大气污染控制：第二章 燃烧与大气污染

1、第二章 燃烧与大气污染 第一节 燃料的性质燃料：是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。 煤、石油、天然气等称为常规燃料。气体燃料：燃绕迅速，其燃烧状态可基本上由空气和燃料的扩散或 混合所控制。液体燃料：是以气态形式燃烧，它的燃烧速度受蒸发过程控制。固体燃料：燃料中挥发分被蒸馏后以气态燃烧。固定碳以固态燃烧， 受氧向固体表面扩散控制一、煤 植物原料变成煤的过程称之为“煤化”过程。 不同种类的植物及其不同的腐蚀程度，形成不同成份的煤。 1. 煤的分类 褐煤：最低品位的煤，形成年代最短，呈黑色、褐色或泥土色，其结构类似于木材；C 6075，O 2025，水分、灰分较高，燃烧热值较低，

2、不能用于制焦炭，易于破裂。 烟煤：形成年代较褐煤久远，呈黑色，外形有可见条纹，C 7590，挥发分2045，成焦性好，含氧低，水分、灰分含量不高，适合工业应用。 无烟煤：煤化时间最长，C 93，无机物含量低于10，有明亮的黑色光泽，机械强度高，不易自燃，成焦性极差。 2. 煤的组成（分析方法） 工业分析：测定水分、灰分、挥发分、C、S、热值。 元素分析：测定除水分外的C、S、H、O、N 等。 3. 煤中硫存在的形式： 黄铁矿硫FeS2 硫化铁硫 白铁矿硫FeS 无机硫 砷黄铁矿硫 元素硫煤中全硫 硫酸盐硫 石膏CaSO42H2O 绿矾FeSO47H2O 硫醇R-SH、硫醚R-S-R 有机硫 二

3、硫化物R-S-S-R 噻吩类杂环硫化物 硫醌类化合物4. 煤的成份表示方法 收到基（全部计入）、空气干燥基（去掉外部水份）、干燥基（去掉全部水份）、干燥无灰基（去掉全部水份和灰份）。二、石油（原油） 天然存在易流动的液体，比重0.781.00 烷基石油（石蜡基石油） 分类 环烷基石油（沥青基石油） 混合基石油 采用常压精馏、减压精馏方法炼油。 轻汽油50-140、汽油140-200、航空煤油145-230、 煤油180-310、柴油260-350、润滑油350-520重油（渣油）520炼油厂常还有催化重整和裂化等加工过程。石油中硫含量0.17，硫化物存在形式：H2S、RSH、RSR、RSSR、

4、环状硫化物等，总有种臭味，有腐蚀性。石油中氮化物含量少，一般胶质越多，氮化物越多。石油中的S经加工后80-90留于重馏分中，以复杂的环结构存在。脱硫难、费用高。 三、 天然气 天然气：CH4 85、乙烷10、丙烷3 其它组分：H2O、N2、He、H2S等 油田气：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷 其它组分：H2S、CO2、N2、NH3等 液化石油气 四、非常规燃料除上述三种之外，其它可燃性物质都在此例。非常规燃料经加工或改善其燃烧特性，可代替或部分代替常规燃料，同时又是处理废弃物的有效方法。但可能带来较常规燃料更严重的空气污染。第二节 燃烧过程 燃烧：是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随看光和热的释

5、放，同时使燃料的组分元素转化为相应的氧化物（一般为CO2、H2O等）。 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：最终产物是CO2、H2O、SO2。不完全燃烧：产生黑烟、CO及其它不完全燃烧产物。 同时产生空气污染物：SOx、NOx、黑烟等。 2. 燃料完全燃烧的条件 空气条件：适当的燃料与空气比例 温度条件：必须达到着火温度 时间条件：燃烧过程中燃料停留时间 混合条件：湍流度（燃料与空气混合程度） 温度、时间、湍流度统称为“三T” 。 二、燃料燃烧的理论空气量 1.理论空气量燃料完全燃烧所需要的空气量。 2. 空气过剩系数（a）实际空气量与理论空气量之比。a = 3.空

6、燃比（AF）：按化学计量系数计算所需空气质量与燃料质量之比。 如： CH4+2O2+7.52N2CO2+2H2O+7.52N2 三、燃烧产生的污染物 燃烧烟气的组成：少量颗粒物、完全燃烧产物、未燃烧或部分燃烧的燃料、氧化剂及惰性组分等。 燃烧污染物：CO、SOx、NOx、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮、和稠环炭氢化合物等。 我国的煤为燃料还可能有：汞、砷等微量重金属及氟、氯等卤素污染和低水平的放射性污染。 四、热化学关系式 1.发热量 单位燃料完全燃烧时所发生的热量变化(298k、1atm)。 kJ/m3(气)、kJ/kg（液、固） 高发热量qH、低发热量qL qL=qH-25(9

7、wH+ww) 式中： wH、ww分别为燃料中氢和水的质量百分数。 2.燃烧设备的热损失燃料燃烧产生的热量仅只有一部分能够被有效利用： （1）排烟热损失 6-12烟温每升高12-15，排烟热损失增大1。 工业锅炉排烟温度433-473K。大、中型锅炉排烟温度383-473K。 排烟温度过低会造成受热面的弱性腐蚀。 （2）不完全燃烧热损失 包括：残余气体损失（烟道气中含CO、CH4、H2等）、灰渣损失、飞灰损失、漏煤损失等。 （3）设备散热损失 包括：锅炉炉墙、炉筒、联箱、汽水管道等部分设备的散热损失。第三节 烟气体积及污染物排放量计算 一、 烟气体积计算： 1. 理论烟气量：Vfgo 定义：供给

8、理论空气量下，燃料完全燃烧产生的烟气量。 主要成分：CO2、N2、SO2、水蒸汽等。 通常：把水蒸汽除外的烟气称为干气，反之称为湿气。 2. 烟气体积和密度的校正 烟气可视为理想气体，按理想气体校正时，注意标准状态。国内常用标准状态为（273K、1atm），美国、日本和国际全球监测系统网为（298K、1atm） 3.过剩空气校正 由烟道气组成计算过剩系数 如烟道气中有CO产生，则必须校正： 烟气体积计算：二、污染物排放量的计算（略）第四节 燃烧过程硫氧化物的形成与控制 一、燃料中的硫 燃料种类 汽油和柴油 重油A 重油B 煤 碳 含硫量 0.25-0.75 0.2-2.8 0.6-5.0 0.

9、5-5.0 含氮量 0.08-0.4 0.08-0.04 0.5-2.5 产生的污染物主要是：SO2、SO3、硫酸雾、酸性尘、酸雨等。 二、燃烧过程含硫污染物的生成 1. 二氧化硫 a1时，有机硫分解，SO2、S、H2、SO。 a1时，全部氧化为SO2。烟气中SO2的含量正比于原料中S含量。煤中的硫酸盐进入灰分中。 2.三氧化硫 烟中的SO2约有0.5-2.0左右被进一步氧化为SO3。SO2氧化为SO3的机理有两种： 氧分子在高温火焰区离解成氧原子，氧原子再与SO2反应生成SO3 SO3的生成速度 空气过剩系数、温度、反应时间 SO3 因此不希望火焰中心温度过高，也不希望火焰拖得太长，以SO3

10、浓度过高。对流受热面上的积灰和氧化膜的催化作用。 积灰中含有：V2O5、氧化硅、氧化铝、氧化钠等都有一定催化作用。加速二氧化硫的氧化。 3.硫酸 SO3+H2O H2SO4 200-400开始进行，110反应基本结束，形成硫酸蒸汽。 硫酸蒸汽凝结锅炉尾部受热面低温腐蚀硫酸尘 排入大气硫酸雾 SO2氧化大气SO3硫酸雾酸性雨 4.酸性尘硫酸蒸汽凝结在微小烟尘粒子的表面，然后这些粒子粘结在一起，长大成雪片以的酸性尘。酸性尘一般尺寸较大，随烟气排入大气后，降落在烟囱周围地区，造成污染。三、燃烧过程SOx的形成控制 采用低硫燃料（储量不大） 燃料脱硫 控制办法 燃烧过程脱硫 烟气脱硫（治理技术）（一）

11、 SO2生成控制 1. 燃料脱硫 煤的洗选 煤中无机硫FeS2、FeS比重为5 比重差距大 清洁煤的比重为1.25只能除无机硫，不能除有机硫。 煤的气化利用水蒸汽、氧气或空气作氧化剂，在高温下与煤发生化学反应，生成H2、CO、CH4等可燃性气体（煤气）。 煤气中的硫以H2S的形式存在，可采用干法和湿法脱除。 煤的液化直接液化、间接液化。燃油脱硫采用催化加氢脱硫或加氢裂解的方法，使原料中的硫与氢起反应，生成H2S，即可使硫脱除，同时也可除掉氮化物。 2.燃烧过程脱硫燃烧过程加入石灰石或白云右粉作脱硫剂 CaCO3CaO+CO2 CaO+SO2+O2CaSO4 脱硫剂用量Ca/S摩尔比： 脱硫剂消

12、耗量Ca的百分含量40.1 燃料消耗量 S的百分含量32 层燃炉（采用固硫型煤）工业燃煤炉 悬燃炉（熔渣排渣、可部分脱硫） 沸腾炉（脱硫效果好，值得推广） （二） SO3生成控制 SO2+O SO3 降低烟气中剩余氧浓度，可降低SO3的浓度。发展低氧燃烧技术（即小的过剩空气系数），一般低于1.05，且有低于1.02-1.03。同时也可降低NOx浓度。缺点：技术不过关时，会使排烟中粉尘浓度增大，不完全燃烧损失增大。组织低氧燃烧，应考虑如下几点：选用性能良好的雾化器，以获得良好的雾化效果。选用性能良好的调风器，以获得需要的动力工况，并保证燃料与空气良好配合，达到完全燃烧。选用结构良好的配风系统，保

13、证各燃烧器空气分配均匀。选用高质量的仪表和自动调节设备。 低氧运行时（过剩氧气浓度为1.5），烟气中SO3浓度低（10-20ppm），可有效防止雪片生成。 第五节 燃烧过程中颗粒污染物的形成一、碳粒子的生成 燃烧过程生成的颗粒污染物主要是碳的粒子，通常由气相反应生成积炭，由液态烃燃料高温分解产生的那些粒子都是结焦或煤胞。 积炭的生成 燃烧时，由于燃料与空气混合不均，存在局部地方缺氧，高温下燃料受热发生脱氢、分解、聚合、经芳烃族环而产生的炭黑粒子。例如：乙烷裂解 C2H6 C2H4 + H2 C2H2 + H2 2C +3H2 2C + H2 3C2H4 C6H6 + 3H2 多环芳烃 C 预混

14、燃烧 (可避免) 气体燃料燃烧 扩散燃烧 (难避免) 积炭的特点：粒径小，0.02-0.05um；表面积大，每公斤可达数万平方米；收集的烟尘呈絮状，体积大，重量轻。如果让碳氢化合物燃料与足量的氧化合，能够防止积炭生成。在所有火焰中，压力越低则积炭生成趁势越小。三氧化硫、气态氢、镍和碱土金属盐都能抑制碳的生成。 2. 石油焦和煤胞的生成 燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，会导致液相裂化，接着发生高温分解，最后出现结焦。由此产生的碳粒叫石油焦，比积炭更硬。 燃料油雾滴在高热流强度下，液滴内部发生高温分解，外部结焦成微小的空心球，称之为煤胞。其大小与油滴直径成正比，一般为1030um。二、

15、燃煤烟尘的形成固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，包括黑烟和飞灰两部分。黑烟：主要是未燃尽的炭粒。飞灰：主要是燃料所含的不可燃矿物质微粒。煤粉的燃烧过程 煤的热解很容易形成多环化合物，这样就会冒黑烟。出现黑烟的燃料顺序为： 高挥发分烟煤、低挥发分烟煤、褐煤、焦碳、无烟煤 减少未燃尽碳粒的途径：改善燃料和空气的混合，保证足够高的燃烧温度，以及碳粒在高温区必要的停留时间。2. 影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素 烟煤尾气中飞灰的浓度和粒度与煤质、燃烧方式、烟气流速、炉排、锅炉运行负荷以及锅炉结构等多种因素有关。第六节 燃烧过程中其它污染物的形成 一、有机污染物的形成 有机污染物：指未燃尽的碳氢化合物，是燃料燃烧不完全的结果。烷烃：对人类身体危害不严重。多核有机化合物（POM）：引起癌症。较活泼碳氢化合物：导致光化学烟雾。 排出尾气中碳氢化合物的相对浓度受燃料组成的影响很大。 积炭是未燃尽的碳氢化合物存在下形成的，但未燃尽的碳氢化合物未必导致结炭。 尾气中的碳氢组分是在低温下燃烧形成的，降低尾气中碳氢化合物浓度与降低NO x浓度的方法相矛盾。 二、 CO的形成 CO是所有污染物中量最大、分布最广的一种，也是由燃烧过程产生的主要污染物之一。主要来源是汽车尾气。自然界大气中：北半球 0.14