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1、第二章第二章 清洁燃烧技术清洁燃烧技术本章主要内容：案例分析2.1燃料的燃烧过程及燃烧设备2.2燃烧过程中主要污染物的形成机制2.3煤脱硫技术和低NOX生成燃烧技术课后思考题及拓展任务循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧技术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。未来的几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期【案例分析】【案例分析】（1）循环流化床的结构和原理锅炉采用单锅筒，自然循环方式，总体上分为前部及
2、尾部两个竖井。前部竖井为总吊结构，四周有膜式水冷壁组成。自下而上，依次为一次风室、密相床、悬浮段，尾部烟道自上而下依次为高温过热器、低温过热器及省煤器、空气预热器。尾部竖井采用支撑结构，两竖井之间由立式旋风分离器相连通，分离器下部连接回送装置及灰冷却器。燃烧室及分离器内部均设有防磨内衬，前部竖井采用敷管炉墙，外置金属护板，尾部竖井采用轻型炉墙，由八根钢柱承受锅炉全部重量。【任务二】煤燃烧大气污染物排放量的计算p某电厂烟气温度为473k，压力为105kpa，湿烟气量V=10400m3,水蒸气的体积分数为6.25%，二氧化碳为10.7%，氧气为8.2%，不含一氧化碳。排放的污染物质流量为22.7k
3、g/min。求1.污染物排放的流量（单位：t/d）2.污染物在干烟气中的浓度。3.烟气中的过剩系数。4.空气过度系数a=1.8时，污染物在烟气中的浓度。p洁净燃烧技术主要是通过洁净煤技术减少二氧化硫排放和通过改变燃烧方式降低NOx生成。主要洁净煤技术包括煤炭洗选加工，煤炭气化和液化，工业和民用煤炭固硫技术，燃煤锅炉采用的脱硫技术和循环流化床燃烧技术等。、2.1 2.1 燃料的燃烧过程及燃烧设备燃料的燃烧过程及燃烧设备2.1.1燃料的种类燃料的种类(1)固体燃料固体燃料分为天然固体燃料、人工固体燃料和固体可燃废物。泥煤泥煤是最年轻的煤，是由植物刚刚衍变而成的。褐煤褐煤比泥煤炭化程度大一些，这种煤
4、基本上完成了植物遗体的炭化过程烟煤烟煤是炭化程度较高的煤，仅次于无烟煤。无烟煤无烟煤是含碳量最高、炭化时间最长的煤。（煤炭分类见表2-1）(2)液体燃料液体燃料包括石油及石油制品、煤炭加工制取的燃料油和生物液体燃料。(3)气体燃料由可燃气体组成燃料称为气体燃料。可分为天然气体燃料、工业生产过程副产气体燃料和人造气体燃料等。模块二模块二燃烧过程污染物排放量的计算燃烧过程污染物排放量的计算 一、燃料的种类及组成二、燃料的燃烧过程三、烟气体积及污染物排放量计算四、燃烧污染物的形成与控制A.固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩散控制）。B.液体燃料：由蒸发过程控制
5、（气态形式燃烧）。C.气态燃料：由可燃气体组成的燃料称为气体燃料。气体燃料属于清洁燃料，主要包括天然气、液化石油气、焦炉煤气等。按其物理状态分为：一、一、 燃料的种类及组成燃料的种类及组成1.1.燃料的分类（1 1）如下表： 按获得方法分按物态分天然燃料 人工燃料 固体燃料 木柴、煤、油页岩木炭、焦炭、煤粉等液体燃料石油汽油、煤油、柴油、重油气体燃料天然气高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气（2）按使用多少可以分为1）常规燃料如煤、石油、天然气等。2）非常规燃料(1)C(1)C是主要燃素，碳化年龄越大，是主要燃素，碳化年龄越大，是主要燃素，碳化年龄越大，是主要燃素，碳化年龄越大，含碳越高含碳越高含碳
6、越高含碳越高(2)S(2)S有三种存在形式：硫有三种存在形式：硫有三种存在形式：硫有三种存在形式：硫酸盐（不参与燃烧反应，非可燃硫）酸盐（不参与燃烧反应，非可燃硫）酸盐（不参与燃烧反应，非可燃硫）酸盐（不参与燃烧反应，非可燃硫）、黄铁矿和有机硫（可燃硫市极为、黄铁矿和有机硫（可燃硫市极为、黄铁矿和有机硫（可燃硫市极为、黄铁矿和有机硫（可燃硫市极为有害的），燃烧生成有害的），燃烧生成有害的），燃烧生成有害的），燃烧生成SO2SO2和和和和SO3SO3等等等等有害气体，造成大气污染有害气体，造成大气污染有害气体，造成大气污染有害气体，造成大气污染(3)(3)灰分是灰分是灰分是灰分是由燃料中碳酸盐、
7、粘土矿物及微量由燃料中碳酸盐、粘土矿物及微量由燃料中碳酸盐、粘土矿物及微量由燃料中碳酸盐、粘土矿物及微量的稀土元素所组成，不能燃烧，造的稀土元素所组成，不能燃烧，造的稀土元素所组成，不能燃烧，造的稀土元素所组成，不能燃烧，造成燃烧损失和大气环境颗粒物污染成燃烧损失和大气环境颗粒物污染成燃烧损失和大气环境颗粒物污染成燃烧损失和大气环境颗粒物污染2.2. 几种常几种常规规燃料及其燃料及其化学组成（1）煤定义：煤是最重要的固体燃料，它是一种复杂的物质聚集体。煤的可燃成分主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物,各种聚合物之间由不同的碳氢支链互相连接成更大的颗粒。性质：性质：煤中有机成分和
8、无机成分的含量因种类、产地不同而异。1）煤的分类：分类：基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。A.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材结构。特特点点：挥发分较高，析出温度低；燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。1）煤的分类B.B.烟烟煤煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。挥发分2045%，C7590%。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。C.C.无无烟烟煤煤：碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。C含量93%,无机物量1部分炉型的空气过剩系数通常
9、1，值的大小决定于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素。5.5.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=15.115.5.燃料燃烧的理论空气量理论空气量的经验理论空气量的经验计算公式已知元素分析可用式2-1计算；若知燃料的热值可用式2-2计算。应用计算例：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%，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。解：以1kg重
10、油燃烧为基础，则：重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C88373587358H954752375S160505H2O0500278073.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空气中N2与O2的摩尔比为3.76(体积比)则，理论空气量为：mol/kg重油即Nm3/kg重油理论需氧量为：6.燃料燃烧的过程和设备6.1固体燃料燃烧的过程和设备固体燃料的燃烧主要指煤或焦炭的燃烧。煤的燃烧过程概括起来至少有四个主要过程：气象中氧分子扩散到煤粒子的表面；煤中挥发的扩散；进行化学反应；反应产物转移到气流中。煤的燃烧方式分为层燃、室燃和硫化态燃烧。燃烧设备大致可以分为炉排炉、煤粉炉
11、、旋风燃烧炉和流化床锅炉。炉排炉：又称层燃炉，如：链条炉、振动炉排炉、抛煤机炉排炉等。煤粉炉旋风燃烧炉流化床锅炉6.2气体燃料的燃烧过程和设备气体燃料的燃烧过程6.3液体燃料的燃烧过程和设备三、三、 烟气体积及污染物排放量计算烟气体积及污染物排放量计算. . 理论烟气体积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。干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。Vfg0=V干烟气+V水蒸气V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中+V理论空气量带入的2实际烟气体积Vfg0Vfg=V
12、fg0+(a-1)Va03.烟气体积和密度的校正燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故需换算成标态。大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。设观测状态下（Ts、Ps下）：烟气的体积为Vs，密度为s。标态下（TN、PN下）：烟气的体积为VN，密度为N。标态下体积为：标态下密度为：应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1atm在作数据比较时应注意。4. 4.过剩空气较正过剩空气较正因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气量之和。用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和
13、空气过剩系数。空气过剩系数为a=m-过剩空气中O2的过剩系数设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形式存在，燃烧产物用下标P表示，假设空气只有O2、N2,分别为21%、79%，则空气中总氧量为理论需氧量：0.266N2P-O2P所以（燃烧完全时）若燃烧不完全会产生CO，须校正。即从测得的过剩氧中减去CO氧化为CO2所需的O2此时各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。例2对例1给定的重油，若燃料中硫转化为SOX（其中SO2占97%），试计算空气过剩系数a=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。应用实例分析解答：解：由例1可知，理论
14、空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2：73.58H2O：47.5+0.0278SOX：0.5NX：97.833.76理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.833.76)=489.45mol/kg重油即489.45=10.96m3/kg重油空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为：其中10.43为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。分析解答：烟气中SO2的体积为烟气中SO3的体积为所以，烟气中SO2、SO3的浓度分别为：分析解答：当=1.2时，干烟气量为：CO2体积为：所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为：例3：已知某电厂烟气温度为473K，压力为9
15、6.93Kpa,湿烟气量Q=10400m3/min，含水汽6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的质量流量为22.7Kg/min。（1）污染物排放的质量速率（以t/d表示）（2）污染物在烟气中浓度（3）烟气中空气过剩系数（4）校正至空气过剩系数=1.8时污染物在烟气中的浓度。应用实例解：（1）污染物排放的质量流量为：（2）测定条件下的干空气量为：测定状态下干烟气中污染物的浓度：标态下的浓度：（3）空气过剩系数：（4）校正至=1.8条件下的浓度：四、燃烧污染物的形成与控制（一）燃烧过程燃烧过程SOxSOx的形成及控制的形成及控制1.燃料中
16、硫的氧化机理燃料中硫的氧化机理燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相当低，即使在贫燃料状态下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（SO）2，还有少量一氧化二硫S2O。这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。燃烧时：故一般主要生成SO2,计算时可忽略SO3。（二）（二）SOxSOx的控制的控制2燃料脱硫）煤炭的固态加工国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是：炼焦煤：硫分1%，灰分68%；动力煤：硫分0.51%，灰分1520%；故原煤必经分选以除去煤中的矿物质。
17、 目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低4090%的S）,此法对有机硫含量较大或精炼还不能达到环保条例的要求。 正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等，工业上应用的很少。型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。2）煤炭的转化煤炭的转化主要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。A.煤的气化煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯-托切克气化；“第二代”液态排渣气化、Hygas气化、Cogas气化等未商业化；“第三代”处于实验阶段的煤催化气化。煤气
18、主要是H2、CO、CH4等，煤中硫的H2S形式存在。生产出煤气中H2S含量几百到几千mg/m3。去除方法有干法、湿式法。B.煤的液化直接液化SRC-法间接液化鲁奈气化-弗托合成法 煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD，要求大规模水处理设施。3.煤燃烧二氧化硫的控制分为燃前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫和煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫被认为是最有效的脱硫方式。燃前脱硫燃前脱硫:（1）逃汰选煤是各种密度、粒度和形状的物料在不断变化的流体中运动过程。属于物理选煤，主要利用煤中各种成分比例不同，而去处部分灰份和黄铁矿，不能去有机硫。（2）重介质选煤采用磁铁矿和水配置的悬浮液作为选煤的介质，利用不同浮
19、力进行选煤，属于物理方法。（3）浮选选煤是气、液固三相界面的分选过程，包括水中矿物颗粒粘附在气泡，然后上浮到煤浆液体表面。因为煤的湿润性较好而矿物的湿润性较差。（4）高梯度强磁分离煤脱硫技术煤中有机硫为逆磁性而大部分无机硫为顺磁性，利用磁性不同分离。（5）微波辐射法煤中黄铁矿的硫最容易吸收微波，有机硫次之，煤基质基本不吸收微波。微波吸收后削弱化学键，采用浸取液洗涤煤中硫，可以去无机硫，也可以去有机硫，目前在实验室状态。（6）化学处理法，如在煤中加入碱溶液，在一定反应条件下，脱去无机和有机硫，但该工艺成本高，对煤质有一定影响，在工程上应用少。（7）生物脱硫利用微生物破坏煤中无机硫和有机硫，可以达
20、到经济、有效的脱硫，但目前的难点是找到能破坏煤中硫而不影响碳结构的高效菌种。国外准备进行半工业实验，国内目前处于起步阶段。二氧化硫国家排放标准（mg/m3）（8）型煤固硫技术将不同原料经过筛分按照一定比例配煤，粉碎后同经过预处理的粘结剂和固硫剂混合，经过机械设备成型与干燥，得到具有一定形状和成品的工业固硫型煤。固硫剂按照化学形态分为钙系、钠系及其他。石灰石、大理石粉、电石渣是工业上较好的固硫剂，应用废液做粘结剂，如碱性纸浆黑液，也有一定的固硫作用。盐泥、糖泥、钙渣、烟道灰等可以作为粘结剂和脱硫剂。型煤燃烧烟气中粉尘、二氧化硫、CO浓度及烟气黑度明显下降，但由于型煤增加了原煤成本，可能使某些炉型
21、的锅炉出力受到一些影响，目前还处于工业示范阶段。(2)燃烧中脱硫燃烧中脱硫（3）燃烧中脱硫）燃烧中脱硫2.2.3低NOx生成燃烧技术影响燃烧过程中NOx生成的主要因素是燃烧温度，烟气在高温区停留的时间，烟气中各组分的浓度以及混合程度。实践证明：控制燃烧过程中的NOx形成的主要是空燃化，燃烧空气的预热温度，燃烧器的形状设计和燃烧区的冷却程度。低Nox生成燃烧技术主要包括低过量空气系数运行技术，两段式燃烧技术和烟气再循环技术。（1）低过量空气系数运行技术一般以炉内含氧量3%以上，或CO体积分数为210-4作为最小空气过剩系数的选择依据。烟气再循环法降低NOx排放的效果与燃料品种和烟气再循环有关。经
22、验表明，烟气再循环率为15-20%时，煤粉炉的NOx排放浓度可降低25%左右。NOx的降低率随着烟气再循环率的增加而增加。而且与燃料种类和燃烧温度有关。燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越大。两段式燃烧技术对四角切圆煤粉锅炉低NOX燃烧技术做了分析总结,叙述了TFS2000燃烧系统的特点,引出了两段式空气分级燃烧技术,应用实炉试验数据说明了两段式空气分级燃烧技术较传统空气分级燃烧技术具有更好的效果,用一维炉燃烧试验证明了两段式空气分级燃烧技术能够使煤粉燃烧的更充分。同时也实际应用了两段式空气分级燃烧技术完成了一台160t/h的四角切圆煤粉锅炉的改造,达到了氮氧化物降低50%,锅炉效率高于92%的目的,锅炉运行一切正常的良好效果.烟气再循环循环燃烧。具有以下特点：可以燃烧各种类型的煤、木材和固体废物。还可以实现与液体燃料的混合燃烧；由于流化速度较高，使燃料在系统在系统内不断循环，实现均匀稳定地燃烧；燃料在炉内停留时间长，燃烧效率达99%以上，锅炉效率达到90%以上；燃烧温度低，氮氧化物生产量少；石灰石用量少（钙硫比小于1.5），脱硫效率达90%；系统简单，操作灵活
