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1、大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,1,2.4 洁净燃烧技术,2 洁净燃烧技术,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,2,2 洁净燃烧技术,本章主要内容： 燃料的分类； 燃料的燃烧过程及影响因素：燃烧及产物、完全燃烧的条件、发热量与热损失； 燃烧设备； 燃烧产生的污染物及机制； 清洁燃烧技术; 燃烧过程污染物排放量的计算。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,3,2.1燃料的燃烧过程 2.1.1燃料的种类与性质 燃料指燃烧过程中能放出热量且经济上可行的物质。 按来源：天然、加工燃料 ；按物态：固体、液体和气体燃料 ；按使用多少：常规和非常规燃料 ； （1）固体燃料 天然固体燃料：矿物燃料(煤)、
2、生物质燃料(林木)。 煤的主要组成和元素：C、H、O、N、S及一些非可燃性矿物如灰分和水分等。 碳是煤发热主要来源，32700kJ/kg碳。 煤含氢3% 5%，结合氢和氧结合成稳定化合物不能燃烧(如:H2O)，可燃氢与碳、硫结合成有机物。 灰分是煤中的碳酸盐、黏土及微量稀土元素。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,4,煤中的硫分有无机硫（硫铁矿和硫酸盐）和有机硫（硫醇、硫醚等）两种形态。 分为低硫煤（4%）。 （2 ）液体燃料 天然液体燃料主要指石油，加工液体燃料汽油、煤油、柴油和重油（石油直馏和裂化作用）等。 燃料乙醇是替代能源，解决玉米等陈化粮问题。 乙醇几乎完全燃烧，不产生对人体有害物
3、质，降低汽车尾气有害物排放。 水煤浆(70%煤、30%水及少量化学添加剂)。浆体燃料，像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧. 优点:燃烧效率高、减少环境污染等。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,5,（3）气体燃料 气体燃料属于清洁燃料，主要包括天然气、液化石油气(LPG)、裂化石油气和焦炉煤气。 天然气主要成分甲烷，其次乙烷等饱和烃，有少量CO2、N2、O2、H2S和CO等。 液化石油气主要成分 C2、C3 和C4组分，输送和贮存时液体状态，燃烧是气体状态，广泛用于居民生活和汽车等燃料。 裂化石油气是用水蒸气、空气或氧气等作气化剂，将石油和重油等油类裂化而得，一般作民用燃料。 焦炉煤气炼焦生
4、产副产物，主要成分 H2、CH4和CO，少量N2、CO2，广泛用作工业和民用燃料。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,6,2.1.2 影响燃烧过程的主要因素 影响燃烧过程的主要因素： 足够量的空气； 足够高的的燃料温度； 燃料与氧气在炉膛高温区停留足够的时间； 燃料与氧气的充分混合。 在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧的四个因素： 空气与燃料之比、温度(temperature)、时间(time)和湍流(torrent)，后三者通常称为燃烧过程的“三T”。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,7,（1）燃料燃烧过程需要的空气量和空气过剩系数 燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释
5、放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。 完全燃烧（C和H完全转化）和不完全燃烧。 按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。 多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO等。 若燃料中含S、N会生成SO2和NOx。 燃烧产生的污染物：硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、烟尘、金属氧化物、碳氢化合物及多环有机物。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,8,理论空气量 将完全燃烧1kg或1m3(标准状态)燃料理论所需的空气量称为理论空气量，用符号Ao表示。 空气过剩系数（） 实际的燃料燃烧过程中，为了使燃料能够完全燃烧，必须提供过量的空气。超出理论空气量的空气称为过剩空气。 实
6、际供给的空气量与理论空气量比值称为空气过剩系数 空燃比（AF） 指单位质量燃料燃烧所需要空气的质量。可由燃挠方程直 接求得。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,9,（2）燃料的着火温度 只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。 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。见教材19页表2-3。 反应速度随温度升高而加快，Tt。 （3）燃烧的时间与空间因素 时间因素是指燃料在燃烧妒中停留时间的长短。 空间因素是指燃烧室的大小与形状。 （4）燃料与空气的混合 混合程度取决于空气湍流度。燃料不同，湍流作用不同。 对于蒸气相的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发；对于固体燃料的燃烧，湍流有助于提
7、高额粒表面反应氧气的传质速度，使燃烧过程加速,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,10,2.1.3 发热量与热损失 （1）发热量 单位质量燃料完全燃烧产生的热量，在燃烧前后状态相同情况下(通常指298K和101325Pa)的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是kJkg，或KJm3。 （2）热损失 排烟热损失 排烟带走部分热量，一般锅炉排烟热损失为6%12%。 减少措施：设置省煤器和空气预热器。一般工业锅炉排烟温度取433473K，大中型锅炉取383453K。 不完全燃烧热损失 化学不完全燃烧热损失：烟气中残留的CO及少量的H2、CH4等可燃气体。 机械不完全燃烧热损失：灰渣未燃尽的碳、漏煤和飞
8、灰带走的碳产生的热损失。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,11,2.1.4 固体燃料的燃烧过程和设备 固体燃料的燃烧主要指煤或焦炭的燃烧。煤的燃烧过程概括起来至少有四个主要过程： 气相中的氧分子扩散到煤粒子的表面； 煤中挥发分的扩散； 进行化学反应； 反应产物转移到气流中。 煤的燃烧方式分为层燃、室燃和流态化燃烧。 燃烧设备大致可以分为炉排炉、煤粉炉、旋风燃烧炉和流化床锅炉。 各种炉排炉采用层燃方式； 煤粉妒和旋风燃烧炉则采用室燃方式； 沸腾炉和循环流化床锅炉均属于流态化燃烧方式。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,12,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,13,链条炉示意图,大气污染控
9、制技术,2 洁净燃烧技术,14,振动炉排炉示意图,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,15,抛煤机炉排炉示意图,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,16,圆柱形煤粉燃烧炉,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,17,旋风燃烧炉示意图,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,18,典型的流化床锅炉示意图 1.原煤仓；2.石灰石仓；3.二次风；4.一次风; 5.燃烧室; 6.旋风分离器; 7.外置流化床热交换器; 8. 控制阀; 9.对流竖井; 10.除尘器; 11引风机.; 12.汽轮发电机; 13.烟囱,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,19,2.1. 5 气体燃料的燃烧过程和设备 气体燃料燃烧分
10、三个阶段： 气体燃料与空气的混合阶段； 混合后可燃气的加热和着火阶段； 可燃气燃烧反应阶段。 第一阶段是一个物理过程，混合过程不仅需要一定的时间，而且还要消耗一定的能量。 根据气体与空气混合状况的不同，可将气体燃料的燃烧过程分为有焰燃烧、无焰燃烧和半无焰燃烧三种过程。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,20,(1)有焰燃烧 有焰燃烧是指气体燃料和空气在燃烧器中不预先混合，而是送入燃烧室进行边混合边燃烧，可见明显的火焰。 (2)无焰燃烧 指气体燃料和空气在进入燃烧室前就已混合均匀，又称混合燃烧。 (3)半无焰燃烧 半无焰燃烧是将燃烧所需要的空气分两部分与气体燃料相互混合燃烧，一部分空气(一次空
11、气）在预热室内与气体燃料混合；另一部分空气(二次空气)借助于混合后可燃气的喷射作用，携入燃烧室进行边混合边燃烧。 气体燃烧无一例外均为室燃烧； 不同类型燃烧装置差别：燃烧室结构、喷嘴结构、空气和燃料供给装置、点火装置及安全装置等方面。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,21,半无焰燃烧示意图,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,22,2.1.6液体燃料的燃烧过程和装置 液体燃料的燃烧过程：燃料的雾化、油雾粒子中可燃物的蒸发和扩散、可燃气体与空气的混合以及可燃气体氧化燃烧等。 液体燃料燃烧也只能进行室燃烧。,燃料油、水蒸气雾化剂和空气的供给方式,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,23,2.2
12、 燃烧过程中主要污染物的形成机制 2.2. 1 硫氧化物的形成机制 硫氧化物是指SO2和SO3。当燃料中的可燃性硫进行燃烧时，就生成了SO2。 元素硫燃烧 S + O2 = SO2 硫化物硫燃烧 SO2 + 1/2O2 = SO3 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 SO2 + 1/2O2 = SO3（1%5%） 有机硫CH3CH2SCH2CH3H2S + 2H2 + 2C + C2H4 H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O SO2 + 1/2O2 = SO3 一般主要生成SO2， SO3可忽略。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,24,2.2. 2 氮氧化物
13、的形成机制 大气中的NOx90%以上产生于燃烧过程。 （1）热力型NOx 热力型NOx是高温燃烧时N2和O2反应生成的NOx； 与燃烧温度、氧气的浓度及气体在高温区的停留时间有关。 燃烧温度低于1300时，只有少量NO生成，燃烧温度高于1500 时，NO的生成量显著增加。 N2 + O2 = 2NO 2NO + O2 = 2NO2 减少热力型NOx的生成量措施：降低燃烧温度，减少过量空气，缩短气体在高温区停留的时间。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,25,（2）燃料型NOx 燃料型NOx燃料中有机氮经过化学反应生成的NOx。 燃料型NOx的发生机制：一般认为，燃料中的氮化合物首先发生热分解
14、形成中间产物，然后再经氧化生成NO。 燃料中的氮经过燃烧约有20%70%转化成燃料型NOx，主要是NO，在一般锅炉烟道气中只有不到10%的NO氧化成NO2。 旋风燃烧炉因炉温高，使燃料中的氮大部分转化为NOx，热力型NOx生成量也增加，限制了使用。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,26,2.2. 3 颗粒污染物的形成机制 燃烧过程中产生的颗粒污染物主要是燃烧不完全形成的炭黑、结构复杂的有机物、烟尘和飞灰等。 （1）燃煤粉尘的形成 煤在非常理想的燃烧条件下，可以完全燃烧，即挥发分和固定炭都被氧化成二氧化碳，余下灰分。 燃烧条件不够理想，在高温时会发生热解作用，形成多环化合物而产生黑烟。 随烟
15、气一起排出的固体颗粒物一般都称为飞灰，包括未燃尽的煤粒、燃尽后余下的灰粒及燃烧过程中形成的炭黑等。 （2）气、液燃料燃烧形成的碳粒子 气态燃料燃烧的颗粒污染物为积碳，液态燃料高温分解形成颗粒污染物为结焦和煤胞。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,27,2.3 煤脱硫技术和低NOx生成燃烧技术 燃煤脱硫技术可划分为： (1) 燃烧前脱硫 原煤在投入使用前，用物理、物理化学、化学及微生物等方法，将煤中的硫份脱除掉。 炉前脱硫能除去灰分，减轻运输量，减轻锅炉的粘污和磨损，减少灰渣处理量，还可回收部分硫。 煤的洗选技术、煤的转化。 (2) 燃烧中脱硫 在燃烧过程中，在炉内加入固硫剂，使煤中硫分转化为
16、硫酸盐，随炉渣排除。 型煤固硫及流化床燃烧脱硫。 (3) 燃烧后脱硫 烟气脱硫。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,28,2.3.1煤脱硫技术 (1)燃烧前脱硫 洗煤又称选煤，是通过物理或物理化学方法将煤中的含硫矿物和矸石等杂质去除，来提高煤的质量。是燃前除去煤中矿物质，降低硫含量的主要手段。 煤炭经洗选后，可使原煤中的含硫量降低40一90，含灰分降低50一80。 目前广泛采用的选煤工艺仍是重力洗选法。 重力洗选：利用煤与杂质密度不同进行机械分离。 硫的净化效率取决于煤中黄铁矿的颗粒大小及无机硫含量。有机硫含量大，或煤中黄铁矿嵌布很细时，仅用重力脱硫法，精煤硫分很难达到要求。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,29,淘汰分选原理图,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,30,跳汰式洗煤机 入洗粒度30mm；筛板槽框宽18mm；跳汰面积：3.6m2； 水压：0.8-1公斤/平方厘米；用水量150吨/小时,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,31
