第二章燃烧与大气污染全解

第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质第二节燃料燃烧过程第三节烟气体积与污染物排放量的计算第四节燃烧过程硫氧化物的形成第五节燃烧过程中颗粒污染物的形成第六节燃烧过程中其他污染物的形成第一节燃烧的性质燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。主要燃料是煤、石油和天然气等常规燃料，以及统称为非常规燃料的多种其它燃料。燃料分类按获得方法按物态分天然燃料人工燃料固体燃料木柴、煤等木炭、焦炭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、转炉煤气、焦炉煤气是最重要的固体燃料，能源结构中占80%以上，它是一种不均匀的有机燃料，主要是植物的部分分解和变质形成的。煤中的有机成分和无机成分因煤的产地和种类不同有较大的差别。煤的可燃成分:主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。煤的不可燃成分：灰份、水分一、煤1、煤的分类煤是由古代的生物特别是植物在地层内部经过长时间碳化衍变形成，并且碳化年代越老，煤质越好，含碳量越高。最常用的是基于沉积年代的分类法。分为：(1)褐煤(2)烟煤(3)无烟煤(1)褐煤：褐煤是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最短。呈黑色、褐色、或泥土色，其结构类似木材。热值为3000-4000kcal/kg最低品位的煤，形成年代最短挥发分大于40%，适于烧锅炉、气化。(2)烟煤烟煤的形成历史较褐煤为长，呈黑色，外形有可见条纹，挥发分含量为20-45％，碳含量为75-90％。烟煤的成焦性较强,且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，适宜工业上的一般应用,热值为4200-7500kcal/kg。(3)无烟煤无烟煤是碳含量最高，煤化时间最长的煤。它具有明亮的黑色光泽，机械强度高。碳的含量一般高于93％，无机物含量低于10％，成焦性极差。适于民用、冶金、建材、气化。2、煤组成-工业分析测定煤组成的方法分工业分析和元素分析两大类。工业分析：包括测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳以及估测硫含量和热值。[1]水分水分包括外部水分和内部水分。测定外部水分的方法是：称取一定量的13mm以下粒度的煤样，置于干燥箱内，在318-323K（45-50℃）温度下于燥8h，取出冷却，干燥后所失去的水分质量占煤样原来质量的百分数就是煤的外部水分（WW）。测定内部水分的方法是将上述失去外部水分的煤样继续在375-380K(102-107℃)干燥约2h，所失去的水分质量占试样原来质量的百分数即内部水分Wn。两部分水分之和即为煤所含的全水分。[2]灰分灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。其含量和组成因煤种和粗加工的不同而异。我国煤炭的平均灰分为25%。灰分的存在降低了煤的热值，增加了烟尘污染和出渣量。高灰分、低熔点的煤极易结渣，使煤不能充分燃烧，从而影响热效率。以氧化物形式表示。[3]挥发分：系干馏时（与空气隔绝的条件下加热分解）所释放出的可燃气体物质，通过将风干的煤样在1200K的炉中加热7min而测定。挥发分主要有氢气、碳氢化合物、一氧化碳和少量的硫化氢等组成。在相同的热值下，煤中挥发分越高，就越容易着火，火焰越长，燃烧越完全。但挥发分越高，容易造成炉膛内没有充足的空间、时间，使氧气与逸出的挥发分充分混合，这时所分解的大量碳粒子与烟气形成浓烟从烟囱冒出。[4]固定碳从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分就是固定碳，是煤的主要可燃物质。煤中的碳不是以单质状态存在的，而是与氢、氮、硫、氧等组成有机化合物。3、煤组成-元素分折元素分折：是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。碳和氢是通过燃烧后分析尾气中二氧化碳和水生成量而测定的。氮含量的测定是在催化剂作用下使煤中氮转变为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。测定硫的含量，是将样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物上加热、使硫化物转变为硫酸盐，再以重量法测定硫酸钡沉淀而决定的。4、煤的成分表示法由于煤中水分和灰分受外界条件的影响,其百分比也随之改变。煤的特性必须指明百分比的基准。(1)收到基(2)空气干燥基(3)干燥基(4)干燥无灰基(1)收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作为100%的成分，亦即锅炉燃烧的实际成分。表示为:Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+War=100%意义：角码ar表示收到基成分,表示的实际燃料,所以在进行燃料计算和热效应实验时,以它为准。但由于煤的外部水分不稳定,收到基的百分成分也随之波动,利用收到基评价煤的性质是不准确的。(2)空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Wad=100%意义：在试验室内进行燃料分析时的试样成分，以角码ad表示。(3)干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%的成分，以角码d表示，即Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%意义：灰分含量常用干燥基成分表示，因为排除了水分的影响，干燥基能确切的反应出灰分的多少。(4)干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分。干燥无灰基用角码daf表示,即:Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%意义：干燥无灰基成分因为避免了水分和灰分的影响,比较稳定。煤矿提供的煤质资料为干燥无灰基。煤质分析结果见表2-2p34煤的成分表示方法及组成相互关系见图2-3p34什么是洗中煤？（P35）一般炼焦用煤、化工用煤、出口用煤及某些特殊用煤的原煤，都要预先送选煤厂洗选。在重力选煤过程中的中间产物称洗中煤。经过洗选后的精煤，其灰分、硫分都大大降低。洗中煤是选煤厂选出的灰分高于精煤而低于煤矸石的产品。我国洗中煤的挥发分Vdaf约在25-40范围内，水分Mar根据脱水程度而异，一般在10-15，灰分Aar则较高，一般为30-40，有的高达50。由于送选的原煤质量都较好，故洗中煤的发热量多为中等水平，一般Qnet,ar=16000-21000kJ/kg。洗中煤由于灰分高，结渣的倾向较大。大多数为电站锅炉所燃用。因此，洗中煤在动力燃料中占有相当重要的地位。矸石采矿过程中，从井下或露天矿采场采出的或混入矿石中的岩石（废石）。俗称矸子。煤层中间的薄岩层叫夹石或夹心矸子。在煤的开采中，大于50毫米的矸石量占全部煤产量的百分率称为含矸率。矸石常是煤的灰分增加的重要原因。所以在生产过程中应积极采取措施，减少矸石的混入，降低含矸率，提高原煤质量。煤矸石是一种沉积岩，是在煤层形成的时候就同期形成的，大多数是石灰岩，由于长期受煤层浸润扩散，也有比较低的含碳量，颜色呈黑灰色，煤矸石单独燃烧很困难，可以制成粉末状配合好煤在煤粉炉中燃烧利用，也可以在特殊设计的沸腾炉中当作燃料，粉煤灰可以当作建材原料。煤矿井下常见的自然灾害有顶板、水、火、瓦斯和煤尘五种，简称“五害”，工作的核心仍然是防治瓦斯、煤尘事故。瓦斯是矿井在开采过程中，从煤岩体内涌出的有害气体的总称，其主要成分是甲烷（CH4），俗称沼气，它是一种无色、无味、无臭的气体，而且具有燃烧性和爆炸性，对安全生产危害最大。瓦斯爆炸必须同时具备三个条件：一是瓦斯浓度在5%-16%范围内；二是具有一定温度的高温热源；三是氧浓度，一般在12%以上。爆炸的危害：主要表现在两个方面；一是产生高温高压导致人员伤亡，破坏矿井设备；二是产生CO等有害气体，这是造成人员伤害的主要原因。煤尘是煤矿生产中的另一大危害。其危害主要有两个方面：一方面是引起职业病——煤肺病和煤矽肺；另一方面是煤尘能爆炸。煤尘爆炸同样必须具备三个条件：一是煤尘具有爆炸性，二是空气中浮游煤尘具有一定的浓度，三是存在能点燃煤尘的引火源。煤的含硫量Sar大于3%的煤称为高硫煤主要为无机硫，约为有机硫的3倍。含硫量小于1%的是低硫煤主要为有机硫，约为无机硫的8倍含硫量1~3%的为中硫煤二、石油液体燃料的主要来源，比重0.78至1.00之间。主要是链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。这些化合物主要含碳和氢，还有少量的硫、氮和氧，它们的含量因产地而异。原油还含有微量金属，钒和镍，也会受到氯、砷和铅的污染。这些微量金属和污染物质通常的体积分数为10*10-6左右。原油虽然是易燃的、但出于安全和经济的考虑，一般将原油加工为各种石油化学产品。通过蒸馏、裂化和重整过程，生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。原油中的硫大部分以有机硫的形式存在、形成非碳氢化合物的巨大分子团重馏分。重馏中含硫化合物的量可能占到全部质量的一半以上。高压下的催化加氢，以破坏C-S-C键,形成硫化氢气体，可以达到降低硫的目的、但费用很高。三、天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外的其它组分，如H20、CO2、N2He和H2S等。天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃烧产物为硫的氧化物。四、非常规燃料根据来源、非常规燃料可分为如下几类：(1)城市固体废弃物；(2)商业和工业固体废弃物；(3)农产物及农村废物；(4)水生植物和水生废物；(5)污泥处理厂废物(6)可燃性工业和采矿废物；(7)天然存在的含碳和含碳氢的资源；(8)合成燃料。重要性：能提供能源，又能处置废物,减轻对环境的压力。非常规燃料的燃烧：常常产生较常规燃料更严重的空气污染和水体污染，应引起特殊的注意。第二节燃料燃烧过程一、影响燃烧过程的主要因素二、燃料燃烧的理论空气量三、燃烧产生的污染物四、热化学关系式一、影响燃烧过程的主要因素1、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NOx2、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）：燃料与氧充分混合通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的三”T”。二、燃料燃烧的理论空气量1、理论空气量：单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量。建立燃烧化学方程式的假定：(1)空气仅由氮和氧的组成的，其体积比为79.1/20.9=3.78(2)燃料中的固定态氧可用于燃烧；(3)燃料中的硫主要被氧化为S02；(4)热力型NOx的生成量较小,燃料中合氮量也较低，算理论空气量即可以忽略；(5)燃料的氮在燃烧时转化为N2和NO,一般以N2为主。(6)燃烧的化学式为CXHySZOW，其中下标x、y、z,w别代表碳、氢、硫和氧的原子数。燃料完全燃烧的化学反应方程式：QNwzyxzSOOHyxCONwzyxOwzyxOSHCWZYX222222)24(78.32)24(78.3)24(wzyxwzyxVa1632008.112)24(78.44.220理论空气量P40例2-1一般：煤的理论空气量Va0＝4-9m3／kg，液体燃料的Va0=10-11m3／kg2、空气过剩系数为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量。实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数α。0aaVV3、空燃比(AF)：单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。它可以由燃烧方程式直接求得。例如：甲烷在理论空气量下的完全燃烧：22222456.7256.72NOHCONOCHAF=（2*32+7.56*28）/1*16=17.2三、燃烧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P43例题2-3四、热化学关系式1、发热量单位燃料完全燃烧时发生的热量变化，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同的情况下的热量变化，称为燃料的发热量。单位是kJ／kg〔固体、液体燃料〕或kJ／m3(气体燃料)。高位发热量包括燃料燃烧生成物中