大气污染与控制第二章1

1、1.能源能源2.燃料的性质燃料的性质3.燃料的燃烧过程燃料的燃烧过程4.烟气体积计算烟气体积计算5.燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧过程中硫氧化物的形成6.颗粒污染物的形成颗粒污染物的形成7.其他污染物的形成其他污染物的形成第一节 能源 1.能源的分类按照来源、利用方式、可再生性、利用的历史状况及对环境的影响见表2-12.能源利用概况 世界化石燃料储量世界可再生的估算量中国常规能源探明储量和生产量3.能源利用中的环境问题中国未来大气污染物排放量的预测第二节第二节 燃料的性质燃料的性质1.1. 燃料的分类燃料的分类 按获得方法分按获得方法分 按物态分按物态分 天然燃料天然燃料 人工燃料人工燃料 固体

2、燃料固体燃料 木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料液体燃料 石油石油 汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、重油重油 气体燃料气体燃料 天然气天然气 高炉煤气、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气气、焦炉煤气 2.2. 燃料的化学组成燃料的化学组成典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分2.2. 燃料的化学组成燃料的化学组成2.2. 燃料的化学组成燃料的化学组成v液态燃料的挥发液态燃料的挥发（以汽油为例）（以汽油为例）3.3. 燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响v碳：可燃元素。碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃

3、烧时，放出纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当的热量。当不完全燃烧生成不完全燃烧生成CO时，放出时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高，的热量。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、燃烧缓慢，火焰也短。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，一般煤的含碳量约50%95%。v氢：是燃料中发热量最高的元素。

4、固体燃料中氢的含量为氢：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，以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放出氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热量。的热量。 3.3. 燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响v氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量热量v氮：燃料中含氮量很少，一般为氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%v硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为前两种能放出热

5、量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和和SO3，其中，其中SO2占占95%以上。以上。3.3. 燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响v水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。内部分）组成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。内部水分要放在干燥箱中加热到水分要放在干燥箱中加热到102105 C，保持，保持2h后才后才能除掉。能除掉。v灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。灰分：是燃料中不可燃矿物质，为

6、燃料中有害成分。4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 v煤的基本分类煤的基本分类q褐煤褐煤v最低品味的煤，形成年代最短，热值较低q烟煤烟煤v形成年代较褐煤长，碳含量75%90。成焦性较强，适宜工业一般应用q无烟煤无烟煤v煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差,发热量大4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 v煤的详细分类煤的详细分类4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 v煤的成分分析煤的成分分析工业分析（工业分析（ proximate analysis proximate analysis ） 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。元素分析（元素

7、分析（ ultimate analysis ultimate analysis ） 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。4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤的工业分析煤的工业分析水分：水分：一定重量一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内以下粒度的煤样，在干燥箱内318323K温度下干燥温度下干燥8h，取出冷却，称重，取出冷却，称重 外部水分外部水分将失去外部水分的煤样保持在将失去外部水分的煤样保持在375380K下，约下，约2h后，称重后，称重 内部水分内部水分挥发分：挥发分：失去水分的试样密封在坩埚内，放在失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K

8、的马弗的马弗炉中加热炉中加热7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重，放入干燥箱中冷却至常温再称重 4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤的工业分析（续）煤的工业分析（续）固定碳固定碳失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在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：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从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤中灰分的组成：煤中灰分的组成：v我国煤炭

9、的平均灰分含量为我国煤炭的平均灰分含量为2525v灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤的元素分析煤的元素分析碳和氢：通过燃烧后分析尾气碳和氢：通过燃烧后分析尾气中中COCO2 2和和H H2 2O O的生成量测定的生成量测定氮：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，硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，S SOS SO4 42-2-，滴定，滴定4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤中硫的形态煤中

10、硫的形态4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤的成分的表示方法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：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空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%100%的成分，即在实的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分验室内进行燃料分析时的试样成分 ararararararar100%CHONSAWadadadadadadad100%CHONSAW4.4.

11、煤的分类和组成煤的分类和组成干燥基：以去掉全部水分的燃料作为干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%100%的成分，干燥基更能的成分，干燥基更能反映出灰分的多少反映出灰分的多少 干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%100%的成分的成分dddddd100%CHONSAdafdafdafdafdaf100%CHONS4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v煤的成分的表示方法及其组成的相互关系煤的成分的表示方法及其组成的相互关系 4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v我国部分煤种的分析结果我国部分煤种的分析结果 4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成v我国

12、部分煤种的分析结果我国部分煤种的分析结果( (续）续） 5.5.其他燃料其他燃料 v石油石油液体燃料的主要来源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，发热量增加氢含量增加时，比重减少，发热量增加v天然气天然气典型的气体燃料典型的气体燃料一般组成为甲烷一般组成为甲烷8585、乙烷、乙烷1010、丙烷、丙烷3 35.5.其他燃料其他燃料 v非常规燃料非常规燃料城市固体废弃物城市固体废弃物商业和工业固体废弃物商业和工业固体废弃物农产物和农村废物

13、农产物和农村废物水生植物和水生废物水生植物和水生废物污泥处理厂废物污泥处理厂废物可燃性工业和采矿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天然存在的含碳和含碳氢的资源合成燃料合成燃料 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城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题6.6.燃料组成的表示方法燃料组成的表示方法: : CxHySzOwNv vSample: C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and ash: 7.9% by weight.

14、 Determine the normalized molar composition.vElement Wt % mol/100g mol/mol(碳碳) C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0.808 N 1.20 14 = 0.0857 6.43 = 0.013 S 2.60 32 = 0.0812 6.43 = 0.013 O 5.90 16 = 0.369 6.43 = 0.057 ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molCvThe normalized molar composition:CH0.808N

15、0.013S0.013O0.057 100gg15.556.43 molmolfM（碳）（碳）燃料的最重要的两个属性燃料的最重要的两个属性v热值决定燃料的消耗量v杂质污染物产生的来源第三节第三节 燃料燃烧过程燃料燃烧过程 1.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素燃烧过程及燃烧产物燃烧过程及燃烧产物 完全燃烧：完全燃烧：CO2、H2O不完全燃烧不完全燃烧： 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NOx1.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素v燃料完全燃烧的条件（燃料完全燃烧的条

16、件（3T3T）空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失降低炉温，增加热损失温度条件（温度条件（TemperatureTemperature）：达到燃料的着火温度）：达到燃料的着火温度时间条件（时间条件（TimeTime）：燃料在高温区停留时间应超过）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件（燃料与空气的混合条件（TurbulenceTurbulence）：燃料与氧）：燃料与氧充分混合充分混合1.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素v典型燃料的着火温度典型燃料的着火温度1.1.

17、影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素v燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）为例）1.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素v典型锅炉热损失与过剩空气量的关系典型锅炉热损失与过剩空气量的关系1.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素v燃气比和混合程度对燃烧产物的影响燃气比和混合程度对燃烧产物的影响2.2.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量v建立燃烧方程式的假定建立燃烧方程式的假定：空气组成空气组成 20.9%O2和和79.1%N2，两者体积比为：，两者体积比为：N2/ O2 = 3.78燃料中固定氧可用于燃烧燃料中固定

18、氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为燃料中硫主要被氧化为 SO2不考虑不考虑NOX的生成的生成燃料中的燃料中的N在燃烧时转化为在燃烧时转化为N2燃料的化学式为燃料的化学式为CxHySzOw2.2.燃料燃烧的理论空气燃料燃烧的理论空气量量222222C H S OO3.78N4242 COH OSO3.78N242xyzwywywxzxzyywxzxzQ322.44.78/(121.0083216) m /kg42ywxzxyzw2.2.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量v例题例题：2.2.燃料燃烧的理论空气燃料燃烧的理论空气量量v空气过剩系数空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比。以实际空气

19、量与理论空气量之比。以 表示，表示， 通常通常1部分炉型的空气过剩系数部分炉型的空气过剩系数0实际空气量理论空气量aaVV2.2.燃料燃烧的理论空气燃料燃烧的理论空气量量v空燃比空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量单位质量燃料燃烧所需要的空气质量 例如：例如：汽油（汽油（C8H18）的完全燃烧：）的完全燃烧：汽油的质量：128+1.00818 = 114.14 空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723空燃比 AF=15.1181822222181818CH8O3.78 8N8CO9H O 3.78 8N4443.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物v燃烧可能释

20、放的污染物：燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等、烟、飞灰、金属及其氧化物等v温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响v燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响3.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物v燃烧产物与温度的关系燃烧产物与温度的关系：3.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物v燃料种类对燃烧产物的影响（以燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）电站为例）：3.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物v典型固态燃料的燃烧产物典型固态

21、燃料的燃烧产物：3.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物v典型液态燃料的燃烧产物典型液态燃料的燃烧产物：3.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物v典型气态燃料的燃烧产物典型气态燃料的燃烧产物：4.4.热化学关系式热化学关系式v发热量发热量：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（状态和反应产物终了状态相同下的热量变化（kJ/kg or kcal/kg）高位发热量：包括燃烧生成物中水蒸气的汽化潜热高位发热量：包括燃烧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

22、存在时，完低位发热量：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全燃烧过程所释放的热量LHHW25(9)(kJ/kg)qqWW4.4.热化学关系式热化学关系式v燃烧设备的热损失燃烧设备的热损失排烟热损失排烟热损失不完全燃烧热损失不完全燃烧热损失散热损失散热损失v在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低v不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧4.4.热化学关系式热化学关系式v燃烧热损失与空燃比的关系燃烧热损失与空燃比的关系第四节第四节 烟气体积及污染物排放量计算烟气体积及污染

23、物排放量计算1.1.烟气体积计算烟气体积计算理论烟气体积理论烟气体积 CO2、SO2、N2和和H2O干烟气、标准干烟气、湿烟气干烟气、标准干烟气、湿烟气烟气体积和密度的校正烟气体积和密度的校正转化为标态下（转化为标态下（273K、1atm）的体积和密度）的体积和密度注意：美、日和全球监测系统网的标态为注意：美、日和全球监测系统网的标态为298K、1atm。ssnsnnnnnssspTVVpTpTpT1.1.烟气体积计算烟气体积计算过剩空气校正过剩空气校正实际空气量实际空气量 = （1+ ） （O2 + 3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多完全燃烧：与理论空气量相比多 （O2+ 3.78N2） 此时烟气中，此时烟气中，O2的量为的量为O2P= O2，N2的量的量为为N2P = 3.78 （1+ ） N2空气中空气中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即进入燃烧系统，即进入燃烧系统的空气总氧量为的空气总氧量为 0.264N2P1.1.烟气体积计算烟气体积计算过剩空气校正过剩空气校正理论需氧量理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数，空气过剩系数 = 1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ）假如燃烧过程中产生