第二章 燃烧与大气污染

1第二章燃烧与大气污染教学内容§燃料的性质§燃料燃烧过程§烟气体积及污染物排放计算§燃烧过程中硫氧化物的形成§燃烧过程中颗粒物的形成§燃烧过程中其他污染物的形成2§2燃烧与大气污染1.教学要求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；掌握颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径。2、教学重点重点理解燃烧的基本原理和相关污染物形成机理，重点掌握燃烧过程污染物排放计算。3、教学难点燃烧过程污染物排放计算。3焚烧秸秆4300MW、600MWW形火焰燃低挥发份无烟煤锅炉该锅炉的主要技术特点：分级送风的双拱炉膛；旋风分离式煤粉浓缩型燃烧器；双进双出球磨机正压直吹式燃烧系统。5600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉6600MW及以上超临界本生直流机组锅炉78§1燃料的性质燃料的分类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燃料的定义：指用于产生热量或动力的可燃物质。9§1燃料的性质一、煤煤定义：是一种复杂的物质聚集体。主要可燃成分是C、H及少量O、N、S等一起构成的有机聚合物。性质：煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。煤的形成：煤是由大约三亿年前的沼泽洼地生长的植物转变而来。古代茂盛的植物被埋在地下，经过长期的地热、高压和细菌的作用而腐解变质，使纤维素、木质素脱去水、二氧化碳、甲烷等气体后，逐渐变为含有碳丰富的可燃性岩石——煤。10§1燃料的性质煤的分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。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。特点：①挥发分较高，析出温度低；②燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量60—75%，O含量20—25%。11§1燃料的性质烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。挥发分20—45%，C含量75—90%。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。无烟煤：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10%,着火难，不易自燃，成焦性差。12燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出7850kcal的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出2214kcal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，1kg氢完全燃烧时能放出28780kcal的热量。13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0.5-1.5%。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。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102-105C，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。燃料组成对燃烧的影响14煤的成分分析工业分析（proximateanalysis）测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳，以及估测硫含量和热量，是评价工业用煤的主要指标。元素分析（ultimateanalysis）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。15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；外部水分＋内部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使热值降低，影响燃烧稳定，一般控制煤中水分在10%-13%。16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，放入干燥箱中冷却至常温再称重。固定碳：从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳，是煤的主要可燃物质。灰分：灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。高灰分、低熔点的煤极易结渣，从而影响热效率。煤的工业分析17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。煤的工业分析18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，滴定。19煤中硫的形态20硫化铁硫：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿硫。黄铁矿硬度：6—6.5,比重：4.7—5.2，本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。硫酸盐硫:硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它形态的硫能燃烧放出热量。通常所说的SOx污染物只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4。有机硫：以各种官能团形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。煤中硫的形态21煤的成分的表示方法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。100%arararararararCHONSAW100%adadadadadadadCHONSAW22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。100%dafdafdafdafdafCHONS100%ddddddCHONSA煤的成分的表示方法23煤的成分的表示方法及其组成的相互关系煤的成分的表示方法adarddaf24我国部分煤种的分析结果煤的成分的表示方法25我国部分煤种的分析结果煤的成分的表示方法26二、石油石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动液体，比重0.78—1.00之间，主要由链烷烃、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，此外，含有微量金属（钒、镍）、砷、铅、氯等，10ppm左右。原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，其含硫量变化范围较大，一般为0.1—7%。原油通过蒸馏、裂化和重整过程生产出各种产品。原油中的S约有80—90%留于重馏分中。硫以复杂的环状结构存在，而需去除的仅是硫原子，故不能用物理方法分离硫化物。采用高压下的催化加氢破坏C—S—C键形成H2S气体，可达目的，但费用很高。27三、天然气天然气是典型的气体燃料。一般组成为：CH4：85%,乙烷：10%，丙烷：3%，此外还有：H2O、CO2、N2、He、H2S等。天然气中的H2S具有腐蚀性，它的燃烧产物为硫的氧化物，因此许多国家规定了天然气中总硫和H2S含量的最大允许子值。28四、燃料最重要的两个属性热值决定燃料的消耗量杂质污染物产生的来源29五、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。30§2燃料燃烧过程一.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当燃烧室温度较高时，空气中的部分N可能被氧化成热力型NOx31一、影响燃烧过程的主要因素燃料完全燃烧的条件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）：燃料与氧充分混合。32典型燃料的着火温度一、影响燃烧过程的主要因素33二、燃料燃烧的理论空气量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。燃料中固定态氧可用于燃烧。燃料中硫主要被氧化为SO2。不考虑NOX的生成。燃料中的N在燃烧时转化为N2。燃料的化学方程式为CxHySzOw。342222223.7842423.78242xyzwywywCHSOxzOxzNyywxCOHOzSOxzNQ燃烧方程式：燃料重量：12x+1.008y+32z+16w二、燃料燃烧的理论空气量0322.44.78/121.008321642107.1/121.0083216/42aywVxzxyzwywxzxyzwmkg理论空气量:一般煤的理论空气量为：4-9m3/kg;液体燃料（燃料油）为：10-11m3/kg。35例题：二、燃料燃烧的理论空气量36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0VVaa实际空气量理论空气量二、燃料燃烧的理论空气量37空燃比（AF）定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。例如，甲烷在理想空气量下的完全燃烧：CH4＋2O2＋7.56N2→CO2＋7.56N2则空燃比：AF=（2×32＋7.56×28）/（1×16）=17.2汽油（C8H18）的理论空燃比为15。纯碳的理论空燃比约为11.5。二、燃料燃烧的理论空气量38三、燃烧过程中产生的污染物燃烧过程并不像化学方程式里表示的那么简单，它还有分解、其他的氧化、聚合等过程。燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂及惰性气体（主要是N2）等组成。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、金属盐、醛、酮和稠环碳氢化合物等。39三、燃烧过程中产生的污染物燃烧过程并不像化学方程式里表示的那么简单，它还有分解、其他的氧化、聚合等过程。燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂及惰性气体（主要是N2）等组成。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、金属盐、醛、酮和稠环碳氢化合物等。40§3烟气体积及污染物排放量计算一、烟气体积计算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理论水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中所含的水蒸气+V由供给理论空气量带入的水蒸气41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ρs。在