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1、1,大气污染控制工程,2,第二章 燃烧与大气污染,概况： 化石燃料对大气污染的贡献：化石燃料的燃烧特别是不完全燃烧将导致大量的烟尘、硫氧化物、氮氧化物、氟氧化物、碳氧化物的产生，尤其是燃煤引起的大气污染问题加重。如2011年，我国二氧化硫的排放量达2217.9104吨，而二氧化硫排放量与煤碳消耗量有高度的相关性。因此，未来能源消费增长量、增长方式将是决定我国大气污染发展趋势的重要因素。,3,化石燃料与大气污染类型：我国现阶段的能源结构以煤碳为主，决定了我国大气污染的特征。我国的大气环境污染仍以煤烟型为主，颗粒物是影响城市空气质量的主要污染物 ，其次是二氧化硫和二氧化氮。酸雨问题依然严重。,4,
2、第二章 燃烧与大气污染,同时，从1980年以后，受经济增长的推动，我国机动车数量增长迅速。全国汽车保有量年增长率保持在13%，特别是一些大型和特大型城市如北京、广州、上海、成都等机动车数量增长速率远高于全国平均水平。目前，全国汽车保有量已超过1亿辆。汽车燃油排放的氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物排放总量正逐年上升。使城市的污染类型呈现煤烟型和汽车尾气型的复合污染。,5,2.1燃料及其性质,燃料及其分类：燃料指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。燃料的分类一般按物理状态分为固体燃料、液体燃料、气体燃料三类。,燃料的分类及其主要形式,6,第二章 燃烧与大气污染,主要燃料的性质,A、煤：
3、它是最重要的固体燃料，除了所含的水分和矿物成分外，其可燃成分主要是碳和氢并含少量的硫、氮、氧。煤就是由很多个不同结构的这种微小的C、H、O、N、S的有机聚合物粒子和矿物杂质、水分等混合而结合成整体的混合物，因此煤矿的组成因种类和产地的不同而有很大差别。煤的分类、组成、及其中的硫的形态如下面三表所示：,7,煤的种类和性质,8,煤的组成及分析方法,9,煤中硫的分类,10,第二章 燃烧与大气污染,按照燃煤二氧化硫排放污染防治技术政策（2002）： 各地不得新建含硫分大于3%的矿井；对现有硫分大于3%的小矿井，应予关闭；对现有硫分大于3%的大煤矿，近期实行限产，到2005年仍未采取有效降硫措施、或无法
4、定点供应安装有脱硫设施并达到污染物排放标准的用户的，应予以关闭。 除定点供应安装有脱硫设施并达到国家污染物排放标准的用户外，对新建硫分大于1.5%的煤矿，应配套建设煤炭洗选设施。对现有硫分大于2%的煤矿，应补建煤炭洗选设施。,11,第二章 燃烧与大气污染,B、石油,概述：石油是直接从油井中开发出来的一种褐色或黑色的流动或半流动的粘稠性可燃性矿物油，含燃气、原油和一部分蜡质或固体和半固体沥青物质。石油组成的元素主要是C、H、O、S、N等五种，还含有微量V、Ni、Fe等金属元素。石油中有数千个碳氢化合物烃，如烷烃、环烷烃、芳香烃，除此之外，还有非烃类化合物。,12,第二章 燃烧与大气污染,石油的分
5、类,按烃类的比例不同分：原油中的烃类成分主要分为烷烃、环烷烃、芳香烃。根据烃类成分的不同，可分为的石蜡基石油、环烷基石油和中间基石油三类。石蜡基石油含烷烃较多；环烷基石油含环烷烃、芳香烃较多；中间基石油介于二者之间。 石油经常压蒸馏或裂化等加工过程，可得到汽油、煤油、柴油、润滑油、固体石蜡和沥青等产品。 目前我国已开采的原油以低硫石蜡基居多。大庆等地原油均属此类。,13,C、天然气,概述：天然气是蕴藏在地层中较轻的碳氢化合物可燃气体。它的成因和产生过程与石油一样，两者可能是同时生成的。 组成：天然气的组成成分多以甲烷为主，其次是乙烷、丙烷、丁烷及其它气态烃类。除此之外，还有氮、氢、二氧化碳、硫
6、化氢等，有时还含有少量惰性气体如氦、氩等。 主要污染气体：天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃结产物为硫的氧化物，因此许多国家都规定了天然气中总硫含量和硫化氢含量的最大允许值。,14,第二章 燃烧与大气污染,2.2 燃料的燃烧及污染物形成,（一）燃料的燃烧过程 燃烧：指可燃混合物发生剧烈的化学反应而发热和发光的快速氧化过程，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。 多数的化石燃料完全燃烧的产物是二氧化碳和水蒸汽。然而不完全燃烧过程将产生黑烟、一氧化碳和其它部分氧化产物等大气污染物。若燃料中含有硫和氮，则会生成二氧化硫和氮氧化物。,15,第二章 燃烧与大气污染,1、气体燃料的燃烧,气体燃料以可燃成
7、分为主，当与空气按一定比例混合后，接近火种便可燃烧起来。,2、液体燃料的燃烧,这是一种清洁燃料，其表面存在燃料的挥发性气体（如汽油挥发气），在静止点火时，表面会出现火焰。因此，液体燃料在燃烧过程中，首先将液体燃料经过雾化器喷成雾状，使液体的表面积增加上千倍，以利于液体的挥发，当与空气按一定的比例混合接近火种时，即可燃烧。,16,第二章 燃烧与大气污染,3、固体燃料的燃烧,固体燃料成分复杂，以煤炭燃烧为例，燃烧过程大致可分为下列四个阶段： （1）预热和干馏：燃料依靠炉膛内的热源加热到100以上，煤中的水分逐渐蒸发掉，同时煤的温度也逐渐上升。 （2）析出挥发分和形成焦炭：煤析出水分后继续加热，便释
8、放出挥发物，一般来讲，煤的炭化期越短，其挥发分含量越多（如褐煤、烟煤）。,17,第二章 燃烧与大气污染,（3）挥发分和焦炭的着火燃烧：在有氧气存在的条件下，随着温度的升高，挥发分着火燃烧并出现火焰，此时煤炭表面还是暗淡的，随着燃烧的持续进行，煤炭加热也开始燃烧，这时煤炭变成通红状，挥发分与煤炭同时进行燃烧，这时所产生的热量除供应自身燃烧需要外，还可加热周围煤炭。 （4）灰渣的形成：在挥发分和煤炭燃烧的同时，煤和煤渣就出现软化和熔融，称为玻璃化，出现粘结现象，形成灰渣。 煤炭的燃烧过程如下图所示：,18,第二章 燃烧与大气污染,19,第二章 燃烧与大气污染,(二)燃烧的条件,1、空气：燃料燃烧必
9、须提供适宜的空气和氧气。空气和氧气量过大，会带走过多的热量，反而造成热量损失；空气和氧气量过小，燃烧就不完全。燃烧时应控制在最佳的碳气比范围。 2、燃烧温度：燃烧加热达到着火温度是燃烧的必要条件，可燃烧物质在有氧气存在的条件下开始着火的最低温度称为着火温度。各种燃料有不同的着火温度，一般情况下，气体燃料着火温度最高，液体燃料着火温度较低，固体燃料着火温度最低。常见燃料的着火温度如下表所示：,20,常见燃料的着火温度,21,引火（或闪火）：煤气、天然气之类的气体燃料及汽油、酒精之类易产生挥发液体燃料与火焰或火花接触时，即使在低于着火温度时也会被引着火而燃烧起来，这种现象称为引火或闪火。使燃料引火
10、的最低温度称为引火点或闪火点。常见液体燃料的引火点如下表所示：表 常见液体燃料的引火点,思考：加油站为什么不允许吸烟？,22,第二章 燃烧与大气污染,3、时间,在高于着火温度状况时，燃料进入燃烧室后的停留时间应大于燃烧所需要的时间。在所要求的燃烧反应速度下，停留时间将取决于燃烧室的大小和形状。反应速度随温度的升高而加快，燃烧室内温度越高，燃烧所需的时间越短。,23,第二章 燃烧与大气污染,4、燃料与空气混合的程度,燃料与空气充分接触才有利于燃料的燃烧。煤炭燃烧 分为层燃式燃烧、沸腾式燃烧、悬浮式燃烧。 层燃式燃烧：是将煤炭置于固定或移动的炉箅上燃烧； 沸腾式燃烧：是利用空气使煤粉式颗粒在沸腾状
11、态下燃烧； 悬浮燃烧：是将煤粉随空气流在燃烧室中燃烧。为使煤粉燃烧彻底，应使燃烧室内的气流处于湍流状态，破坏煤层的边界层，有利于燃料与空气接触。,24,第二章 燃烧与大气污染,燃烧过程的“三T” ： 温度 (temperature) 时间（time） 湍流（turbulence） 通过控制空燃比、燃烧温度、燃烧时间和湍流状态来实现大气污染物排放量最低条件下有效燃烧的目标。,25,第二章 燃烧与大气污染,（三）燃烧中污染物的形成,1、烟的形成：烟是由气相、液相、固相混合而成的气溶胶。气相成分为N2、CO2、CO、O2、NOx、SO2等；液相主要成分为水；固相成分为燃烧产生的烟尘，排入大气后称TS
12、P，还包括未燃尽的含碳化合物-黑烟。黑烟的成分中，碳约占96.2%，氢占0.8%，剩下的是氧。根据燃烧状况及烟气净化程度的不同，其烟气各成分也不同。如湿式除尘脱硫后的烟气含水分较多，因此烟气呈白色水雾状；炉窑以燃烧烟煤为主，净化效果不佳时会出现黑烟，呈黑色；而干式除尘器效果不好时，烟气中含大量烟尘，呈褐色。,26,第二章 燃烧与大气污染,2、硫氧化物的形成：煤中的硫分为有机硫、硫酸盐和硫化物。在燃烧的第一二阶段，煤的挥发分逸出，煤中有机硫的结合键“C-S” 键断裂，主要是有机硫释放出来，氧化反应生成 二氧化硫。随着温度的升高，硫化物和硫单质燃烧，与氧反应生成硫氧化物，其中以二氧化硫为主。当炉温
13、继续升高，煤中的部分硫酸盐发生热分解反应，硫氧化物释放出来。随着煤燃烧过程中煤和煤渣的熔融，可有效抑制硫酸盐的分解，减少硫氧化物的释放。二氧化硫形成的主要化学反应式如下：,27,第二章 燃烧与大气污染,3、氮氧化物的形成：氮氧化物是在氮燃烧过程中与氧发生氧化反应生成的氧化物，主要有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，由于生成的各种氧化物种类较多，因此用NOx来表示。由于燃烧条件和反应时间的不同，其生成 的氮的氧化物含量也不一样。燃烧产生的氮氧化物分为三类： 第一类：热力型氮氧化物，它是在高温燃烧时，来自空气中的氮气和氧气反应生成的氮氧化物； 第二类：燃料型氮氧化物，是燃料中的
14、有机氮经过化学反应生成的氮氧化物； 第三类：火焰边缘形成的快速型氮氧化物，其生成量很少，一般忽略不计。下面对第一和第二类进行介绍。,28,第二章 燃烧与大气污染,(1 )热力型氮氧化物：其生成与燃烧时的温度、氧的浓度及燃烧时间有关，在氧浓度不高的情况下，NO的生成速度随燃烧温度的升高而不断加大。在燃烧温度低于300时，NO生成速度较低，NO的生成量较少；当燃烧温度高于1500 时，NO生成速度明显加快，NO生成量较大。 （2）燃料型氮氧化物：由于燃料中氮的含量较低，在燃烧过程中有部分氮转化成氮氧化物。燃料中氮生成氮氧化物的过程 比较复杂，一般认为，燃烧温度不同，其形成的氮氧化物不同，并且形成中
15、间产物。随着燃烧温度的增加，会生成新的氧化物，并且燃料型氮氧化物的生成量会明显增加。,29,(1) 煤炭燃烧颗粒物的形成: 进入炉膛后先经过加温，在煤燃烧第二（着火）、第三（燃烧、破裂）阶段过程中，煤逸出挥发分后，出现大量孔穴，随着燃烧时间和温度的增加，燃烧由表向里进行，会出现破裂，变成大小不等的颗粒。在热力和炉内风力的作用下，燃烧中形成的微小颗粒称为飞灰，排出烟囱后称为烟尘，进入大气后形成大气污染物-TSP（总悬浮颗粒物）。同时在高温时，煤中的部分无机硫（硫酸盐硫）也逸出，发生氧化反应生成二氧化硫。在煤炭燃烧的第四阶段，炉膛中煤出现软化熔融现象，则飞灰产生量开始减少。,4、颗粒物的形成,30
16、,(1) 煤炭燃烧颗粒物的形成: 进入炉膛后先经过加温，在煤燃烧第二（着火）、第三（燃烧、破裂）阶段过程中，煤逸出挥发分后，出现大量孔穴，随着燃烧时间和温度的增加，燃烧由表向里进行，会出现破裂，变成大小不等的颗粒。在热力和炉内风力的作用下，燃烧中形成的微小颗粒称为飞灰，排出烟囱后称为烟尘，进入大气后形成大气污染物-TSP（总悬浮颗粒物）。同时在高温时，煤中的部分无机硫（硫酸盐硫）也逸出，发生氧化反应生成二氧化硫。在煤炭燃烧的第四阶段，炉膛中煤出现软化熔融现象，则飞灰产生量开始减少。,4、颗粒物的形成,31,第二章 燃烧与大气污染,（2）液体燃料燃烧颗粒物的形成：液体燃料中灰分含量极少，在正常燃烧情况下产生的烟气是无色的，但燃料蒸发后的气体是碳氢化合物，碳氢化合物扩散燃烧有可能产生热分解，如果燃料油蒸发后，氧气供应不足或不均匀，油蒸汽得不到氧气，温度又不再升高，碳氢化合物就会产生热分解，例如甲烷在高温缺氧条件下热分解反应式为： CH4 2H2 +C 上式中的“C”即固体碳粒，叫做碳黑，也会出现冒黑烟现象。,32,(三)燃烧计算,燃料燃烧时，需要空气或氧气，同时会
