大气污染控制工程_燃烧与大气污染

1、1o教学内容教学内容o1 燃料的性质燃料的性质 o2 燃料燃烧过程燃料燃烧过程 o3 烟气体积及污染物排放计算烟气体积及污染物排放计算 o4 燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧过程中硫氧化物的形成 o5 燃烧过程中颗粒物的形成燃烧过程中颗粒物的形成 o6 燃烧过程中其他污染物的形成燃烧过程中其他污染物的形成 22 燃烧与大气污染燃烧与大气污染(1)o1.1.教学要求教学要求 了解常见民用及工业燃料的组成和性质；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；的因素； 学会计算燃烧过程产生的烟

2、气量和污染物浓度；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烧条件减少污染物生成的途径o2 2、教学重点、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。烧过程污染物排放计算。o3 3、教学难点、教学难点 燃烧过程污染物排放计算。燃烧过程污染物排放计算。建议学时数：建议学时数：4学时学时31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

3、 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 燃料燃料的定义：指燃烧过程中能放出热量，且的定义：指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质经济上可行的物质4563.3. 燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响o碳碳：可燃元素。：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出纯碳完全燃烧时，放出7850 kcal的热量。的热量。当不完全燃

4、烧生成当不完全燃烧生成CO时，放出时，放出2214 kcal的热量。纯碳起燃温度的热量。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、氮、硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性氢、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，一般煤的含碳量约50-95%。o氢氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含

5、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28780 kcal的热量。的热量。 73.3. 燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响o氧氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量o氮氮：燃料中含氮量很少，一般为：燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%o硫硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种：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。硫燃烧生成产物为能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和和SO3，其，其中中

6、SO2占占95%以上。以上。83.3. 燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响o水分水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。：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（内煤中水分由表面水分（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。部水分）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内部水分要放在干燥箱中加热到102-105 C，保持，保持2h后才能除掉。后才能除掉。o灰分灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。91011煤的成分分析煤的成分分析工业分析

7、（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。含量和热量，是评价工业用煤的主要指标。 元素分析（元素分析（ 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。组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。12（1）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

8、的煤样，在干燥箱内318-323K温温度下干燥度下干燥8小时，取出冷却，称重小时，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375-380K下，约下，约2h后，称后，称重重 内部水分内部水分外部水分外部水分内部水分内部水分=煤所含的全水分煤所含的全水分。煤所含水分使热煤所含水分使热值降低值降低，影响燃烧稳定，一般控制煤中水分在，影响燃烧稳定，一般控制煤中水分在10%13%。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的马弗炉中加的马弗炉中加热热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重分钟，放入干燥箱中冷却至常温再

9、称重 。13（1）煤的工业分析煤的工业分析 固定碳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从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳定碳，是煤的主要可燃物质。，是煤的主要可燃物质。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的环境中灼烧到重量不在变化时，取出冷却。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焦炭所失去的重量为固定碳。灰分灰分：灰分是煤中不可燃矿物物质的总称灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。 高灰分高灰分、低熔点的煤极易结渣、低熔点的煤极易结渣，从尔影响热效率从尔影响热效率。14（1）煤的工

10、业分析煤的工业分析o煤中灰分的组成：煤中灰分的组成：o我国煤炭的平均灰分含量为我国煤炭的平均灰分含量为2525o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15 （2）煤的元素分析煤的元素分析碳和氢：通过燃烧后分析尾气中碳和氢：通过燃烧后分析尾气中COCO2 2和和H H2 2O O的生成量的生成量测定测定氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，滴定收，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16（3）煤中硫的形

11、态煤中硫的形态17 （3）煤中硫的形态煤中硫的形态oa.a.硫化铁硫硫化铁硫：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿硫。硫。o黄铁矿：硬度黄铁矿：硬度 66.5 , 比重比重 4.75.2o本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收本无磁性，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。微波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。ob. b. 硫酸盐硫硫酸盐硫: : 硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰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。渣里，是灰分的一部分，其它形态的硫能燃烧放出热量。

12、通常所说的通常所说的SOx污染物只包括有机硫、硫化物，不包污染物只包括有机硫、硫化物，不包括括MeSO4。oc.c.有机硫：有机硫：以各种官能团形式存在。如噻吩、芳香基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。化学方法脱硫。18（4）煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法o要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比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，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收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和

13、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，即在的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分实验室内进行燃料分析时的试样成分 100%arararararararCHONSAW100%adadadadadadadCHONSAW19（4）煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法干燥基：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，干燥的成分，干燥基更能反映出灰分的多少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100%dafd

14、afdafdafdafCHONS100%ddddddCHONSA20（4）煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法o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 21（4）煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法o我国部分煤种的分析结果我国部分煤种的分析结果 22（4）煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法o我国部分煤种的分析结果我国部分煤种的分析结果( (续）续） 23 二二、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

15、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o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3 324 四四、其他燃料其他燃料 o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

16、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25五五、燃料组成的表示方法燃料组成的表示方法: CxHySzOwNv : CxHySzOwNv oSample: C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and ash: 7.9% by weight. Determine the normalized molar composition.oElement Wt % mol/100g mol/mol C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0

17、.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/molCoThe normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057 10015.556.43fggMmolCmolC26 六六、燃料的最重要的两个属性燃料的最重要的两个属性v热值热值n决定燃料的消耗量决定燃料的消耗量v杂质杂质n污染物产生的来源污染物产生的来源272 燃料燃烧过程燃料燃烧过程 一

18、一. .影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素1.1.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、黑烟及其他部分氧化产物分氧化产物如果燃料中含有如果燃料中含有S和和N，则会生成，则会生成SO2和和NO空气中的部分空气中的部分N可能被氧化成可能被氧化成NO热力型热力型NOx28 一一. .影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素o2.2.燃料完全燃烧的条件（燃料完全燃烧的条件（3T3T）空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降

19、低炉温，增加热损失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燃烧）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间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）：燃料与氧充分混合）：燃料与氧充分混合29 一一. .影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素 o典型燃料的着火温度典型燃料的着火温度30 一一. .影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素o燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以燃烧火焰温度与燃

20、料混合比的关系（以CH4为例）为例）31 一一. .影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素o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32 一一. .影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素o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33 二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量1.理论空气量理论空气量o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氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为燃料中硫主要被

21、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燃料的化学方程式为燃料的化学方程式为CxHySzOw34 二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量2222223.784242 3.78242xyzwywywC H SOxzOxzNyywxCOH OzSOxzNQ 35二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量kgmwzyxwzyxwzyxwzyxVa/1632008. 112/241 .1071632008. 112/2476. 44 .223036二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量o 3.66.0 褐煤褐煤o一般

22、煤的理论空气量一般煤的理论空气量 7.58.5 无烟煤无烟煤 o 910 烟煤烟煤o液体燃料（燃料油）的液体燃料（燃料油）的o 煤炉：煤炉：4.55.5 o煤气煤气 液化气：液化气：2.97 o 高炉：高炉： 0.7o 干干: 8.849.01o 天然气天然气o 湿：湿：11.412.137 二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量o例题：例题：38二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量o2.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0VVaa实际空气量理论空气

23、量39 二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量o3 3空燃比（空燃比（AFAF）o定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。由燃烧方程直接求得。o例如，甲烷在理想空气量下的完全燃烧：例如，甲烷在理想空气量下的完全燃烧：oCH42O27.56N2CO27.56N2o空燃比空燃比：oAF=2327.5628/116=17.2o汽油（汽油（C8H18）的理论）的理论空燃比为空燃比为1515o纯碳的理论纯碳的理论空燃比约为空燃比约为11.511.540 三三. .燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物o燃料种类对燃烧产物的

24、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）：41 二二. .燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量o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%,S：1.6%，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。o解：以1kg重油燃烧为基础，则：42 重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C88373587358H954752375S160505H2O0500278043o理论需氧量为：理论需氧量为： o73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油重油o假定空气中假定空气中N2与与O2的摩尔比为的摩尔比为3.76(体积比体积比) 则，理论空气量为：则，理论空气量为： mol/kg重油重油o即即 Nm3/kg重油重油67.465176. 383.9743.1010004 .2267.46544三三. .燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物o燃烧可能释放的污染物：燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、