内蒙科大大气污染控制工程教案第2章燃烧与大气污染

1第二章燃烧与大气污染2.1燃料的性质目的要求：了解燃料的分类、燃料的性质，掌握煤的工业分析、元素分析和成分表示方法；重点：煤的工业分析、元素分析和成分表示方法授课方式：讲授燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可以取得效益的物质。主要燃料为煤、石油和天然气等统称为常规燃料。燃料按物理状态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。一、煤1、煤的分类（1）褐煤最低品位的煤，形成年代最短，水分含量高，热值较低；（2）烟煤形成年代较褐煤长，适用于工业上的一般应用。（3）无烟煤碳含量最高、煤化时间最长的煤。2、煤的工业分析煤的工业分析包括测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳，以及估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。（1）水分包括外部水分和内部水分。煤中含水分使热值降低，影响燃烧的稳定，一般控制煤中水分在10%-13%左右。（2）灰分是煤中不可燃矿物物质的总称，其含量和组成因煤种及粗加工的不同而已，我国煤炭的平均灰分约为25%。（3）挥发分煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质称为挥发分，通过将风干的煤样在1200K的炉中加热7min而测定。挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳及少量的硫化氢等组成。在相同的热值下，煤中挥发分越高，就越容易燃着，火焰越长，越易燃烧完全。（4）固定碳从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩下的部分就是固定碳，是煤的主要可燃物质。3、煤的元素分析元素分析是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。碳和氢是通过燃烧后分析尾气中二氧化碳和水的生成量而测定的；氮含量的测定是在催化剂作用下使煤中氮转变为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。测定硫的含量，是将样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物上加热，2使硫化物转变为硫酸盐，在以重量法测定硫酸钡沉淀而决定的。4、煤中硫的形态采用物理、化学和放射化学方法测定的结果证实，煤中含有四种形态的硫：黄铁矿硫（FeS2）、硫酸盐硫（MeSO4）、有机硫（CxHySz）和元素硫。煤中各种形态硫的比例，直接影响煤炭脱硫方法的选择。人们一般把硫分划为硫化铁硫、有机硫和硫酸盐硫三种。前两种能燃烧放出热量称为挥发硫，硫酸盐硫不参加燃烧，是灰分的一部分。据分析，低硫煤中主要是有机硫，约为无机硫的8倍，高硫煤中主要为无机硫，约为有机硫的3倍；5、煤的成分表示方法由于煤中水分和灰分受外界条件的影响，其百分比必然也随之改变。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：收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种。（1）收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作为100%的成分，亦即锅炉燃料的实际成分（锅炉炉前使用的燃料）可表示为Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+War=100%角码“ar”表示收到基成分。因为收到基表示的是实际燃料，所以在进行燃料计算和热效应实验时，都以收到基为准。（2）空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分。以角码“ad”表示。Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Wad=100%（3）干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%的成分，以角码“d”表示；Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%（4）干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分叫做干燥无灰基成分。用角码“daf”表示；Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%表2-2给出了我国部分煤种的煤质分析结果。二、石油石油是液体燃料的主要来源。原油虽然易燃，但出于安全和经济的考虑，一般将原油加工为各种石油化学产品。通过蒸馏、裂化和重整等过程，生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。3三、天然气天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷85%，乙烷10%，丙烷3%；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中。四、非常规燃料除了煤、石油、天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之列；根据来源，非常规燃料可分为如下几类：（1）城市固体燃料；（2）商业和工业固体废弃物；（3）农产物及农村废物；（4）水生植物和水生废物；（5）污泥处理厂废物；（6）可燃性工业和采矿废物；（7）天然存在的含碳和含碳氢的资源；（8）合成燃料；非常规燃料既能提供能源，又能处置废物，减轻对环境的压力。但是非常规燃料的燃烧常常产生出比常规燃料更严重的空气污染和水体污染，应予以特殊的注意。2.2燃料燃烧过程目的要求：了解燃料燃烧的条件，理解并掌握燃烧所需空气量的计算、理解空气过剩系数；重点难点：燃烧所需空气量计算授课方式：讲授一、影响燃烧过程的主要因素燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转变为相应的氧化物。完全燃烧的产物是二氧化碳和水蒸气，不完全燃烧过程将产生黑烟，一氧化碳和其他部分氧化产物等大气污染物；1、燃料完全燃烧的条件要使燃料完全燃烧必须具备如下条件（1）空气条件（2）温度条件燃料只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧；固体燃料＜液体燃料＜气体燃料（3）时间条件燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的4另一基本因素，燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需要的时间；（4）燃料与空气的混合条件适当控制这四个因素——空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真考虑这些因素。通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”；二、燃料燃烧的理论空气量1、理论空气量单位量燃料燃烧按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量；它由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。建立燃烧方程式时，做如下假定：（1）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79.1：20.9=3.78；（2）燃料中的固定态氧可用于燃烧；（3）燃料中的硫主要被氧化为二氧化硫；（4）（4）热力型NOx的生成量较小，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可以忽略；（5）（5）燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主；（6）（6）燃料的化学式为CxHySzOw，其中下标x，y，z，w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数；（7）由此，可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式：（8）CxHySzOw+（x+y/4+z-w/2）O2+3.78（x+y/4+z-w/2）N2——（9）xCO2+y/2H2+zSO2+3.78（x+y/2+z-w/2）N2+Q(2-5)（10）例2-1，通过使用燃料完全燃烧化学方程式，计算理论空气量条件下的燃料空气质量比，确定燃烧产物气体的组成；（11）例2-2，基于燃料的质量的元素分析结果，首先转化为等效的摩尔组成，然后求燃烧时的理论空气量；（12）2、空气过剩系数（13）在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧，但在实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想化的程度，因此为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。（14）一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数a，即（15）a=Va/Va0（16）通常a＞1，a值的大小决定于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件5等因素。（17）3、空燃比（AF）（18）空燃比定义为单位质量燃料燃烧所需要的空气质量；可由燃烧方程直接求得；三、燃烧产生的污染物燃料的燃烧过程并不像方程式2-5表示的简单过程，还有分解和其他的氧化过程。燃烧烟气主要由悬浮的颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体等组成。燃烧可能放出的污染物有：二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类等等；他们的形成与燃烧条件有关；例2-3，通过重油燃料计算理论空气量，掌握计算理论空气量的另一种思路和方法；四、热化学关系式1、发热量燃烧过程是放热反应，释放的能量（光和热）产生于化学键的重新排列。单位燃料完全燃烧时发生的热量变化，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同的情况下（通常为298K和1atm）的热量变化，称为燃料的发热量，单位为kJ/kg（固体、液体燃料），或kJ/m3（气体燃料）；高位发热量包括燃料燃烧生成物中水蒸气的汽化潜热；低位发热量是指燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在是完全燃烧过程所释放的热量；一般燃烧设备中的排烟温度均远远大于水蒸气的凝结温度，因此大都按低位发热量计算燃料发热量。2、燃烧设备的热损失燃烧设备的热损失主要包括排烟热损失、不完全燃烧热损失和炉体散热损失等；（1）排烟热损失主要是由于排烟带走了一部分热量所造成的，可根据排烟的焓与进入锅炉冷空气的焓之差来计算；影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟体积；（2）不完全燃烧热损失包括化学不完全燃烧和机械不完全燃烧；前者是由于烟气中含有残余的可燃气体所造成的，主要为一氧化碳，还有少量的氢气和甲烷；后者是由于灰中含有未燃尽的碳造成的；6（3）散热损失由于锅炉炉墙、炉筒、联箱、汽水管道等部分温度高于周围空气温度，因而有部分热量散失到空气中而造成的损失；3.3烟气体积及污染物排放量计算目的要求：理解并掌握烟气体积的计算及污染物排放量的计算；重点难点：烟气体积及污染物排放体积的计算；授课方式：讲授一、烟气体积计算1、理论烟气体积在理论烟气量下，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；烟气成分主要是二氧化碳、二氧化硫、氮气和水蒸气。通常把烟气中除了水蒸气以外的部分称为干烟气，把包括水蒸气在内的烟气称为湿烟气。所以理论烟气体积等于干烟气体积与水蒸气体积之和；理论水蒸气体积是由三部分构成的；燃料中的氢燃烧后生成的水蒸气体积，燃料中所含水蒸气体积和由供给的理论空气量带入的水蒸气体积；2、烟气体积和密度的校正燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准状态（273K，1atm），在烟气体积和密度计算中往往需要换算成为标准状态。若设观测状态下（温度Ts，压力Ps）烟气的体积为Vs、密度为ρs，在标准状态下（温度Tn，压力Pn）烟气的体积为Vn，密度为ρn，则由理想气体状态方程可得标准状态下的烟气体积：PsTnPnTsVn=Vs标准状态下烟气的密度：nsTsPnPsTn=3、过剩空气校正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。以碳在空气中的完全燃烧为例C+O2+3.78N2——CO2+3.78N2烟气中仅含有CO2和N2，若空气过量，则燃烧方程式变为C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2——CO2+aO2+（1+a）3.78N2其中a是过剩空气中O2的过剩摩尔数。根据定义，空气过剩系数：aON=1aON2222实际空气量（1+）（+3.78）理论空气量+3.787要计算α，必须知道过剩氧的摩尔数。若燃烧是完全的，过剩空气中的氧仅能以O2的形式存在，假如燃烧产物以下表p表示C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2——CO2p+O2p+N2p其中，O2p=aO2，表示过剩氧量，N2p为实际空气量中所含的总氮量。假设空气的体积组成为20.9%O2和79.1%N2，则实际空气量中所含的总氧量为：(20.9/79.1)N2p=0.264N2p理论需氧量为0.264N2p-O2p，因此空气过剩系数pO=1NO2p22p0.264-如果是不完全燃烧，产生CO，过剩氧量必须加以修正，即从测得的过剩氧中减去氧化CO为CO2所需要的氧。因此2pp2p2ppO0.5CO=10.264NO0.5CO（）式中各组分的量均为奥萨特仪所测得的各组分的百分数。例题，不完全燃烧根据奥萨特仪测定结果计算实际烟气体积。二、污染物排放量的计算根据测定烟气中污染物的浓度，实际排烟量，计算污染物的排放量。例题2-4，掌握理论烟气量、实际烟气量及其中某种成分含量的计算，通过计算过程，巩固所学基本知识及基本概念；例题2-5，掌握烟气密度的校正及过剩空气的校正；2.4燃烧过程污染物的形成与控制目的要求：了解燃烧过程硫氧化物、颗粒物、氮氧化物、有机污染物等污染物的形成机理；重点难点：无授课方式：讲授、自学一、燃烧过程硫氧化物的形成与控制1、燃料中