃烧过程控制特殊燃烧方法烟尘再燃烧法加入添加剂燃烧法 煤中的含硫量一般为0 5 5 以有机硫和黄铁矿硫形式存在的硫在燃烧过程中全部参加反应 氧化为SO2 而硫酸盐硫则不参与燃烧 一部分留在底灰中 另一部分以飞灰形式排出 液体燃料的硫种类很多 以有机化合物的形式存在于燃料中 也有游离硫 硫化氢等形式 原油的含硫量因产地而异 一般为0 5 2 重油的含硫量较高 一般为原油含硫量的1 5倍 气体燃料中硫以气态硫化氢的形式存在 天然气中含硫量一般小于1 3 硫氧化物的生成与控制 SO2的生成S O2 SO2 Q 含硫量和SO2的生成量的关系 原因 部分SO2转化为SO3 SO2生成量还可按理论计算式获得 式中GSO2 指由所计算的燃烧装置排出的SO2质量 kg h S 所用燃料含硫量 重量 B 单位时间消耗的燃料量 kg h 对流受热面上的积灰和氧化膜的催化作用 SO3的生成 火焰中生成的原子氧参与反应 平衡值 V2O5 Fe2O3 SO3的危害 锅炉尾部受热面发生腐蚀现象影响SO3生成量的主要因素 燃料中的含硫量越多 SO2和SO3的生成量越多 空气过剩系数越大 SO3的生成量越多 火焰中心温度越高 生成的SO3也越多 烟气停留时间越长 SO3生成量就越多 硫酸的生成控制硫氧化物的生成的燃烧技术低氧燃烧流化床燃烧脱硫 4 NOx 据燃烧原因 NOX 热机理型NOx 瞬时机理型NOx 燃料型NOx 生成量相对少得多 在锅炉的燃烧温度下 NO生成反应尚未达到化学平衡 NO的生成量将随着烟气在高温区内的停留时间的延长而增大 氧气的浓度越高 NO的生成量相应越高 控制NOx生成的燃烧技术 控制技术 低氧燃烧法 烟气再循环燃烧 喷水法 低NOx的燃烧器 其它 二级燃烧 降低热风温度 降低燃烧室的热强度 增加炉膛的水冷程度 好的燃烧设备 乳化油燃烧技术 低NOx的燃烧器 5 碳氢化合物的生成与控制 碳氢化合物的生成RH O2 R HO2R O2 RO2 RO2 RH ROOH R 影响因素 空燃比空燃比应为14 15 点火时间推迟点火时间 可使CmHn的浓度下降 但在汽车减速时推迟点火 使断火的可能性增大 CmHn的浓度反而会增高 其他影响因素 包括 残余气体 冷却水的温度 汽车运行情况 三 大气污染控制基础数据计算 物料衡算煤液体燃料与气体燃料燃烧所需空气量的计算燃烧产生烟气量的计算烟气中CO含量的计算SO2的排放浓度与脱硫效率的计算 三 大气污染控制基础数据计算 1 物料衡算 F D A其中 F为进料量 D为出料量 A为积累量连续燃烧过程 A 0 上式演变为 F D2 煤碳 C 一般占煤成分的20 70 氢 H 3 5 以化合态形式存在氧 O 无烟煤 1 2 泥炭中含量可达40 硫 S 分为可燃硫 Sr 和不可燃烧硫 Sly 氮 N 0 5 2 5 灰份 A 不可燃烧杂质水分 W 外在水分 Ww 和内在水分 3 液体燃料与气体燃料 原油是优良的液体燃料 但很少用作锅炉燃料 原油在常压和一定温度下分馏 分离出汽油 煤油和柴油等轻质油类 剩下的残留物就是重油或渣油 重油再经过减压蒸馏 分离出重柴油和蜡油 残余物为减压重油 工业锅炉与电厂锅炉所使用的液体燃料 通常是重油或减压重油 4 燃烧所需空气量的计算 碳燃烧时所需氧气量C O2 CO2若燃料中含碳量为 Cy kg kg 则1kg燃料中碳燃烧所需的氧气量为22 4 12 Cy 1 886 Cy 氢燃烧时所需氧气量2H2 O2 2H2O 若燃料中含氢量为 Hy kg kg 则1kg燃料中氢燃烧所需的氧气量为22 4 4x1 008 Hy 5 55 Hy 硫燃烧时所需氧气量S O2 SO2若燃料中含碳量为 Sy kg kg 则1kg燃料中硫燃烧所需的氧气量为22 4 32 Sy 0 7 Sy 燃料中氧的当量若燃料中含氧量为 Oy kg kg 则1kg燃料中氧的当量为 22 4 32 Oy 0 7 Oy 因此 燃烧1kg燃料所需的氧气量即为上述四项之和 1 886 Cy 5 55 Hy 0 7 Sy 0 7 Oy 燃烧1kg燃料所需的空气量V0 单位为m3 kg 为 V0 8 89 Cy 3 33 Sy 26 5 Hy 3 33 Oy 若以质量来表示 则理论空气量为 L0 1 293V0 空气的密度 2 燃烧产生烟气量的计算 理论烟气量的计算理论烟气量 Vyo 由Vco2 Vso2与理论水蒸气量VH2O0以及理论空气量中的氮气量VN20所组成 a 燃料含碳率为 Cy kg kg 1kg燃料完全燃烧产生的CO2为 22 4 12 Cy 1 886 Cy b 燃料含硫率为 Sy kg kg 1kg燃料完全燃烧产生的SO2为 22 4 32 Sy 0 7 Sy VRO2 Vco2 Vso2 1 886 Cy 0 375 Sy 理论氮气量VN20理论氮气量有两个来源 燃料中的的氮与空气中的氮 理论VN20 0 8 Ny 0 79V0 理论水蒸气量VH2O0理论水蒸气量有四个来源 燃料的水分 Wy 燃料中氢燃烧产生 Hy 理论空气带入V0和采用蒸汽雾化重油燃烧时 随同重油喷入的水蒸气Gwh 理论蒸汽量VH2O0 1 24 Wy 1 11 Hy 0 0161V0 1 24Gwh 实际烟气量的计算计算关系见P81图2 27不完全燃烧时干烟气量的计算 Vgy 1 866 Cy 0 375 Sy RO2 CO 见P82表2 7 2 8 3 烟气中CO含量的计算 不完全燃烧方程 CO 0 21 O2 1 RO2 0 605 其中 2 35 Hy Oy 8 0 038 Ny Cy 0 375 Sy 为燃烧特性系数 4 SO2的排放浓度与脱硫效率的计算 煤粉炉烟气中SO2的排放系数如果燃煤锅炉的SO2允许排放浓度为CSO