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1、第二章 燃烧与大气污染,燃料的性质 燃料燃烧过程 烟气体积及污染物排放计算 了解常见民用及工业燃料的组成和性质； 掌握气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧过程的因素； 学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度.,主要内容,学习要求,第一节 燃料的性质,1.燃料的分类,2. 燃料的化学组成,典型液体、气体和固体燃料的化学组成成分,2. 燃料的化学组成,典型液体、气体和固体燃料的化学组成成分,气体燃料具有如下特征：(1) 燃烧效率较高，用少量过剩空气就充分燃烧，烟量很少；(2)大多数气体燃料含硫量很低；(3)气体燃料不含有灰分，因此，烟气中没有烟尘。,3. 燃料组成对燃烧的影响,碳：可
2、燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出7850 kcal的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出2214 kcal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28780 kcal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-
3、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102-105C，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9
4、3），成焦性差,发热量大,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。估测硫含量和热量，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318-323K温度下干燥8小时，取出冷却，称重 外部水分将失去外部水分的煤样保持在375-380K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7分钟，放
5、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在变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳灰分：煤中不可燃矿物质的总称,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
6、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
7、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 th
8、e normalized molar composition.Element Wt % mol/100g mol/mol C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 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
9、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、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
10、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(可替代一部分氧气)燃料中硫主要被氧化为 SO2不考虑NOX的生成燃料中的N在燃烧后以N2形式存在燃料的化学方程式为CxHySzOw,2.燃料燃烧的理论空气量,燃烧方程式：1mol燃料的重量
11、= 12x+1.008y+32z+16w燃烧1Kg燃料需要的理论空气量：经验值：煤 4-7 m3/kg，液体燃料10-11 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部分炉型的空气过剩系数,3.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.
12、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：包括燃料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
13、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 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 0.264N2P,1
14、.烟气体积计算,过剩空气校正充分燃烧理论需氧量 = 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 ）/ 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、
15、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）,EF,2.污染物排放量计算,例题p48 2-4,2-5：,eg.已知某种烟煤的组成为：Cdaf84.54%,Odaf8.04%,Hdaf4.84%,Ndaf1.26%,Sdaf1.32%,Ad21.32%,War3.06%。计算燃烧1Kg该种煤所需要的理论空气量和产生的理论烟气量。（假定空气中不含水分）,例题,eg.在缺乏燃料组成或元素分析数据时，可以根据燃料的低位发热量q1(KJ/Kg)近似估算燃烧所需要的理论空气量Va和产生的理论烟气量Vf(m3/Kg)估算方程为：Va=aq1+b,Vf=aq1+b,对于固体燃料，a=0.000241,b=0.5,a=0.000213,b=1.65。用这种方法估算上个例题中的煤燃烧所需的理论空气量和理论烟气量，已知这种煤的低位发热量为25110KJ/Kg。,
