第二部分燃烧与大气污染-PPT精品课件

1、第二章 燃烧与大气污染学习对象： 燃烧释放的能量是人类生活的主要能源。主要大气污染物，例如NOx、SO2和颗粒物，大都来自燃料燃烧。本章学习燃料性质、燃烧过程、烟气组成以及燃烧过程中硫氧化物、颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物的形成机理，并学习如何计算污染物排放量第一节 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 燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质，主要是含碳物质或碳氢化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、天然气、发生炉煤气等。 水分：水分的存

2、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102105C，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。 燃料组成对燃烧的影响 一、煤煤是最重要的固体燃料。它是由地质时代植物遗体(有时有少量浮游生物)堆积在大陆湖盆、沼泽盆地、封闭海湾等地方，经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的固体可燃矿产。由植物变成煤的过程通常可分为四个阶段，根据煤化程度的不同，可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤等。 1、煤的基本分类泥煤最年轻的煤，由植物刚刚衍变而来，碳含量70。热值低。褐煤比泥煤

3、炭化程度大一些，基本完成了植物遗体的炭化过程，结构类似木材。碳含量7078。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），具有明亮的黑色光泽，机械强度高。成焦性差,发热量大2. 煤的成分煤一般含有碳、氢、氧、氮、硫等元素，还有水分和无机物质，它们的含量和存在形式对燃烧过程有重要的影响。 燃料组成对燃烧的影响碳：主要可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧放出32860 kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。氢：燃料中发热量最高的元素。1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热量。 氧：与煤中的碳和氢生

4、成化合物。氧的存在减少燃烧需要的空气量，降低燃料的发热量。氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%。燃烧时大部分以N2的形式排放，少量转化成氮氧化物，是燃料型NOx的主要来源。污染。硫：我国煤的平均含硫量约为1。煤中的硫主要以有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫的形式存在。燃烧时大部分硫以SO2的形式排放，是大气污染物SO2的主要排放源。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102105C，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。 燃料组成对燃烧的影响

5、3、煤的成分分析工业分析（ proximate analysis ） 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（ ultimate analysis ） 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。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318323K温度下干燥8h，取出冷却，称重 外部水分（机械地附着在煤表面）将失去外部水分的煤样保持在375380K下，约2h后，称重 内部水分（化学吸附水和结晶水）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

6、重 灰分： 煤中不可燃物质的总称。降低煤的发热量。 增加烟尘污染。灰分结渣，容易造成不完全燃烧，给设备的维护和操作带来困难。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。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，S SO42-，滴定煤中硫的形态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 干燥

7、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%的成分煤的成分的表示方法及其组成的相互关系 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 城市固体废弃物垃圾焚烧站第二节 燃料燃烧过程 燃烧是指某些物质(如煤、石油

8、、天然气等)在较高温度时与空气中的氧气化合而发热、发光的剧烈氧化反应现象。燃料从开始着火到完全燃尽、火焰熄灭的全过程称为燃烧过程。 一.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燃料完全燃烧的条件（3T）空气条件：需要充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失温度条件（Temperature）：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度，称为着火温度。燃料只有达到着火温度才能开始燃烧。着火温度：固体液体1部分炉型的空气

9、过剩系数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：1mol汽油的质量：128+1.00818 = 114.14 g 所需空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723 g空燃比 AF=15.11三.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燃烧产物与温度的关系：燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：四.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

10、的热量变化（kJ/kg or kJ/m3 ）高位发热量：包括燃烧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燃烧设备的热损失排烟热损失：烟温升高1215K，排烟热损失增加1%。但烟温过低会造成受热面的酸腐蚀。不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。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。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燃烧热损失与空燃比的关系在充分混合的条件下，热量总损失在理论空气量条件下最低；混合不充分时，热量总损失的最小值出现在空气过量一侧。第三节 烟气体积

11、及污染物排放量计算一.烟气体积计算理论烟气体积 CO2、SO2、N2和H2O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。N实际空气量 = （1+ a）（O2 + 3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多a（O2+ 3.78N2） 此时烟气中，O2的量为O2P= a O2，N2的量为N2P = 3.78（1+a）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 0.264N2P过剩空气校正理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数 = 1 + O

12、2P /（ 0.264 N2P - O2P ）假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正： O2P - 0.5 COP = 1 + （ O2P - 0.5 COP ）/ 0.264 N2P - （ O2P - 0.5 COP ） 以上组分的量均可由烟气分析仪测定。 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。以碳在空气中的完全燃烧为例：a为空气过剩系数 = a -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

13、存在，燃烧产物用下标P表示， O2 P= a O2 假设空气只有O2、N2,分别为20.9%、79.1%，则空气中总氧量为: 20.9/ 79.1N2P=0.264N2P 理论需氧量： 0.264N2P-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。二.污染物排放量计算方法：根据实测的污染物浓度和排烟量根据燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度二污染物排放量的计算例 对例2-3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=1.20时

14、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2-3可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278SOX：0.5 NX： 理论烟气量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=491.4mol/kg重油即 491.40.024=11.01m3/kg重油空气过剩系数=1.2时，实际烟气量为：11.01+10.470.2=13.10m3/kg重油 其中10.47为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。烟气中SO2的体积为 烟气中SO3N的体积为 所以，烟气中SO2、SO3的

15、浓度分别为：当=1.2时，干烟气量为： CO2体积为：所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为： 例3：已知某电厂烟气温度为473K，压力为96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m3/min，含水汽6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的质量流量为22.7Kg/min。（1） 污染物排放的质量速率（以t/d表示）（2） 污染物在干烟气中浓度（3） 烟气中空气过剩系数（4）校正至空气过剩系数=1.8时污染物在烟气中的浓度。解：（1）污染物排放的质量流量为： （2）测定条件下的干空气量为： 测定状态下干烟气中污染物的浓度： 标态下的浓度：

16、（3）空气过剩系数： （4）校正至=1.8条件下的浓度：第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成 1.硫的氧化机理 有机硫的分解温度较低无机硫的分解速度较慢含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，由于反应：在所有的情况下，它都作为一种重要的反应中间体1.硫的氧化机理H2S的氧化1.硫的氧化机理CS2和COS的氧化1.硫的氧化机理元素S的氧化1.硫的氧化机理有机硫化物的氧化 2. SO2和SO3之间的转化 反应方程式SO2 + O + M SO3 + M （1）SO3 + O SO2 + O2 （2）SO3 + H SO2 + OH （3）SO3 + M SO2 + O + M （4）在炽热反应区 ，O 浓度很

17、高，反应（1）和（2）起支配作用 2. SO2和SO3之间的转化SO3生成速率 当dSO3 /dt = 0 时，SO3浓度达到最大 在富燃料条件下，O浓度低得多，SO3的去除反应主要为反应（3）， SO3的最大浓度：2. SO2和SO3之间的转化燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率:转化率与温度密切相关H2SO4浓度越高，酸露点越高烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀2. SO2和SO3之间的转化SO3的转化率/%SO2排放因子举例-from AP-42第五节 燃烧过程中颗粒物的形成1.碳粒子的生成积炭的生成核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳核表面上发生非均

18、质反应较为缓慢的聚团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素积炭的生成与火焰的结构有关提高氧气量可以防止积炭生成压力越低则积炭的生成趋势越小1. 碳粒子的生成火焰的结构预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合（ bursen burner, meeker burner）扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多），不同的区域有不同的 (0) 值1. 碳粒子的生成火焰的结构（续）层流火焰：Re2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用Laminartransitiondeveloped turbulentheightJet velocity1. 碳粒子的生成乙炔

19、火焰中生碳反应过程1. 碳粒子的生成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，发生液相裂化和高温分解，出现结焦多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。焦粒生成反应的顺序：烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环系 沥青 半园体沥青 沥青焦 焦炭 2. 燃煤烟尘的形成烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：黑烟：未燃尽的碳粒飞灰：不可燃矿物质微粒煤粉燃烧过程碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应灰层碳层外扩散2. 燃煤烟尘的形成煤粉燃烧过程理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤 焦炭

20、褐煤 低挥发分烟煤 高灰发分烟煤碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关2. 燃煤烟尘的形成燃烧碳层中成分和温度分布2. 燃煤烟尘的形成黑烟形成的化学过程2. 燃煤烟尘的形成高灰分燃料的扩散燃烧2. 燃煤烟尘的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素2. 燃煤烟尘的形成飞灰的形成过程2. 燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质燃烧方式烟气流速炉排和炉膛的热负荷锅炉运行负荷锅炉结构2. 燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质2. 燃煤烟尘的形成燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响2. 燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素燃烧方式2.

21、燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘百分比2. 燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况火电厂大气污染物排放标准本标准将火电厂按年限划分为以下三个时段：时段1992年8月1日之前建成投产或初步设计已通过审查批准的新、扩、改建火电厂；时段1992年8月1日起至2019年12月31日期间环境影响报告书通过审查批准的新、扩、改建火电厂，包括1992年8月1日之前环境影响报告书通过审查批准、初步设计待审查批准的新、扩、改建火电厂；时段2019年1月1日起环境影响报告书待审查批准的新、扩、改建火电厂大气污染物排放标准火电厂大气污染物排放标准分类烟尘最高允许排放浓度（mg/m3）在县及县以上城镇规划区内的火电厂锅炉200在县规划区以外地区的火电厂锅炉500第I时段的在县及县以上城镇规划区内、2019年1月1日后还有10年及以上剩余寿命的火电厂锅炉600第时段的火电厂锅炉最高允许烟尘排放浓度火电厂大气污染物排放标准第时段火电厂各烟囱SO2最高允许排放浓度燃料收到基硫分（）1.01.0最高允许排放浓度（mg/m3）21001200锅炉额定蒸发量煤粉锅炉液态排渣固态排渣1000t/h1000650第时段的火电厂锅炉氮氧化物最高允许排放浓度（mg/m3）2. 燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素运行负荷第六节 燃烧过程中其他污染物的形成1.有机污染物的形成形成历程链烃分子氧化脱氢形成乙烯和