大气污染控制工程2014-第3讲 燃烧与大气污染

大气污染控制工程第三讲燃烧与大气污染扬州大学环境科学与工程学院2燃烧与大气污染1.燃料的性质2.燃料的燃烧过程3.烟气体积计算4.燃烧过程中硫氧化物的形成5.颗粒污染物的形成6.其他污染物的形成扬州大学环境科学与工程学院3燃烧与大气污染-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、焦炉煤气扬州大学环境科学与工程学院4燃烧与大气污染-燃料的性质典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分扬州大学环境科学与工程学院5燃烧与大气污染-燃料的性质典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分(续)扬州大学环境科学与工程学院6燃烧与大气污染-燃料的性质碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出32860kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ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120500kJ的热量。扬州大学环境科学与工程学院7燃烧与大气污染-燃料的性质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。扬州大学环境科学与工程学院8燃烧与大气污染-燃料的性质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。扬州大学环境科学与工程学院9燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院10燃烧与大气污染-燃料的性质煤的基本分类褐煤-最低品味的煤，形成年代最短，热值较低烟煤-形成年代较褐煤长，碳含量75%~90％。成焦性较强，适宜工业一般应用无烟煤-煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），成焦性差,发热量大扬州大学环境科学与工程学院11燃烧与大气污染-燃料的性质褐煤烟煤无烟煤扬州大学环境科学与工程学院12煤的详细分类燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院13燃烧与大气污染-燃料的性质煤的成分分析工业分析（proximateanalysis）测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值，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。扬州大学环境科学与工程学院14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8h，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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7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院15燃烧与大气污染-燃料的性质煤的工业分析（续）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：-煤中不可燃矿物物质的总称。扬州大学环境科学与工程学院16燃烧与大气污染-燃料的性质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扬州大学环境科学与工程学院17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，SSO42-，滴定燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院18煤中硫的形态燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院19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燃烧与大气污染-燃料的性质ararararararar100%CHONSAWadadadadadadad100%CHONSAW扬州大学环境科学与工程学院20燃烧与大气污染-燃料的性质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dddddd100%CHONSAdafdafdafdafdaf100%CHONS扬州大学环境科学与工程学院21煤的成分的表示方法及其组成的相互关系燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院22我国部分煤种的分析结果燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院23燃烧与大气污染-燃料的性质我国部分煤种的分析结果(续）扬州大学环境科学与工程学院24燃烧与大气污染-燃料的性质其他燃料石油液体燃料的主要来源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天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％扬州大学环境科学与工程学院25燃烧与大气污染-燃料的性质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扬州大学环境科学与工程学院26燃烧与大气污染-燃料的性质Sample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057100gg15.556.43molmolfM（碳）（碳）扬州大学环境科学与工程学院27燃料的最重要的两个属性热值•决定燃料的消耗量杂质•污染物产生的来源燃烧与大气污染-燃料的性质扬州大学环境科学与工程学院28燃烧与大气污染-燃料燃烧过程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空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx扬州大学环境科学与工程学院29燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃料完全燃烧的条件（3T）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）：燃料与氧充分混合扬州大学环境科学与工程学院30典型燃料的着火温度燃烧与大气污染-燃料燃烧过程扬州大学环境科学与工程学院31燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）燃烧与大气污染-燃料燃烧过程扬州大学环境科学与工程学院32典型锅炉热损失与过剩空气量的关系燃烧与大气污染-燃料燃烧过程扬州大学环境科学与工程学院33燃气比和混合程度对燃烧产物的影响燃烧与大气污染-燃料燃烧过程扬州大学环境科学与工程学院34燃烧与大气污染-燃料燃烧过程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燃料的化学式为CxHySzOw扬州大学环境科学与工程学院35燃烧方程式：燃料重量=12x+1.008y+32z+16w理论空气量：煤4~7m3/kg，液体燃料10~11m3/kg燃烧与大气污染-燃料燃烧过程222222CHSOO3.78N4242COHOSO3.78N242xyzwywywxzxzyywxzxzQ322.44.78/(121.0083216)m/kg42ywxzxyzw扬州大学环境科学与工程学院36燃烧与大气污染-燃料燃烧过程例题：扬州大学环境科学与工程学院37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燃烧与大气污染-燃料燃烧过程0实际空气量理论空气量aaVV扬州大学环境科学与工程学院38燃烧与大气污染-燃料燃烧过程空燃比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：128+1.00818=114.14-空气的质量：3212.5+283.7812.5=1723-空燃比AF=15.1181822222181818CH8O3.788N8CO9HO3.788N444扬州大学环境科学与工程学院39燃烧与大气污染-燃料燃烧过程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重油燃烧为基础，则：扬州大学环境科学与工程学院40燃烧与大气污染-燃料燃烧过程重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H9547．523．75S160．50．5H2O0．50．027802009.10扬州大学环境科学与工程学院41理论需氧量为：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空气中N2与O2的摩尔比为3.78(体积比)则，理论空气量为：mol/kg重油即m3/kg重油63.467178.383.9747.1010004.2263.467燃烧与大气污染-燃料燃烧过程扬州大学环境科学与工程学院42燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响扬州大学环境科学与工程学院43燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧产物与温度的关系：扬州大学环境科学与工程学院44燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：扬州大学环境科学与工程学院45燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧方式：固体燃料的燃烧方式有层状燃烧悬浮燃烧悬浮燃烧流化床燃烧（FBC）液体和气体燃料均属于悬浮燃烧。扬州大学环境科学与工程学院46燃烧与大气污染-燃料燃烧过程①层状燃烧燃料置于炉排（又称炉栅或炉篦）上燃烧，燃烧可以自下而上进行（称正烧）或自上而下进行（称反烧）。常见的炉排形式有固定式、往复式、平移式（链条炉排）。扬州大学环境科学与工程学院47燃烧与大气污染-燃料燃烧过程②悬浮燃烧燃料悬浮于炉腔内燃烧，煤粉炉、