第二章 大气污染与防治-2.ppt

1、1,第二章 大气污染与防治,2,OUTLINE,2.1 大气污染概述 2.2 燃烧与大气污染 2.3 悬浮颗粒物污染控制 2.4 硫氧化物污染控制 2.5 氮氧化物污染控制 2.6 挥发性有机物污染控制 2.7 城市机动车污染控制,3,燃料燃烧的基本原理 污染物的生成机理,2.2 燃烧与大气污染,4,燃料的性质 1.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。 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。,5,煤的工业分析,水分:包括表面吸附水和内部结合水 灰分：煤中不可

2、燃矿物物质的总称，我国煤炭的平均灰分约25。 挥发分：煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质称为挥发分。 固定碳：从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩余的部分就是固定碳，是煤的主要可燃物质。 硫：有机硫(CxHySz)、黄铁矿硫(FeS2)、元素硫和硫酸盐硫（MeSO4)。 氮：C-N键，含氮量为1%-2%。,6,2.石油 原油是天然存在的易流动的液体燃料，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.

3、17。 原油中氮的平均含量为0.65%。,7,3.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。 天然气中的硫化氢具有腐蚀性，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。,8,4.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 污水处理厂废物 可燃性工业和采矿废物 天然存在的含碳和含碳氢的资源,9,燃料的燃烧过程 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

4、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。,10,燃料的燃烧过程 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。空气供应不足，燃烧就不完全。相反空气量过大，会降低炉温，增加锅炉的排烟损失。 （2）温度条件（Temperature） 燃料只有达到着火温度才能燃烧。着

5、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。,11,（3）时间条件（Time） （4）燃料与空气的混合条件（Turbulence） 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”,12,燃料的燃烧过程 3.燃料燃烧的理论空气量 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

6、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。,13,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，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CxHyNzSmOn，其下标x、y、z、m、n分别代表碳、氢、氮、硫和氧的原子数,14,于是，理论空气量 (单位质量燃料需要空气的标准体积，m3/kg),15,计算辛烷(C8H18)在理论空气量条件下燃

7、烧时的燃料/空气质量比，并确定燃烧产物气体的组成。,Example 1,16,显然，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：,Solution 1,17,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： CO2: 8/64.25=0.125=12.5% H2O: 9/64.25=0.140=14.0% N2: 47.25/64.25=0.735=73.5%,18,假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%，N:1.2，S:2.

8、6%，O:5.9%，灰分:7.9%。试计算这种煤燃烧时的理论空气量(以1kg煤所需要的标准空气体积表示，m3/kg）。,Example 2,19,Solution 2,首先确定煤的摩尔组成。为计算简便，相对于单一原子标准化其摩尔组成。,对于该种煤，其组成可表示为CH0.808N0.013S0.013O0.057,20,一般煤的理论空气量Va049m3/kg，液体燃料的Va0=10-11m3/kg,21,燃料的燃烧过程 4.空气过剩系数 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

9、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。,22,燃料的燃烧过程 5.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：,23,燃料的燃烧过程 6.烟气体积 理论烟气量 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,24

10、,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10.56mol的烟气。,25,烟气体积和烟气密度校正 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s，在标准状态下（温度Tn、压力Pn）烟气的体积为Vn，密度为n， 则标准状态下的烟气体积：,26,美国、日本和国际全球监测系统网的标准是298K和1atm，在作数据比较或校对时需要注意。,标准状态下烟气的密度：,27,实际烟气体积 实际燃烧过程是有过剩空气的，

11、因此燃烧过程中实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气体积之和。 若空气不过剩，则烟气中仅含有CO2和N2 C+O2+3.78N2CO2+3.78N2 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,则过剩空气系数为：,28,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，H2O 0.05，灰分0.10%。试确定：（1）燃烧1 kg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时湿烟气中SO2

12、及SO3的浓度，以10-6表示，并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。,Example 3,29,以1kg重油燃烧为基础，则 重量（g) 摩尔数（mol) 需氧量（mol) C 883 73.58 73.58 H 95 95 23.75 S 16 0.5 0.5 H2O 0.5 0.0278 / 灰分 1.0 / /,Solution 3,30,理论需氧量为73.5823.750.597.83mol/kg重油 干空气中氮和氧的摩尔比(体积比)为3.78，则理论空气量为97.83（3.781）467.63mol/kg重油 即467.6322.4/1000=10.47m3N/kg重油

13、理论空气量条件下烟气组成为(mol)为 CO2:73.58，H2O：47.50.0278，SOx: 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 11.0110.47(1.2-1)13.10 m3N/kg重油,31,烟气中SO2的体积为： 0.50.9722.4/1000=0.0109 m3N/kg重油 SO3的体积为： 0.50.0322.4/10003.3610-4 m3N/kg重油 所以，烟气中SO2及SO

14、3的浓度分别为： SO2：0.0109/13.1083210-6 SO3：3.3610-4/13.1025.7510-6 当1.2时，干烟气量为： 491.4-(47.5+0.0278)22.4/1000+10.470.212.04m3N CO2的体积为： 73.5822.4/1000=1.648m3N/kg重油 所以干烟气中CO2的含量以体积百分比表示为： 1.648/12.0410013.69,32,OUTLINE,2.1 大气污染概述 2.2 燃烧与大气污染 2.3 悬浮颗粒物污染控制 2.4 硫氧化物污染控制 2.5 氮氧化物污染控制 2.6 挥发性有机物污染控制 2.7 城市机动车污

15、染控制,33,通常采用除尘装置对排放烟气中的悬浮颗粒物污染进行控制。 根据除尘机理的不同，除尘装置可分为： （1）机械式除尘器 重力沉降室、旋风除尘器和惯性除尘器； （2）湿式除尘器 喷淋洗涤器、文丘里除尘器、冲激式洗涤器、旋风洗涤器 （3）过滤式除尘器 包括袋式除尘器和颗粒层除尘器 （4）电除尘器,34,机械除尘器 利用质量力（重力、惯性力和离心力）的作用使颗粒物与气流分离的装置。 重力沉降室 惯性除尘器 旋风除尘器,35,重力沉降室,36,惯性除尘器,37,38,39,旋风除尘器,40,41,湿式除尘器 湿式除尘器是使含尘气体与液体（一般为水）相互接触，利用水滴和颗粒的惯性碰撞及其作用捕集

16、颗粒或使粒径增大的装置。 湿式除尘器可以有效地将直径0.1-20m的液态或固态粒子从气流中除去，同时也能脱除部分气态污染物。 具有结构简单、造价低、占地面积小、操作及维修方便和净化效果高等优点，能够处理高温、高湿的气流。但要特别注意设备和管道腐蚀以及污水和污泥的处理。,42,喷雾塔洗涤器,43,旋风洗涤器,44,冲激式洗涤器,45,文丘里洗涤器,46,过滤式除尘器 过滤式除尘器，又称空气过滤器，是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，采用滤纸或玻璃纤维等填充层作滤料的空气过滤器，主要用于通风及空气调节方面的气体净化。 虽然过滤式除尘器是最古老的除尘方法之一，但由于它效率高，性能稳定可靠、

17、操作简单，因而获得广泛应用。同时，在结构型式、滤料、清灰方式等方面也得到不断发展。,47,袋式除尘器,48,49,50,51,颗粒层除尘器,52,电除尘器 利用静电力从气流中分离悬浮粒子（尘粒或液滴）的装置，由于作用在粒子上的静电力相对较大，所以电除尘器也能有效地捕集微米级粒子。电除尘器还具有处理气流量大，能连续操作，可在高温或腐蚀性条件下工作等优点。,53,54,55,除尘器的选择,排放标准规定的排放要求 不同的除尘器对不同粒径颗粒的除尘效率完全不同。,56,粉尘颗粒的物理性质 粘性大的粉尘容易粘结在除尘器表面，不宜采用干法除尘 比电阻过大或过小的粉尘，不宜采用电除尘 纤维性或憎水性粉尘不宜

18、采用湿法除尘,57,气体的含尘浓度 含尘浓度较高时，在静电除尘器或袋式除尘器前应设置低阻力的预净化设备，去除较大的尘粒，以使设备更好地发挥作用。 一般说，对文丘里、喷淋塔等湿式除尘器，理想含尘浓度在10g/m3以下；袋式除尘器的理想含尘浓度为0.2-10g/m3；电除尘器希望含尘浓度在30g/m3以下。,58,烟气温度和其他性质 对于高温、高湿气体不宜采用袋式除尘器。如果烟气中同时含有SO2、NO等气态污染物，可以考虑采用湿式除尘器，但必须注意腐蚀问题。 收集粉尘的处理问题 有些工厂工艺本身设有泥浆废水处理系统，或采用水力输灰方式，在这种情况下可以考虑采用湿法除尘，把除尘系统的泥浆和废水纳入工艺系统。 需要考虑的其他因素 必须考虑设备的位置、可以利用的空间、环境条件等因素，设备的一次投资（设备、安装和工程等）以及操作和维修费用等经济因素。,59,除尘器的发展,除尘设备趋向高效率 在工业大气污染控制中，电除尘器与袋式除尘器占