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1、大气污染控制工程,第三讲 燃烧与大气污染,2,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,3,燃烧与大气污染-燃料的性质,燃料的分类,4,燃烧与大气污染-燃料的性质,典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分,5,燃烧与大气污染-燃料的性质,典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分(续),6,燃烧与大气污染-燃料的性质,碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ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
2、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，1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热量。,7,燃烧与大气污染-燃料的性质,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。,8,燃烧与大气污染-
3、燃料的性质,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102105C，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。,9,燃烧与大气污染-燃料的性质,10,燃烧与大气污染-燃料的性质,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,11,燃烧与大气污染-燃料的性质,褐煤,烟煤,无烟煤,12,煤的详细分类,燃烧
4、与大气污染-燃料的性质,13,燃烧与大气污染-燃料的性质,煤的成分分析 工业分析（ proximate analysis ） 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。 元素分析（ ultimate analysis ） 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。,14,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318323K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375380K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7m
5、in，放入干燥箱中冷却至常温再称重,燃烧与大气污染-燃料的性质,15,燃烧与大气污染-燃料的性质,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，是煤的主要可燃物质。 灰分： 煤中不可燃矿物物质的总称。,16,燃烧与大气污染-燃料的性质,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,17,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，S SO42-，滴定,燃烧与大气污染-燃料的性质,18,煤中硫的
6、形态,燃烧与大气污染-燃料的性质,19,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 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,燃烧与大气污染-燃料的性质,20,燃烧与大气污染-燃料的性质,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,21,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,燃烧与大气污染-燃料的性质,22,我国部分煤种的分析结果,燃烧与大气污染-燃料的性质,23,燃烧
7、与大气污染-燃料的性质,我国部分煤种的分析结果(续）,24,燃烧与大气污染-燃料的性质,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 天然气 典型的气体燃料 一般组成为甲烷85、乙烷10、丙烷3,25,燃烧与大气污染-燃料的性质,其他燃料,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 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
8、问题,26,燃烧与大气污染-燃料的性质,Sample: 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. Element Wt % mol/100g mol/mol(碳) C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0.808 N 1.20 14 = 0.0857 6.43 = 0.013 S 2.60 32 = 0.0812 6.43 = 0.013 O 5
9、.90 16 = 0.369 6.43 = 0.057 ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molC The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057,27,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,燃烧与大气污染-燃料的性质,28,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,影响燃烧过程的主要因素 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,29,燃
10、烧与大气污染-燃料燃烧过程,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 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,30,典型燃料的着火温度,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,31,燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,32,典型锅炉热损失与过剩空气量的关系,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,33,燃气比和混合程度对燃烧产物的影响,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,34,燃烧与
11、大气污染-燃料燃烧过程,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,35,燃烧方程式： 燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w 理论空气量： 煤 47 m3/kg，液体燃料1011 m3/kg,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,36,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,例题：,37,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,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,3
12、8,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,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=15.11,39,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,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。 解：以1kg重油燃烧为基础，则：,40,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,2009.10,41,理论需氧量为： 73.58+23.75+0.5=97.
13、83 mol/kg重油 假定空气中N2与O2的摩尔比为3.78(体积比) 则，理论空气量为： mol/kg重油 即 m3/kg重油,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,42,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,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 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,43,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,燃烧产物与温度的关系：,44,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：,45,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,燃烧方式：,固体燃料的燃烧方式有 层状燃烧 悬浮燃
14、烧 悬浮燃烧 流化床燃烧（FBC） 液体和气体燃料均属于悬浮燃烧。,46,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,层状燃烧 燃料置于炉排（又称炉栅或炉篦）上燃烧，燃烧可以自下而上进行（称正烧）或自上而下进行（称反烧）。常见的炉排形式有固定式、往复式、平移式（链条炉排）。,47,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,悬浮燃烧 燃料悬浮于炉腔内燃烧，煤粉炉、油炉 燃料悬浮于炉腔内燃烧，煤粉炉、油炉和气炉都是这种燃烧方式。,48,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,流化床燃烧 流化床燃烧又称沸腾燃烧。沸腾炉的原理如图所示，气流以较高的速度通 过一定大小颗粒的燃料层，使其呈流化状态。这种燃烧方式可燃用劣质煤和矸石， 且燃烧温
15、度低，氮氧化物生成量很少。,49,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,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/kg or kcal/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,50,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,燃烧设备的热损失 排烟热损失 不完全燃烧热损失(化学、机械) 散热损失 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,51,燃烧与大气污染-燃料燃烧过程,燃烧热损失与空燃比的关系,52,燃烧与大气污
16、染-烟气体积计算,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。,53,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 0.264N2P,燃烧与大气污染-烟气体积计算,54,过剩空气校正 理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数 = 1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ） 假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正： O2P - 0.5 COP = 1 +
