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1、大气污染控制工程,1,2.3.1 气体燃料的燃烧计算 2.3.1.1 发热量 燃料发热量有高、低位之分。 高位发热量（或高热值）指燃料完全燃烧，并当燃烧产物中的水蒸汽（包括燃料中所含水分生成的水蒸汽和燃料中氢燃烧生成的水蒸汽）凝结为水时的反应热。 低位发热量（或低热值）是燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸汽仍以气态存在时的反应热。 因为当前各种炉、窑的排烟温度均远远超过水蒸汽的凝结温度，因此对能源转换设备大都按低位发热量计算。,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,2,可燃气体发热量可根据该气体燃烧反应热算得。 混合气体的发热量可直接用量热计测定，也可以由各单一气体的发热量按下式计算： 式中 Q高
2、位发热量或低位发热量(kJ/Nm3)； Qin种可燃气体中任一组分i的高位发热量或低位 发热量(kJ/Nm3)；,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,3,2.3.1.2 理论空气量和实际空气量 1. 理论空气量 理论空气量是指单位燃料（气体燃料一般用1，固体和液体燃料一般用1kg）按燃烧反应计量方程式，完全燃烧所需的空气量。理论空气量是燃料完全燃烧所需的最小空气量。 可燃气体的分子式用一般式CxHyOz来表示。CxHyOz完全燃烧的反应式如下 CxHyOz+(x+y/4-z/2)O2+3.76(x+y/4-z/2)N2 = xCO2+ y/2H2O + 3.76(xy/4-z/2)N2,2.3
3、 燃烧计算,大气污染控制工程,4,若燃料气中还有H2 S，其完全燃烧反应为 H2 S1.5O2SO2H2O 则1m3干燃料气(标准状态）燃烧需要的理论氧量V0O2（标准状态）和理论空气量V0a （标准状态）分别为,大气污染控制工程,5,2.7 燃烧计算,2. 空气过剩系数与实际空气量 空气过剩系数是指实际空气量与理论空气量之比。 值与燃料的种类、燃烧方法、燃烧装置的构造、燃料和助燃空气的接触状态以及混合难易程度等因素有关。,大气污染控制工程,6,3. 空燃比（AF） 燃烧也通常采用空燃比（A/F）这一术语，分为理论空燃比和实际空燃比两种。理论空燃比是指单位质量的燃料燃烧所需要的空气质量，它可以
4、由燃烧反应式计算得到。例如甲烷的理论A/F为17.2，汽油（辛烷）的理论A/F为15。,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,7,2.3.1.3 理论烟气量 理论烟气量是指供给理论空气量的情况下，燃料完全燃烧产生的烟气量。若不考虑氮的氧化，则理论烟气的组成是CO2、SO2、N2和水蒸汽。前三种组分合起来称为干烟气，包括水汽在内时称为湿烟气。,2.3 燃烧计算,二氧化碳量 氢转化为水 燃料和空气含水 空气中氮气 燃料氮,当空气过剩系数为时，则完全燃烧产生的湿烟气体积为：,干烟气体积为：,大气污染控制工程,8,2.3.1.4 利用烟气分析数据计算过剩空气系数 燃料燃烧时，由于各种原因，实际的过剩空气
5、系数常与设计值不符。过剩空气量的大小直接影响其热效率。因此，必须经常根据奥氏烟气分析仪测定的烟气分析结果（干烟气中CO2、SO2、O2和CO的含量）计算过剩空气系数，及时检查和调节过剩空气量，使其符合燃烧过程的需要。,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,9,完全燃烧时的过剩空气系数 式中， 、 、 、 分别为干烟气中O2、SO2、CO2和N2的体积分数，均可由烟气成分分析而得。 2. 不完全燃烧时的过剩空气系数 气体燃料在不完全燃烧时，干烟气的成分除了CO2、SO2和O2之外，还有CO、H2、CH4。与完全燃烧相比，消耗的氧量少。所以不完全燃烧时，烟气的含氧量就包括过剩空气的氧和由于不完全燃烧
6、而未耗用的氧两部分。,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,10,式中， 、 、 、 、 、 、 分别为干烟气中相应组分的体积分数。,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,11,2.3 燃烧计算,2.3.2 液体和固体燃料的燃烧计算 2.3.2.1 发热量 液体和固体燃料的高位与低位发热量的换算可依照下式：,若已知燃料中氢和水的重量百分数，可采用下式计算低位发热量：,大气污染控制工程,12,2.3.2.2 理论空气量和实际空气量 式中 ，WC、 WH 、 WS、 WO分别为燃料中碳、氢、硫、氧元素的质量分数。 实际空气量V（Nm3）为,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,13,例2-2 某燃烧装置
7、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%。求：燃烧1kg重油所需要的理论空气量。 解： (1.8660.8835.5560.0950.6990.016)/0.21 10.41m3,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,14,2.3.2.3 理论烟气量 理论烟气量等于1kg燃料完全燃烧生成的燃烧产物量，加上空气和燃料带入的水和氮的量。因此，理论湿烟气量 （Nm3）为 式中，Ww为燃料中水的质量分数。 过剩空气系数为时，完全燃烧的湿烟气量,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,15,例2-3：某锅炉燃烧组成成分为c8
8、6、h11、s=3的燃料重油，经对烟气组分分析得知，其组成为CO2+SO213.0，O23.0，CO0。试求每燃烧1kg重油所需的理论空气量和排烟中SO2的浓度，以及燃烧1吨重油产生SO2的量。,解：燃烧1kg重油所需理论空气量A0为：,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,16,完全燃烧时过剩空气系数为：,则实际空气量A为：,生成的干烟气量为：,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,17,补充：理论空气量和烟气量的近似计算 在缺乏燃料组分或元素分析数据，而又希望能快速算出燃烧某种燃料所必需的理论空气量和可能生成的烟气量时，可采用下述经验公式进行近似计算。理论空气量和烟气量与燃料的低位发热量有关。
9、,2.3 燃烧计算,大气污染控制工程,18,2.3 燃烧计算,表 理论空气量和烟气量与发热量的关系,大气污染控制工程,19,2.4 机动车大气污染物的生成控制,2.4.1 概述 机动车行业发展迅速，2003年，我国成为世界上第四大汽车生产国和第三大消费国 ；2003年我国摩托车产量达1450万辆，居世界第一，保有量5929万辆。 由于以往的机动车排放标准比较宽松，控制技术相对落后，车辆的维修保养不好，因此，我国大部分机动车的单车排放因子很大。另外，由于大多数城市交通道路系统不合理，车辆拥堵频繁，使汽车处于频繁加、减、怠速状态，运行工况恶劣，这也导致汽车尾气排放的大幅度增加。 在很多大城市，机动
10、车尾气已成为这些城市空气污染的第一大污染源。,大气污染控制工程,20,2.4.1.1 机动车的分类 按其用途可分为轿车、客运车、货运车、农用车和摩托车等几类。 根据其所用能源可分为汽油车、柴油车和清洁能源车等，其中后者目前所占比例极小。 2.4.1.2 机动车大气污染源及其主要污染物,2.4 机动车大气污染物的生成控制,表2-12 机动车主要有害物质的排放源及其相对排放率,大气污染控制工程,21,2.4 机动车大气污染物的生成控制,表2-12 汽油车和柴油车的主要污染物排放情况,表2-13 汽油车各种运转工况下气体污染物排放的体积分数,大气污染控制工程,22,2.4.2 汽油车的污染控制 污染
11、源： 汽油车的曲轴箱排气 ，这部分排放约占汽油车HC总排量的25%。 汽油蒸发排放，约占汽油车HC总排放的20%。 尾气 污染物主要为：CO、HC、NOX三种,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,23,2.4.2.1 汽油机的工作原理 通常使用的汽油发动机为火花点火的四冲程汽油机。 进气冲程 压缩冲程 作功冲程 排气冲程,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,24,2.4.2.2 汽油车污染物的生成机理 CO的生成机理 空燃比小于理论空燃比时，随着A/F的减小，CO浓度增大。 混合气空燃比大于理论值时，由于各缸混合不一定均匀，燃烧室各处的混合也不均匀，总会出现
12、局部的浓混合气，因此排气中仍会有少量CO产生。 由于燃烧后的高温，生成的CO2会有一小部分分解成CO和O2。而且，排气中的H2和未燃烃也可能将排气中的一部分CO2还原为CO。,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,25,2HC的生成机理 （1）不完全燃烧：在以预混合气进行燃烧的汽油机中，HC与CO一样，也是不完全燃烧的产物。 （2）壁面淬熄效应：温度较低的燃烧室壁面对火焰迅速冷却（也称激冷），使活化分子的能量被吸收，链式反应中断，在壁面形成厚约0.10.2mm左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量的未燃HC。 （3）狭缝效应：生成HC的最主要来源。 （4）壁面油膜和积炭
13、吸附,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,26,3NOX的生成机理 汽油机燃烧过程中生成的NOX主要是NO，NO2量很少，对一般汽油机，NO/NOX90%99%。在汽油机产生NO的三个途径中，燃料型和快速型NO的生成量都很小，高温NO是其主要来源。,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,27,2.4.2.3 汽油车大气污染物的生成控制 1法规建设和实施 2加强城市规划和交通管理 3在用车排放污染的检测/维护（I/M）制度 4燃料的改进和替代 汽油的改进 清洁气体燃料 清洁液体燃料 氢燃料 新型动力汽车,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,28
14、,5汽油机改进 汽油箱蒸气控制：采用密封式汽油箱蒸气控制装置。碳罐吸收和储存蒸气，当发动机工作时，利用化油器的真空将贮存的汽油蒸气吸入化油器，回收作燃料。 曲轴箱排气的回收：将抽出的气体引入发动机进气系统，强制通风 。 汽油直接喷射技术：将汽油直接气化、雾化喷入发动机，目前我国生产的轿车，基本上采用了电喷系统。 废气再循环,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,29,2.4.3 柴油车大气污染物的生成控制 由于柴油机使用的混合气空燃比大于理论空燃比，混合气的形成及燃烧方式与汽油机不同，因此排放特性与汽油机的不同。柴油机的CO和HC排放不到汽油机的十分之一，NOX总体排放略低于汽
15、油机，但柴油机排放的颗粒物却是汽油机的几十倍。因而柴油机排放控制的重点是颗粒物和NOX。 柴油机的排放特性与燃烧室的形式有很大关系。 扩散型燃烧是柴油机燃烧的主要形式。,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,30,2.4.3.1 柴油车污染物的生成机理 柴油机气态污染物的生成机理 （1）柴油机的喷注模型 喷入气缸内的油束称为喷注。 喷注的外形呈焰体状；喷注心部的油粒粗，速度高，越向外层，油粒越细，速度越低；在喷注的最外层和前端几乎为蒸气。 （2）喷注燃烧和气态污染物的生成,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,31,2.4 机动车大气污染物的生成控制,（2）喷注
16、燃烧和气态污染物的生成 2柴油机颗粒物的生成机理 柴油机排出的颗粒物一般是汽油机的3080倍，其直径大约在0.110m。 柴油机排出的颗粒物与汽油机不同，汽油机排放的颗粒物主要是含铅微粒和低分子量的物质；柴油机颗粒物是由碳烟（DS）、可溶性有机物（SOF）和硫酸盐三部分组成 。,大气污染控制工程,32,柴油机的排烟通常可分为白烟、蓝烟和黑烟三种。 白烟是直径大于1m的微粒，一般出现在寒冷天气冷起动和怠速工况时。改善柴油机起动性能后，白烟可减少。 蓝烟是燃油或润滑油在几乎没有燃烧或部分燃烧而处于分解状态下，呈直径小于0.4m的液态微粒的排出物。通常发生在柴油机充分暖车之前，或在很小的负荷下运行时 。 黑烟通常是在大负荷时产生的。燃油在高温缺氧的条件下，发生部分氧化、热裂解和脱氢，形成碳粒子，经碰撞凝聚而形成碳烟。,2.4 机动车大气污染物的生成控制,大气污染控制工程,
