2.第二章 燃烧与大气污染

北京城市学院2011年7月第二章燃烧与大气污染通过本章的学习，了解常规及非常规燃料的组成及性质，掌握燃料组成对燃烧的影响，了解燃烧过程污染物的形成机理。教学重点：燃料燃烧过程及其污染物的形成。教学难点：烟气体积及污染排放量计算。教学基本要求第一节燃料的性质第二节燃料的燃烧过程第三节烟气体积计算第四节燃烧过程中硫氧化物的形成第五节颗粒污染物的形成第六节其他污染物的形成主要内容第一节燃料的性质1.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2.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。2.燃料组成对燃烧的影响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。2.燃料组成对燃烧的影响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。3.煤的分类和组成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,发热量大中国煤炭分类简表3.煤的分类和组成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。3.煤的分类和组成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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3.煤的分类和组成煤的工业分析（续）固定碳•失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的环境中灼烧到重量不在变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳灰分：•从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分3.煤的分类和组成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3.煤的分类和组成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，酸滴定硫：与氧化镁和无水碳酸钠混合物反应，SSO42-，重量法测定硫酸钡沉淀3.煤的分类和组成煤中硫的形态3.煤的分类和组成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arararararararWASNOHC%100adadadadadadadWASNOHC3.煤的分类和组成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dafdafdafdafdafSNOHC%100ddddddASNOHC3.煤的分类和组成煤的成分的表示方法及其组成的相互关系3.煤的分类和组成我国部分煤种的分析结果(续）4.液体燃料液体燃料分为天然和人工两大类，天然液体燃料主要指石油，人工液体燃料指石油加工后的产品、合成的液体燃料以及煤经高压加氢所获得的液体燃料，主要包括汽油、煤油、柴油和重油等。液体燃料与固体燃料相比具有以下特征。(1)液体燃料的发热值高，容易贮藏和运输；(2)一般来说燃烧液体燃料所产生的煤烟比燃煤时少，但在燃烧重质燃料油时，燃烧方法不当仍会产生大量油烟；(3)燃烧含硫高的重质油时，会产生较多的SO2气态污染物；(4)燃料油中灰分含量较少，但灰分中的金属氧化物对燃烧有很大影响，5.气体燃料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，是防止大气污染的理想燃料，主要包括天然气、液化石油气(LPG)、裂化石油气和焦炉煤气。气体燃料具有如下特征：(1)气体燃料的燃烧效率较高．用少量过剩空气就可以使气体燃料得到充分燃烧，而且煤烟发生量很少；(2)大多数气体燃料含硫量很低，燃烧后的烟气中几乎不含有SO2(3)气体燃料不含有灰分，因此烟气中没有烟尘，但直接燃烧由固体燃料气化的气体燃料，烟气中可能含有少量烟尘。6.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第二节燃料燃烧过程1.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NOX－热力型NOX1.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：达到燃料的着火温度时间条件：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(湍流度)：燃料与氧充分混合1.影响燃烧过程的主要因素典型燃料的着火温度1.影响燃烧过程的主要因素燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）1.影响燃烧过程的主要因素典型锅炉热损失与过剩空气量的关系1.影响燃烧过程的主要因素燃气比和混合程度对燃烧产物的影响2.燃料燃烧的理论空气量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CxHySzOw2.燃料燃烧的理论空气量QNwzyxzSOOHyxCONwzyxOwzyxOSHCwzyx2222222478.322478.324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/kgkgmwzyxwzyx/)1632008.112/(2478.44.223例题1：燃料组成的表示方法:CxHySzOwNv例:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%,灰分:7.9%(重量百分数),确定分子组成(按C归一化)并计算这种煤燃烧时理论空气量。第一步：按C归一化元素%mol/100gmol/molC77.2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=0.057灰分7.96.43=1.23g/molC确定分子组成CH0.808N0.013S0.013O0.057molCgmolCgMf55.1543.6100例题1第二步：写出燃烧反应方程式CH0.808N0.013S0.013O0.057+α(O2+3.78N2)CO2+0.404H2O+0.313SO2+(3.78α+0.065)N2α=1+0.808/4+0.013-0.057/2=1.19第三步：理论空气条件下燃料与空气质量比为：(mf/ma)=15.5g/mol(C)/1.19(32+3.78*28)gmol(C)=0.0948第四步：需要空气体积的标准化Va0=[1.19*(1+3.78)mol/15.5g]*1000g/1kg*22.4*10-3m3/mol=8.19m3/kg（燃料）燃料的组成未知，可利用燃料的发热量进行估算挥发分产率15%的烟煤挥发分产率15%的贫煤和无烟煤发热量Qnet12540kJ/kg的劣质煤2.燃料燃烧的理论空气量9904500netaQV278.0100005.10netaQV9906000netaQV2.燃料燃烧的理论空气量例题：2.燃料燃烧的理论空气量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理论空气量实际空气量2.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：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=15.1022222188418878.398418878.34188NOHCONOHC3.燃烧过程中产生的污染物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3.燃烧过程中产生的污染物燃烧产物与温度的关系：3.燃烧过程中产生的污染物燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：例题3见教材P43，例题2-34.热化学关系式发热量：•单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下的热量变化（kJ/kgorkcal/kg）•高位发热量：包括燃料生成物中水蒸气的汽化潜热•低位发热量：燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量)/()9(25kgkJWWqqWHHL4.热化学关系式燃烧设备的热损失•排烟热损失•不完全燃烧热损失•散热损失在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。化学不完全燃烧：烟气残余可燃气体机械不完全燃烧：灰中残余可燃固体4.热化学关系式燃烧热损失与空燃比的关系第三节烟气体积及污染物排放计算1.烟气体积计算理论烟气量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。nssnsnTTPPsnnssnTTPPVV1.烟气体积计算过剩空气校正实际空气量=（1+α）（O2+3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多α（O2+3.78N2）此时烟气中，O2的量为O2P=αO2，N2的量为N2P=3.78（1+α）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0.264N2P1.烟气体积计算过剩