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1、彭伟功 phoenix,第二章 燃烧与大气污染,第二章 燃烧与大气污染,1. 燃料的性质2. 燃料的燃烧过程3. 燃料燃烧产生的主要污染物4. 主要气态污染物的燃烧控制,第一节 燃料的性质,1.燃料的分类,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）,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
2、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
3、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,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（ ul
4、timate 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
5、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
6、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3,5.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
7、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: CxHySzOwNv,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
8、 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 5.90 16 = 0.369 6.43 = 0.057 ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molCThe normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057,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,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、
9、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,1.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，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
10、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,2.燃料燃烧的理论空气量,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,2.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
11、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=15.11,3.燃料燃烧的理论烟气量,燃烧方程式：理论烟气量：上述式子右边的摩尔数乘以22.410-3是其标况下的体积，只需要转化为实际状况下的体积即可。,4.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298
12、K、1atm。,4.烟气体积计算,过剩空气校正实际空气量 = （O2 + 3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多(-1) （O2+ 3.78N2） 此时烟气中，O2的量为O2P= (-1) O2，N2的量为N2P = 3.78 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,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 + （ O2P - 0.5 COP ）/
13、0.264 N2P - （ O2P - 0.5 COP ） 以上组分的量均可由烟气分析仪测定。,4.烟气体积计算,第三节 燃烧过程中产生的污染物,燃烧可能释放的污染物：固体颗粒物气态硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物。二氧化碳,2.3.1 颗粒污染物,燃烧过程产生的颗粒污染物主要是燃烧不完全形成的炭黑以及烟尘和飞灰。（1）碳粒子的生成积炭是燃料气体分子在空气不足时发生热分解而形成的炭黑。（2）燃煤烟尘的形成固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，包括黑烟和飞灰。黑烟主要是未燃尽炭粒，飞灰主要是燃料所含的不可燃矿物质微粒。如果然收条件不理想，高温下发生热解，形成多环化合物，就冒黑烟。（3）燃
14、煤尾气中飞灰的产生燃煤尾气中飞灰的浓度和粒度与煤质、燃烧方式、烟气流速、炉排和炉膛的热负荷、锅炉运行负荷以及锅炉结构等因素有关。一般灰分越高，含水量越少，排沉浓度越高。,（ 1）碳粒子的生成,积炭的生成核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳核表面上发生非均质反应较为缓慢的聚团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素积炭的生成与火焰的结构有关提高氧气量可以防止积炭生成压力越低则积炭的生成趋势越小,火焰的结构预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合（ bursen burner, meeker burner）扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多），不同的区域有不同的 (0) 值,（ 1）碳粒子的生成,火焰的结构（续）层流火焰：Re2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用,（ 1）碳粒子的生成,石油焦和煤胞的生成燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相裂化和高温分解，出现结焦多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。焦粒生成反应的顺序：烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环系 沥青 半园体沥青 沥青焦 焦炭,（ 1）碳粒子的生成,（2） 燃煤烟尘的形成,
