第02章 燃烧与大气污染1

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.其他污染物的形成重点：燃料燃烧过程的影响因素，燃烧所需空气量、产生烟气及污染物排放量计算教学目标：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。

第一节燃料的性质1.

燃料的分类按获得方法分

按物态分

天然燃料人工燃料固体燃料木柴、煤、油页岩

木炭、焦炭、煤粉等

液体燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油

气体燃料

天然气

高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气

燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质，主要是含碳物质或碳氢化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、天然气、发生炉煤气等。

2.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比重

煤油

2.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（续）石墨

无烟煤半无烟煤烟煤

次烟煤褐煤

褐煤

3.燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出32860kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ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、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120500kJ的热量。

3.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、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SO2和SO3，其中SO2占95%以上。3.

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。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。内部水分要放在干燥箱中加热到102~105C，保持2h后才能除掉。灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。4.煤的分类和组成

煤的基本分类褐煤最低品味的煤，呈现黑色、褐色或者泥土色，黏结壮或带状，水分含量高，热值低，由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最短。烟煤形成年代较褐煤长，黑色，外形有可见条纹，水分含量为20%-45%，碳含量75%~90％。成焦性较强，适宜工业一般应用无烟煤煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），成焦性差,发热量大，具有明显黑色光泽，机械强度高，储存稳定，不易自燃。

褐煤：烟煤无烟煤4.煤的分类和组成

煤的成分分析工业分析（

proximateanalysis

）

又叫煤的技术分析或实用分析，是评价煤质的基本依据。在国家标准中，煤的工业分析包括煤的水分、灰分、挥发分和固定碳等指标的测定。通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。广义上讲，煤的工业分析还包括煤的全硫分和发热量的测定，又叫煤的全工业分析。

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。4.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

因为挥发分不是煤中固有的，而是在特定温度下热解的产物，所以确切的说应称为挥发分产率。挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳及少量的硫化氢等组成。在相同的热值下，煤中挥发分越高，越容易燃着，火焰越长，越易完全燃烧。但挥发分含量过高，容易造成煤的不充分燃烧，释放出大量的积碳粒子和烟气，形成环境污染。挥发分是煤分类的重要指标。煤的挥发分反映了煤的变质程度，挥发分由大到小，煤的变质程度由小到大。如泥炭的挥发分高达70%，褐煤一般为40～60%，烟煤一般为10～50%，高变质的无烟煤则小于10%。煤的挥发分和煤岩组成有关，角质类的挥发分最高，镜煤、亮煤次之，丝碳最低。所以世界各国和我国都以煤的挥发分作为煤分类的最重要的指标。4.煤的分类和组成煤的工业分析（续）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，是煤中的主要可燃物质灰分：

是煤中不可燃矿物物质的总称，是煤中的有害物质。煤用作动力燃料时，灰分增加，煤中可燃物质含量相对减少。矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而降低了煤的发热量，影响了锅炉操作（如易结渣、熄火），加剧了设备磨损，增加排渣量。煤用于炼焦时，灰分增加，焦炭灰分也随之增加，从而降低了高炉的利用系数。还必须指出的是，煤中灰分增加，增加了无效运输，加剧了我国铁路运输的紧张。煤灰成分及其含量与层聚积环境有关。我国很多煤层的矿物质以粘土为主，煤灰成分则为SiO2，A12O3为主，两者总和一般可达50~80%。在滨海沼泽中形成的煤层，如华北晚石纪煤层黄铁矿含量高，煤灰中Fe2O3及SO3含量亦较高；在内陆湖盆地中形成的某些第三纪褐煤的煤灰中CaO含量较高。4.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4.煤的分类和组成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.煤的分类和组成煤中硫的形态4.煤的分类和组成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

角码“ar”表示收到基成分，因为收到基表示的为实际原料，所以在进行燃料计算及热效应实验时，都以收到基为准。但由于煤外部水分是不稳定的，收到基的百分成分也随之波动，因此用收到基评价煤的性质是不准确的。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

4.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4.煤的分类和组成煤的成分的表示方法及其组成的相互关系

收到基空气干燥基干燥基干燥无灰基5.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，发热量增加原油经过蒸馏、裂化和重整过程，生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。原油中硫一般以有机硫的形式存在，硫的含量一般在0.1%-7%。原油中的馏分大约有80%~90%留于重馏分中。

天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％碳氢化合物以外的其他组分：水、二氧化碳、氮气、氦气和硫化氢。硫化氢具有腐蚀性，燃烧产物为硫的氧化物，所以很多国家规定了天然气的总硫含量和硫化氢含量的最大允许值。5.其他燃料

非常规燃料，除了常规燃料之外，所有可燃性物质都称为非常规燃料，根据来源可分为以下几种：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6.燃料组成的表示方法:CxHySzOwNv

Sample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

燃料的最重要的两个属性热值决定燃料的消耗量杂质污染物产生的来源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

燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。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一、影响燃烧过程的主要因素2、燃料完全燃烧的条件（3T）空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度2、燃料完全燃烧的条件（3T）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。

时间条件（Time）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件（Turbulence）：燃料与氧充分混合

混合程度取决于空气的湍流度，若混合不均匀，将导致不完全燃烧产物的产生。燃料与空气之比、温度、时间、湍流度是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，评价燃烧过程及燃烧设备时必须认真考虑这些因素，通常把温度、时间与湍流称为燃烧过程的“3T”2、燃料完全燃烧的条件（3T）2.燃料燃烧的理论空气量理论空气量：单位量燃料按照燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量。空气过剩系数：超过理论空气量多给的空气量称为过剩空气量，实际空气量与理论空气量之比为空气过剩系数

空燃比：（AF）定义为单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。富燃条件空气量低于完全燃烧所需要的量，即空燃比小于理论空气量。富燃条件下，燃料不能充分燃烧，燃烧温度较低。

理论空气条件

即空燃比等于理论空燃比，燃料能充分燃烧，燃烧区温度接近极大值。由于燃料能充分燃烧，理论空气条件下，不完全燃烧产物HC、CO的排放大大减少。

贫燃条件

空燃比略大于理论空燃比条件下，燃料与空气充分混合，仅产生微量CO和少量HC，随着燃烧温度达到最大值，NOx生成量最高。空气继续过量，一部分燃烧产生的热量需要预热空气，导致燃烧温度降低，因此NOx生成量减小。2.燃料燃烧的理论空气量建立燃烧方程式的假定：空气组成

20.9%O2和79.1%N2，两者体积比为：N2/O2=3.78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CxHySzOw2.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

2.燃料燃烧的理论空气量例题：2.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2.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

例如：汽油（～C8H18）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=15.113.燃烧过程中产生的污染物燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响3.燃烧过程中产生的污染物燃烧产物与温度的关系：3.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）：3.燃烧过程中产生的污染物典型气态燃料的燃烧产物：丁烷

丙烷

4.热化学关系式发热量：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存在时，完全燃烧过程所释放的热量4.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散热损失4.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1.烟气体积计算理论烟气体积

CO2、SO2、N2和H2O干烟气、标准干烟气、湿烟气烟气体积和密度的校正转化为标态下（273K、1atm）的体积和密度注意：美、日和全球监测系统网的标态为298K、1atm。1.烟气体积计算过剩空气校正实际空气量

=（1+）（O2+3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多（O2+3.78N2）

此时烟气中，O2的量为O2P=O2，N2的量为N2P=3.78（1+）N2空气中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即进入燃烧系统的空气总氧量为0.26