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1、1,第二章 燃烧与大气污染,本章侧重介绍燃料燃烧过程的基本原理、污染物的生成机理以及如何控制燃烧过程以便减少污染物的产生量。,第二章 燃烧与大气污染,主要内容： 第一节 燃料的性质 第二节 燃料燃烧过程 第三节 烟气体积及污染物排放量计算 第四节 燃烧过程硫氧化物的形成 第五节 燃烧过程中其他污染物的形成,第一节 燃料的性质,引言 一、燃料的分类 二、燃料的化学组成 三、煤 四、石油 五、天然气 六、非常规然燃料 小结,4,第一节 燃料的性质 一、燃料的分类 什么是燃料？ 所谓燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质。,有哪些常用燃料？燃烧形式？,燃料按物理状态分：固体燃料、液体燃料和气体燃料。
2、,5,燃料的性质影响燃烧设备设计和各种操作条件，也影响大气污染物的形成和排放。,6,二、燃料的化学组成 碳：,完全燃烧：7850kcal热量/kg,不完全燃烧：2214kcal热量/kg,与氢、氮、硫等组成有机化合物存在,氢,7,完全燃烧：28780kcal热量/kg,固体燃料中氢含量为2-10%,以碳氢化合物的形式存在,氧和氮,8,硫,与碳、氢生成化合物，降低燃料的发热量,燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%,有机硫,硫化铁硫,硫酸盐硫,挥发硫，产物：SO2和SO3,9,水分,灰分：燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分,外部水分（表面水分）：自然干燥除去,内部水分（吸附水分）：102-1
3、05下烘干2h,10,三、煤 1煤的分类,11,2煤的工业分析,我国煤炭的平均灰分为25%,12,表 煤中灰分的组成,煤中灰分的组成,13,煤的结构模型,14,3.煤的元素分析及成分表示方法 煤中主要成分包括：碳、氧、氮、硫等元素。 常用的基准有：收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种。 ,收到基（ar-as received） 以全部灰分和水分的燃料作为100%成分。 各收到基成分的总和用下式表示：,15,16,空气干燥基ad(air dry basis） 以去掉外部水分的燃料作为100%的成分，也即在实验室内进行燃料分析时的试样成分。,17,干燥基(dry basis) 以去掉全部水分
4、的燃料作为100%的成分。 干燥基更能反映出灰分的多少。,18,干燥无灰基daf(dry ash free） 以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分。 干燥无灰基避免了水分和灰分的影响，故比较稳定。,19,神华万利煤矿煤和燃料煤质分析表,四、石油,20,液体燃料,比重0.781.00,含量0.1-7(质量),S以有机硫的形式存在,S 80-90于重馏分中,在轻馏份中，硫以H2S、硫醇、一硫化物、 二硫化物、环状硫化物（四氢噻吩）形态存在,五、天燃气,气体燃料,组成：甲烷85、乙烷10、丙烷3,少量其它组分：H20、C02、N2、He和H2S,22,六、非常规燃料,注意二次污染，需要专门的制备
5、技术！,第二节 燃料燃烧过程,引言 一、影响燃烧过程的主要因素 二、燃料燃烧的理论空气量 三、燃烧产生的污染物 四、热化学关系式 小结,24,一、影响燃烧过程的主要因素 1、燃烧过程及燃烧产物 燃烧过程是可燃混合物快速氧化过程，并伴随能量（光和热）的释放。 燃烧产物： 完全燃烧：CO2、水蒸气、SO2、NO等 不完全燃烧：黑烟、CO、其他部分氧化产物 燃料燃烧的条件？,25,必要条件,温度条件(temperature):达到着火温度。 按 固、液、气体燃料的顺序上升.,燃料与空气的混合条件（湍流度turbulent）,空气条件,时间条件(time):燃料在高温区的停留时间,2、燃料完全燃烧的条
6、件,通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“3T”,26,当温度高于着火温度时，只有燃烧过程的放热速率高于向周围的散热速率，从而能够维持在较高的温度时，才能使燃烧过程继续进行.,27,二、燃料燃烧的理论空气量 1理论空气量 单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量. 它由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。,28,建立燃烧化学方程式时，通常假定： (1)空气仅是由氮和氧组成的, 其体积比为79.1/20.93.78； (2)燃料中的固定态氧可用于燃烧； (3)燃料中的硫主要被氧化为SO2； (4)热型NOx的生成量较小，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可以忽略；
7、 (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CxHYSZOw，其中下标x、y、Z、W分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。,29,由此可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式。,30,那么，理论空气量,一般煤的理论空气量,液体燃料的,31,2空气过剩系数 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，值的大小决定于燃料种类、燃烧装置型式及燃烧条件等因素。,32,33,3.空燃比 空燃比定义为单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧方程式直接求得。 例如，甲烷在理论空气量下的完全燃
8、烧,空燃比,34,随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量增加，理论空燃比随之减小。例 : 汽油(-C8H18)的理论空燃比为：,汽油质量：128+1.00818=114.14,空气的质量：3212.5+283.7812.5=1723,空燃比,35,例2-1 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。 试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量。,36,解：以1kg重油燃烧为基础，则： 重量/g 摩尔数 理论需氧数/mol C 883 73.58 73.58 H 95 95 23.75 S 16 0.5
9、0.5 H2O 0.5 0.0278 0 所以理论需氧量为 73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油。,37,假定干空气中氮和氧的摩尔比（体积比）为3.78，则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为:,38,三、热化学关系式 1.发热量 发热量：单位燃料完全燃烧时发生的热量变化，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下(通常为298K和1atm)的热量变化。（kJ/kg or kJ/m3(气体)）。分为高位发热量和低位发热量。,发热量,39,高位发热量:包括燃料燃烧生成物中水蒸气的汽化潜热qH,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qL,40
10、,若已知燃料中氢和水的含量，qL可由qh减去水蒸气的凝结热求得。若发热量以kJ/kg表示，则,wH、wW-为燃料中氢和水分的质量分数。,燃烧设备的热损失有哪些？,41,2.燃烧设备的热损失 （1）排烟热损失：一般锅炉排烟热损失为6-12%， 影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟体积。烟温每升高12-15K，排烟热损失可增加1%。锅炉尾部一般设置省煤器和空气预热器，就是为了降低排烟温度。 工业锅炉的排烟温度选取433-473K，大、中型锅炉的排烟温度选取383-453K。,42,43,（2）不完全燃烧热损失 化学不完全燃烧：损失不大，煤粉炉不超过0.5%，油炉和气炉约为1-1.5%，层燃炉1
11、%左右。 机械不完全燃烧:由于灰中含有未燃尽的碳造成的。是比较大的一项损失。煤粉炉约为1-5%；液体、气体炉正常燃烧可使该项损失减少到零；层燃炉可高达5-15%。 （3）炉体散热损失 这项损失取决于锅炉外表面积的大小、绝热层质量的优劣以及环境温度和风速等。,44,在充分混合条件下，热量总损失在理论空气量下最低；当混合不充分时，热量总损失的最小值出现在空气过量一侧。,第三节 烟气体积及污染物排放量计算,引言 一、燃烧产生的污染物 二、烟气体积计算 三、污染物排放量的计算 小结,46,一、燃烧产生的污染物 燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体（主要为
12、N2）等组成。 燃烧可能释放出的污染物有：一氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物等。 形成与燃烧条件有关。,47,图2-2 燃烧产物与温度的关系,48,二、烟气体积计算 1理论烟气体积 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。 烟气分为干烟气、湿烟气,49,理论烟气体积等于干烟气体积和水蒸气体积之和 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+理论空气量带入的水蒸气体积,50,2烟气体积和密度的校正 若设观测状态下：Ts、Ps、
13、Vs、s 标准状态下：TN、PN、VN、N 根据理想气体状态方程可得标准状态下（273K、1atm）的烟气体积。 美国、日本和国际全球监测系统网标态： 293K、1atm,51,则标准状态下的烟气体积:,标准状态下烟气的密度:,52,3过剩空气校正 实际烟气体积=理论烟气体积+过剩空气量 用奥氏烟气分析仪测定烟气中CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。,53,以纯碳在空气中的完全燃烧为例: C+O2+3.78N2CO2+3.78N2 若空气过量，则燃烧方程式变为 C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2+aO2+(1+a)3.78N2 根据定义，空气
14、过剩系数,要计算，必须知道过剩氧的摩尔数,54,设燃烧是完全燃烧，则过剩空气中的氧只以O2的形式存在，燃烧产物以下标p表示 C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2p+O2p+N2p 其中O2p=aO2,表示过剩氧量，N2p为实际空气量中所含的总氮量。 假定空气的体积组成为20.9O2和79.1N2，则实际空气量中所含的总氧量为：,55,理论需氧量为0.264N2p-O2p，因此空气过剩系数,若燃烧不完全会产生CO，过剩氧量必须加以校正，即从测得的过剩氧中减去氧化CO为CO2所需要的氧。因此,式中各组分的量均为奥式仪所测得的各组分的百分数。,56,例如奥式仪分析结果为：CO210，O2
15、4，CO1、那么N285，则:,考虑过剩空气校正后，实际烟气体积：,57,三、污染物排放量的计算 例2-2 对于例2-1给定的重油，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=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以10-6表示（体积比）；并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。,58,解：由例2-1知： 重量(g) 摩尔数(mol) 需氧数(mol) C 883 73.58 73.58 H 95 95 23.75 S 16 0.5 0.5 H2O 0.5 0.0278 0 理论空气量条件下烟气组成（mol）为： CO2: 73.58 H2O: 47.5+0.0278 SOX：0.5 N2: 97.833.78,理论需氧量,59,理论烟气量为: 73.58+(47.5+0.0278)+0.5+97.833.78=491.4mol/kg重油,即,空气过剩系数=1.20时，实际烟气量为:,烟气中SO2的体积为,SO3的体积为：,理论空气量,60,所以烟气中SO2和SO3的浓度分别为:,当=1.2时，干烟气量为：,CO2的体积为：,所以干烟气中CO2的含量以体积计为：,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,引言 一、燃料中硫的氧化机理 二、 S0
