第2章-燃烧与大气污染

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.烟气体积及污染物排放量计算4.燃烧过程中硫氧化物的形成5.颗粒污染物的形成6.其他污染物的形成第一节燃料的性质按获得方法按物态分

天然燃料人工燃料燃烧特点气体燃料

天然气高炉煤气、焦炉煤气燃烧迅速，空气与燃料的扩散或混合控制液体燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油以气态形式，受蒸发过程控制固体燃料木柴、煤、油页岩

木炭、焦炭、煤粉等两种现象控制，挥发分和固定碳1.

燃料的定义和分类定义：在燃烧过程中，能够放出热量、且在经济上可以取得效益的物质。分类：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第一节燃料的性质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第一节燃料的性质3.

燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。

1kg纯碳完全燃烧放出32860kJ的热量（不完全9268kJ

）。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短。氢：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。氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量第一节燃料的性质氮：很少，一般0.5%~1.5%硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。灰分：燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。第一节燃料的性质4.煤的分类和组成

(1)煤的基本分类褐煤最低品味的煤，形成年代最短，热值较低烟煤形成年代较褐煤长，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,发热量大第一节燃料的性质(2)煤的成分分析第一节燃料的性质水分：外部水分：一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318～323K（45－50℃）温度下干燥8h，取出冷却，称重

外部水分内部水分：将失去外部水分的煤样保持在375～380K（102－107℃）下，约2h后，称重

内部水分内外之和是全水分，一般控制煤中水分10－13％。工业分析:工业分析元素分析测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳，估测硫含量和热值评价工业用煤主要指标。第一节燃料的性质灰分：煤中不可燃矿物质的总称，其含量和组成因煤种和加工的不同而异。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灰分的组成：挥发分：定义：隔绝空气的条件下加热分解出的可燃气体物质测定：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。组成：H2、CH、CO、H2S等相同的热值，挥发分越高越容易燃着固定碳定义：从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分测定：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再变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳第一节燃料的性质碳和氢：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，酸滴定硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，SSO42-，重量法测定硫酸钡沉淀第一节燃料的性质(3)煤的元素分析是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。第一节燃料的性质(4)煤中硫的形态灰分的一部分挥发硫挥发硫SOx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

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第一节燃料的性质(5)煤的成分的表示方法干燥基：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，比较稳定。第一节燃料的性质煤的成分的表示方法及其组成的相互关系第一节燃料的性质5.其他燃料石油液体燃料的主要来源，比重0.78－1.00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，发热量增加天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％第一节燃料的性质非常规燃料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第一节燃料的性质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其重要性：能够代替日益减少的化石燃料；同时也是处理废物的有效方式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)C77.2

12=6.43

6.43=1.00H5.20

1=5.20

6.43=0.808N1.20

14=0.0857

6.43=0.013S2.60

32=0.0812

6.43=0.013O5.90

16=0.369

6.43=0.057ash7.9

6.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

第一节燃料的性质一.影响燃烧过程的主要因素1燃烧过程及燃烧产物

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第二节燃料燃烧过程空气条件：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）：燃料与氧充分混合第二节燃料燃烧过程2燃料完全燃烧的条件（3T）:二.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CxHySzOw第二节燃料燃烧过程1、理论空气量燃料重量

=12x+1.008y+32z+16w理论空气量：第二节燃料燃烧过程CxHySzOw燃烧方程式：例题1第二节燃料燃烧过程2、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第二节燃料燃烧过程体积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：12

8+1.008

18=114.14空气的质量：32

12.5+28

3.78

12.5=1723空燃比A/F=15.11第二节燃料燃烧过程质量比3、空燃比第二节燃料燃烧过程例题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：

％（以质量计）

mol/100g煤

mol/mol（碳）C77.26.431H5.25.20.808N1.20.08570.013S2.60.08120.013O5.90.3690.057灰分7.9

1.231、计算煤的化学组成所以，该煤组成可以表示为：CH0.808N0.013S0.013O0.057根据：质量百分比第二节燃料燃烧过程燃料的摩尔质量，即相对于每摩尔碳的质量，包括灰分，为2、燃烧方程式：3、理论空气条件下燃料/空气的质量比为：单位质量燃料（1kg）需要空气的标准体积为：第二节燃料燃烧过程一般煤的理论空气量为4－9m3/kg液体燃料的理论空气量为10－11m3/kg注意：1、选择统一合理的计算的标准，比如：100g煤，1mol碳2、计算过程贯穿质量(物质的量)守恒3、可以不按照燃烧方程计算首先写出燃料的组成表达式（化学式）然后按照燃烧方程进行方法归纳：第二节燃料燃烧过程例题3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%,H200.5%；灰分0.10％，试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量。解：以1kg重油燃烧为基础

重量（g）

物质的量mol

需氧数molC88373.5873.58H9547.523.75S160.50.5H2O0.50.02780理论需氧数为：76.58＋23.75＋0.5＝97.83mol/kg重油假定干空气中氮和氧的摩尔比为3.78，则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为：

97.83×4.78＝467.63mol/kg重油

即：467.83×22.4/1000＝10.47m3/kg重油三.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程并不是燃烧方程所示的简单过程燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等燃烧产物的影响因素：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第二节燃料燃烧过程燃烧产物与温度的关系：第二节燃料燃烧过程燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：第二节燃料燃烧过程四.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第二节燃料燃烧过程燃烧设备的热损失排烟热损失一般为6－12％，受排烟温度和排烟体积影响不完全燃烧热损失包括化学不完全燃烧和机械不完全燃烧

散热损失炉墙、管道等散热第二节燃料燃烧过程燃烧热损失与空燃比的关系第二节燃料燃烧过程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

1、理论烟气体积

定义：在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积主要成分：CO2、SO2、N2和H2O干烟气、湿烟气2、烟气体积和密度的校正转化为标态下（273K、1atm）的体积和密度第三节烟气体积及污染物排放量计算一.烟气体积计算空气中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即进入燃烧系统的空气总氧量为0.264N2P理论需氧量

=0.264N2P-O2pa=实际空气量/理论空气量

=4.78实际供氧量/4.78理论需氧量第三节烟气体积及污染物排放量计算3、过剩空气校正（完全燃烧）理论需氧量=0.264N2P-O2P，空气过剩系数

:假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正：O2P-0.5COP以上组分的量均可由烟气分析仪测定。

第三节烟气体积及污染物排放量计算4、实际烟气体积考虑空气过剩后，实际烟气体积为：实际烟气体积理论烟气体积过剩空气体积第三节烟气体积及污染物排放量计算理论空气体积二.污染物排放量计算方法：根据实测的污染物浓度和排烟量根据燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度第三节烟气体积及污染物排放量计算例题：第三节烟气体积及污染物排放量计算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%,H200.05%；灰分0.10％，若燃烧1kg重油且燃烧过程中硫全部转化为SOx（SO2占97％），试计算空气过剩系数为1.20时烟气中的SO2和SO3浓度，并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。

重量（g）物质的量mol需氧气mol产物molC88373.5873.5873.58CO2H959523.7547.5H2OS160.50.50.5(0.97SO2+0.03SO3)H2O0.50.027800.0278H2O

共97.83N297.83×3.78解：1、1kg重油中：第三节烟气体积及污染物排放量计算理论空气量条件下烟气的组成mol为：73.58＋(47.5＋0.0278)+0.5+97.83×3.78=491.4mol

即：

491.4×22.4/1000=11.01m3/kg重油重油完全燃烧所需要的理论空气量为10.47m3/kg则实际烟气量为：

11.01＋0.2×10.47＝13.10m3/kg其中S