燃烧 & 大气污染

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1、第二章第二章 燃烧与大气污染燃烧与大气污染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. 其他污染物的形成第一节 燃料的性质1. 燃料的分类按获获得方法分 按物态态分 天然燃料 人工燃料 固体燃料 木柴、煤、油页页岩 木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料 石油 汽油、煤油、柴油、 重油 气体燃料 天然气 高炉煤气、发发生炉煤 气、焦炉煤气 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（续）典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）2. 燃料的化学组成 液态燃料的挥发

2、（以汽油为例）3. 燃料组成对燃烧的影响 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。 3. 燃料组成对燃烧的影响 氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降

3、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。3. 燃料组成对燃烧的影响 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。4.煤的分类和组成 煤的基本分类q褐煤 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 q烟煤 形成年代较褐煤长，碳含量75%90

4、。成焦性较强，适 宜工业一般应用 q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4.煤的分类和组成 煤的详细分类4.煤的分类和组成 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。4.煤的分类和组成 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3753

5、80K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7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重 4.煤的分类和组成 煤的工业分析（续）固定碳 失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在80020C 的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却。焦炭所失 去的重量为固定碳灰分： 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定 碳4.煤的分类和组成 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4.煤的分类和组成 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

6、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4.煤的分类和组成 煤中硫的形态4.煤的分类和组成 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 4.煤的分类和组成 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4.煤的分类和组成 煤的成分的表示方法及其组成的相互关系 4.煤的分类和

7、组成 我国部分煤种的分析结果 4.煤的分类和组成 我国部分煤种的分析结果(续） 5.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35.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问题6.燃料组成的表示方法: CxHyS

8、zOwNv 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 = 1.00H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0.808N 1.20 14 = 0.0857 6.43 = 0.013S 2.60 32 = 0.0812 6.43 = 0.013O 5.90 16 = 0.369 6.43

9、 = 0.057ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molC The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057 燃料的最重要的两个属性v热值决定燃料的消耗量v杂质污染物产生的来源第二节 燃料燃烧过程 1.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NOx1.影响燃烧过程的主要因素 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

10、，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1.影响燃烧过程的主要因素 典型燃料的着火温度1.影响燃烧过程的主要因素 燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）1.影响燃烧过程的主要因素 典型锅炉热损失与过剩空气量的关系1.影响燃烧过程的主要因素 燃气比和混合程度对燃烧产物的影响2.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

11、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CxHySzOw2.燃料燃烧的理论空气量 燃烧方程式：燃烧方程式： 燃料重量燃料重量 = 12= 12x x+1.008+1.008y y+32+32z z+ +1616ww 理论空气量：理论空气量： 煤煤 47 m47 m3 3/kg/kg，液体燃料液体燃料1011 m1011 m3 3/kg/kg2.燃料燃烧的理论空气量 例题：2.燃料燃烧的理论空气量 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2.燃料燃烧的理论空气量 空燃比 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例如：汽

12、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=15.113.燃烧过程中产生的污染物 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3.燃烧过程中产生的污染物 燃烧产物与温度的关系：3.燃烧过程中产生的污染物 燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：3.燃烧过程中产生的污染物 典型固态燃料的燃烧产物：3.燃烧过程中产生的污染物 典型液态燃料的燃烧产物：3.燃

13、烧过程中产生的污染物 典型气态燃料的燃烧产物：4.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/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4.热化学关系式 燃烧设备的热损失 排烟热损失 不完全燃烧热损失 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4.热化学关系式 燃烧热损失与空燃比的关系第三节 烟气体积及污染物排放量计算1.烟气体积计算 理论烟气体积 CO

14、2、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 。1.烟气体积计算 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 0.264N2P1.烟气体积计算 过剩空气校正 理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数 = 1

15、 + 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 + （ O2P - 0.5 COP ）/ 0.264 N2P - （ O2P - 0.5 COP ）以上组分的量均可由烟气分析仪测定。 2.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 排放因子（Emission Factor）2.污染物排放量计算 排放因子举例（烟煤、次烟煤SOx、NOx、CO）2.污染物排放量计算 排放因子举例（烟煤、次烟煤 PM）2.污染物排放量计算 排放因子举例（机动车）EFEF车型车型污染物污染物2.污染物排放量计算 例题：2.污染物排放量计算 例题（续）：