大气污染控制工程_燃烧过程中污染物的形成

1第2章燃烧与大气污染(2)教学内容§1燃料的性质§2燃料燃烧过程§3烟气体积及污染物排放计算§4燃烧过程中硫氧化物的形成§5燃烧过程中颗粒物的形成§6燃烧过程中其他污染物的形成2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。ssnsnnnnnssspTVVpTpTpT31.烟气体积计算过剩空气校正实际空气量=（1+a）（O2+3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多a（O2+3.78N2）此时烟气中，O2的量为O2P=aO2，N2的量为N2P=3.78（1+a）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0.264N2P41.烟气体积计算过剩空气校正理论需氧量=0.264N2P-O2P，空气过剩系数=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正：O2P-0.5COP=1+（O2P-0.5COP）/[0.264N2P-（O2P-0.5COP）]以上组分的量均可由烟气分析仪测定。标况下烟气量计算的经验式：P472.13。52.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（EmissionFactor）62.污染物排放量计算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。7二．污染物排放量的计算解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2：73.58H2O：47.5+0.0278SOX：0.5NX：理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+()=491.4mol/kg重油即11.01m3/kg重油空气过剩系数α=1.2时，实际烟气量为：11.01+10.47×0.2=13.01m3/kg其中10.47为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。78.383.9778.383.978二．污染物排放量的计算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：KgmN/0109.010004.2297.05.03KgmN/1036.310004.2203.05.034ppmCppmCSOSO75.251010.131036.325.8351010.130109.0646329二．污染物排放量的计算当α=1.2时，干烟气量为：KgmN/4.122.047.1010004.220278.05.474.4913CO2体积为：所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为：重油KgmN/648.110004.2258.733%69.1310004.12648.110二．污染物排放量的计算例2-5：已知某电厂烟气温度为473K，压力为96.93Kpa,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。求：（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α=1.8时污染物在烟气中的浓度。11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：dtKgtdhhKg/7.32100024min60min7.22min/97500625.01104003mQd36/2.23281097507.22mmgCNmmgTTPPCCNNN3/0.421727347393.9633.1012.232812（3）空气过剩系数：（4）校正至α=1.8条件下的浓度：621.12.81.81264.02.81264.01222PPPONQNmmgCCC3/9.37788.1621.10.42178.1校实实校13§4燃烧过程中硫氧化物的形成一、燃料中硫的氧化机理1.燃料中硫的氧化√有机硫的分解温度较低无机硫的分解速度较慢含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，由于反应：在所有的情况下，它都作为一种重要的反应中间体2OSOSOhv142.H2S的氧化222222222OHSSOHSOOSOOOHSOHSHHOOHHHOOHOOHHHOH153.CS2和COS的氧化22222222CSOCSSOOCSOCOSOSOOSOOOCSCSSOCSOCOSOCSCOSSSOSOO222COSCOSSOSOOOCOSCOSOSOOSOOhv164.元素S的氧化87286*222222323SSSSOSOOSOSOSSSOOSOSOSOOSOOSOOSOOSOOMSOMhv175.有机硫化物的氧化2222222222222RCHSSCHRORCHSSCHRHORCHSSCHRRCHSRCHSRCHSRHRCHSHRRSHORSHORSORSO18二.SO2和SO3之间的转化反应方程式SO2+O+MSO3+M（1）SO3+OSO2+O2（2）SO3+HSO2+OH（3）SO3+MSO2+O+M（4）在炽热反应区，[O]浓度很高，反应（1）和（2）起支配作用19二.SO2和SO3之间的转化SO3生成速率当d[SO3]/dt=0时，SO3浓度达到最大在富燃料条件下，[O]浓度低得多，SO3的去除反应主要为反应（3），SO3的最大浓度：31223dSOSOOMSOOdkkt123max2SOMSOkk123max3SOMOSOHkk20二.SO2和SO3之间的转化燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率:转化率与温度密切相关H2SO4浓度越高，酸露点越高烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀24324HSOSOHSO100/()%xPPP21二.SO2和SO3之间的转化SO3的转化率/%22§5燃烧过程中颗粒物的形成一、碳粒子的生成1.核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳2.核表面上发生非均质反应3.较为缓慢的聚团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素积炭的生成与火焰的结构有关提高氧气量可以防止积炭生成压力越低则积炭的生成趋势越小23一.碳粒子的生成火焰的结构预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合（bursenburner,meekerburner）扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多24一.碳粒子的生成火焰的结构（续）层流火焰：Re2200，分子扩散和传导是控制过程湍流火焰：Re2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用LaminartransitiondevelopedturbulentheightJetvelocity25一.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反应过程26一.碳粒子的生成石油焦和煤胞的生成燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相裂化和高温分解，出现结焦多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。焦粒生成反应的顺序：烷烃烯烃带支链芳烃凝聚环系沥青半园体沥青沥青焦焦炭27二.燃煤烟尘的形成烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：黑烟：未燃尽的碳粒飞灰：不可燃矿物质微粒煤粉燃烧过程碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应灰层碳层外扩散28二.燃煤烟尘的形成煤粉燃烧过程理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤焦炭褐煤低挥发分烟煤高灰发分烟煤碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关222CHO2COH(2)Cmnsmn29二.燃煤烟尘的形成燃烧碳层中成分和温度分布30二.燃煤烟尘的形成黑烟形成的化学过程31二.燃煤烟尘的形成高灰分燃料的扩散燃烧32二.燃煤烟尘的形成飞灰的形成过程33二.燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质燃烧方式烟气流速炉排和炉膛的热负荷锅炉运行负荷锅炉结构34二.燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素——煤质35二.燃煤烟尘的形成燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响36二.燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——燃烧方式37二.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘百分比38二.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况39二.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况40火电厂大气污染物排放标准分类烟尘最高允许排放浓度（mg/m3）在县及县以上城镇规划区内的火电厂锅炉200在县规划区以外地区的火电厂锅炉500第I时段的在县及县以上城镇规划区内、1997年1月1日后还有10年及以上剩余寿命的火电厂锅炉600第Ⅲ时段的火电厂锅炉最高允许烟尘排放浓度41火电厂大气污染物排放标准第Ⅲ时段火电厂各烟囱SO2最高允许排放浓度燃料收到基硫分（％）≤1.01.0最高允许排放浓度（mg/m3）21001200锅炉额定蒸发量煤粉锅炉液态排渣固态排渣≥1000t/h1000650第Ⅲ时段的火电厂锅炉氮氧化物最高允许排放浓度（mg/m3）42二.燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素——运行负荷43§6燃烧过程中其他污染物的形成一.有机污染物的形成形成历程1.链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔2.延长乙炔的链形成各种不饱和基3.不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔4.不饱和基通过环化反应形成C6－C2型芳香族化合物5.C6－C2基逐步合成为多环有机物44一.有机污染物的形成比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接原因碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM排放水平具有相关性燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利于NOx的控制同时减少CH和NOx的排放需要仔细控制混合的型式、温度水平和整个系统的停留时间45二.CO的形成CO是所有大气污染物中量最大、分布最广的一种CO的全球排放量为200×106t/a燃料中的碳都先形成CO，然后进一步氧化在火焰温度下有足够的氧并且停留时间足够长，可以降低CO含量。CO的形成和破坏都由动力学控制，反应路线：RHRRCHORCOCOCOOH2COH462.CO的形成47三.Hg的形成与排放Hg对人的肾和神经系统有危害煤碳燃烧是Hg的一大来源煤中Hg的析出率与燃烧条件有关燃烧温度900oC时，析出率90％还原性气氛的析出率低于氧化性气氛Hg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一48四.NOx的形成NOx的形成机理燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的NOx热力型NOx：高温下N2与O2反应生成的NOx瞬时NOx：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx49四.NOx的形成50四.NOx的形成51五.二恶英的形成机理二恶英(Dioxin)是一种无色无味的脂溶性物质，二恶英实际上是一个简称，它指的并不是一种单一物质，而是结构和性质都很相似的包含众多同类物或异构体的两大类有机化合物，全称分别叫多氯二苯并-对-二