大气污染控制工程02第二章燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染第一节燃料与燃烧过程第二节燃烧计算第三节燃烧污染物的形成与控制重点：（二）燃烧计算１．理论空气量２．烟气量３．污染物排放量§1.燃料的性质燃料的定义：指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。燃料的分类：（1）常规燃料如煤（coal）、petroleum、天然气(rudegas)等。（2）非常规燃料按其物理状态分为：（1）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩散控制）。（2）液体燃料：由蒸发过程控制（气态形式燃烧）。(3)气态燃料：由扩散或混合控制。几种常规燃料一、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O2、N2、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。几种常规燃料一、煤分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。a.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%，O2含量20—25%。几种常规燃料一、煤1.分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。a.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%，O2含量20—25%。几种常规燃料一、煤b.烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。挥发分20—45%，C75—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。c.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。几种常规燃料一、煤2.煤的组成煤的组成按测定方法分为工业分析；元素分析两大类。a.工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。b.元素分析：用化学法测定的去除掉外部水分的主要组分。C、H2、N2、S、O2等。几种常规燃料一、煤3.煤中硫的形态有机硫（CxHySz）硫化物硫（FeS2）煤中含硫无机硫元素硫（S）硫酸盐硫（MeSO4）a.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。b.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。c.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。几种常规燃料二、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主要含C、H2、少量的S、N2、O2，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。几种常规燃料三、天然气一般组成为CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。§2-2燃料燃烧过程一、影响燃烧过程的主要因素1．燃烧过程及燃烧产物2．燃料完全燃烧的条件3．发热量及热损失4.燃烧产生的污染物1．燃烧过程及燃烧产物燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和其它部分氧化产物等。若燃料中含S、N会生成SO2和NOx，燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。FuelNOx(燃料型NOx)——燃料中的NNOx生成量ThermalNOx(热型NOx)——高温时空气中2．燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充分混合。（1）空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。（2）温度条件：只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度。各种燃料的着火温度见表2-3。P28（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时间。（4）燃烧与空气的混合条件：燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件。在大气污染物排放量最低条件下,实现有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度、时间、湍流度。(三T)3．发热量及热损失（1）发热量单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下（常温298K,101325Pa）的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg。（固体）KJ/m3(气体)。发热量有高位、低位之分。高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Qh低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量。Q1Q1与Qh的换算见式2.2，2.3。可用氧弹式量热计测定，也可用经验公式计算。经验公式见式2.4。根据煤的工业分析数据计算。煤的发热量根据燃料的工业分析数据计算。注意：煤中H有两种形态①可燃氢(参加燃烧)、自由氢。②结合氢（与O2）根据燃料的工业分析数据计算自由氢与C、S结合。需应用基来表明组成注：干燥基（上标d）可燃基（上标b）应用基（上标a）气体燃料的发热量式2.8，2.9。设省煤器、空气预热器可降温，防止温度过低而受酸蚀。一般工业锅炉160—200℃；大中工业锅炉120—180℃。（2）热损失排烟热损失：热损失为6—12%：不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。散热损失：由于设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。4．燃烧产生的污染物硫氧化物SOx：随温度变化不大，主要是煤中S。粉尘：随燃烧温度而变化(增高、不变、降低均有变化)。CO及HC化合物：随燃烧温度而变化(增高、不变、降低均有变化)。NOx：随燃烧温度而变化(增高、不变、降低均有变化)。二、燃料燃烧的理论空气量1．理论空气量（Vg0）单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。理论空气量获得:（1）可由燃烧反应方程式（2）经验公式（由热值）固体燃料液体燃料气体燃料天然气（式2.17）建立燃烧化学方程式时，假定：1.空气仅由N2和O2组成，其体积比为79/21=3.76；２.燃料中的固态氧可用于燃烧；３.燃料中的硫被氧化成SO2；４.计算理论空气量时忽略NOX的生成量；５.燃料的化学时为CxHySzOw，其中下标x、y、z、w分别代表C、H、S、O的原子数。QNwzyxzSOOHyxCONwzyxOwzyxOSHCwzyx2222222276.322476.324完全燃烧的化学反应方程式：理论空气量：kgmwzyxwzyxwzyxwzyxVa/1632008.112/246.1061632008.112/2476.44.22303.6~6.0褐煤一般煤的理论空气量7.5~8.5无烟煤9~10烟煤液体燃料（燃料油）的煤炉：4.5~5.5煤气液化气：2.97高炉：~0.7干:8.84~9.01天然气湿：11.4~12.1kgmVa/7~430kgmVa/11~10302．空气过剩系数a实际空气量Va与理论空气量Va0之比为空气过剩系数a通常a13．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。4．理论空气量的经验计算公式已知元素分析可用式2.11计算；若知燃料的热值可用式2.13~2.17计算。0aaVVa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：重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H9547．523．75S160．50．5H2O0．50．02780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3.76(体积比)则，理论空气量为：mol/kg重油即Nm3/kg重油67.465176.383.9743.1010004.2267.465§2-3烟气体积及污染物排放量计算一．烟气体积计算１.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理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中+V理论空气量带入的2．实际烟气体积Vfg0Vfg=Vfg0+(a-1)Va03.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。标态下（TN、PN下）：烟气的体积为VN，密度为ρN。标态下体积为：标态下密度为：应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1atm在作数据比较时应注意。SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPPP5.过剩空气较正因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以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。用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。空气过剩系数为a=m-----过剩空气中O2的过剩系数设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形式存在，燃烧产物用下标P表示，m1理论空气量实际空气量假设空气只有O2、N2,分别为21%、79%，则空气中总氧量为理论需氧量：0.266N2P-O2P所以（燃烧完全时）若燃烧不完全会产生CO，须校正。即从测得的过剩氧中减去CO氧化为CO2所需的O2此时各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。6．标况下烟气量计算的经验式：P362.23~2.28。PPPNOCONmOmC2222267.311PPPONOa222266.01PPPPPCOONCOOa5.0266.05.01222二．污染物排放量的计算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。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)+()=489.45mol/kg重油即489.45=10.96m3/kg重油空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为：其中10.43为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。76.383.9776.383.97烟气中SO2的体积为烟气中S