大气污染控制工程-第二章-第二章--燃烧与大气污染

大气的组成及结构大气污染及其分类全球性大气污染问题大气污染防治法规与标准体系中国的大气污染综合防治,绪论,习题答案：,2.1N2:75.5%；O2:23.1%；Ar:1.29%；CO2:0.05%2.2SO2:0.05210-6;NO2:0.05810-6;CO:3.210-62.3=1.031g/m3c=6.710-3mol/m3m=890.8kg,第二章燃烧与大气污染,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。,本章主要内容,第一节燃料的性质,一、燃料的分类,二、燃料组成及对燃烧的影响,碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出7850kcal的热量。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。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90-98%，一般煤的含碳量约50-95%。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%，以碳氢化合物的形式存在，1kg氢完全燃烧时能放出28780kcal的热量。,三、燃料组成对燃烧的影响,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%硫：以三种形态存在：有机硫(CxHySz)、黄铁矿硫(FeS2)和硫酸盐硫（MeSO4)。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。,三、燃料组成对燃烧的影响,水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。,四、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。,煤的分类和组成,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。,煤的成分分析工业分析（proximateanalysis）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（ultimateanalysis）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。,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318323K温度下干燥8小时，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7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重，质量差为挥发分。,煤的分类和组成,煤的工业分析（续）灰分：失去水分和挥发分后的剩余部分放在80020C的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却，该重量为灰分。煤中的灰分主要是二氧化硅，氧化铝，氧化铁，氧化钙等。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。固定碳是煤中主要的可燃物质。,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,煤的分类和组成,煤中硫的形态,煤的分类和组成,在我国煤炭资源中，硫的平均质量分数为1.11,S,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：锅炉燃料的实际成分，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,煤的分类和组成,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,煤的分类和组成,已知某种煤的收到基水分含量为5%，干燥基灰分含量为26%，干燥无灰基元素分析结果：C91.7%，H3.8%，O2.2%，N1.3%，S1.0%。试求该种煤收到基组成。干燥基为1-5%=95%；则灰分占收到基95%26%=24.7%干燥无灰基为95%-24.7%=70.3%C：70.3%91.7%=64.5%H：70.3%3.8%=2.7%O：70.3%2.2%=1.6%N：70.3%1.3%=0.9%S：70.3%1.0%=0.7%,五、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。原油中硫的含量变化范围较大，一般为0.17。,六、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H2S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。,七、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。,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。,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。,典型燃料的着火温度,2.燃料完全燃烧的条件,（3）时间条件燃料在高温区的停留时间应超过燃烧需要的时间。（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”,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。,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）燃料中的固定态氧可用于燃烧；（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,于是，理论空气量,一般煤的理论空气量Va049m3/kg，液体燃料的Va0=10-11m3/kg,例2-1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。,燃烧1mol辛烷需要12.54.7859.75mol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8947.2564.25，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%,例2-2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。设有1000g煤。,a=x+y/4+z-w/2=64.3+13+0.812-1.845=76.27mol,1kg煤需要的理论氧气量a为：,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。,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：,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。,燃烧产物与温度的关系：,三、燃烧产生的污染物,燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：,三、燃烧产生的污染物,发热量：单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下的热量变化（kJ/kgorkcal/kg）高位发热量：包括燃料生成物中水蒸气的汽化潜热低位发热量：燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量,WH,WW燃料中氢和水分的质量百分数,四、热化学关系式,燃烧设备的热损失排烟热损失不完全燃烧热损失（化学不完全、机械不完全燃烧）散热损失,四、热化学关系式,燃烧热损失与空燃比的关系,在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。,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,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=10.996m3,练习2.3,a=x+y/4+z-w/2=66.3+9.25+0.186-1.47=74.3mol,过剩空气为355.20.2=71.0mol,实际烟气量=理论烟气量+过剩空气量,1kg煤需要的理论氧气量a为：,理论烟气组分：共366.2molCO266.3mol；H2O18.5mol；SO20.186mol；N20.32+74.33.78=281.2molSO2浓度：0.186/(366.2+71.0)=0.04%,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，在标准状态下（温度Tn、压力Pn）烟气的体积为Vn，密度为，则标准状态下的烟气体积：,2.烟气体积和密度的校正,标准状态下烟气的密度：,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+3.78N2CO2+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）3.78N2CO2+aO2+（1+a）3.78N2,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）3.78N2CO2p+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。,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0.264N2pO2p，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。,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：,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。,例2-4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106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)C88373.5873.58H959523.75S160.50.5H2O0.50.02780,（1）理论需氧量为73.5823.750.597.83mol/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（3.781）467.63mol/kg重油即467.6322.4/1000=10.47m3N/kg重油（2）理论空气量条件下烟气组成为(mol)为CO2:73.58，H2O：47.50.0278SO2:0.5,N2:97.833.78理论烟气量为：73.58(47.50.0278)0.597.833.78491.4mol/kg重油即491.422.4/100011.01m3N/kg重油空气过剩系数1.2，实际烟气量为11.0110.470.213.10m3N/kg重油,烟气中SO2的体积为0.50.9722.4/1000=0.0109m3N/kg重油SO3的体积为：0.50.0322.4/10003.36104m3N/kg重油所以，烟气中SO2及SO3的浓度分别为：SO2=0.0109/13.1010683210-6SO3=3.3610-4/13.1010625.