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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,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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、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
11、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 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, SO
12、3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
13、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。
14、 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
15、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
16、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,处理煤泥设备和压滤机配套使用浓缩机,即可提高洗煤机产量、又解决了环保问题。,大气污染控制技术,2 洁净燃烧技术,32,新的脱硫方法 浮选法:用于处理粒径小于0.5mm的煤粉,利用煤与矸石、含硫矿物的性质不同进行分离。 高梯度磁分离法:利用煤与黄铁矿的磁性不同(黄铁矿是顺磁性物质,煤是反磁性物质),将黄铁矿分离去除,脱硫效率约60。 化学氧化脱硫法:将煤破碎后与硫酸铁溶液混合,在反应器中加热至120左右,硫酸铁与黄铁矿反应生成硫酸亚铁和S,通人O2将硫酸亚铁氧化为硫酸铁。 微波辐射法 :煤中黄铁矿的硫最容易吸收微波,有机硫次之,煤基质基本不吸收微波。微波吸收后削弱化学键,用浸取液洗涤煤中硫,可以去无机硫和有