大气污染控制工程：第三周 大气污染控制基础（2）

1、第二章 大气污染控制基础（2）南京师范大学环境科学与工程系2015年3月今天的任务复习上节课关于“燃料性质的内容”继续讲第二章内容本章学习要点与复习重点习题上节课内容（复习要点）燃料及分类气、液、固三种燃料燃烧特点燃料的主要化学成分，哪种化学成分热值最高煤的分类（褐煤、烟煤、无烟煤），哪种煤热值最高，为什么？煤的两种分析方法（工业和元素），工业分析分析哪些成分？煤的四种基准及相互间的关系燃料的表示方法（CxHyOzNuSv）本章教学大纲燃烧与大气污染燃料的性质燃料的燃烧过程烟气体积及污染物排放量计算燃烧过程中污染物的生成燃烧过程中SO2的生成燃烧过程中NOx的生成燃烧过程中其他污染物的生成4第

2、二节 燃料燃烧过程 燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。2.1 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NOx5影响燃烧过程的主要因素燃料完全燃烧的条件（三T）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（Turbule

3、nce湍流， t:bjlns）：燃料与氧充分混合，混合程度取决于空气的湍流度把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”62.2 燃料燃烧的理论空气量定义：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CxHySzOw7 燃料燃烧的理论空气量燃烧方程式：燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w理论空气量：煤 47 m3/kg，液体燃料1011 m3/kg8例题9 燃料燃烧的

4、理论空气量空气过剩系数（重要）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10空燃比（重要）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：128+1.00818 = 114.14 空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723空燃比 AF=15.1111 燃料燃烧的理论空气量2.3 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12燃烧产物与温度的关系13燃料种类对燃烧产物的影响142.4 热

5、量损失发热量：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/kg or kcal/kg）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15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16燃烧热损失与空燃比的关系17例题: 已知重油元素分析结果为：C：85.5% H：11.3% O：2.0% N：0.2% S：1.0% 试计算：燃烧1kg重油所需的理论空气量和产生的理论烟气量；干烟气中

6、SO2的质量浓度和CO2的最大质量浓度；当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。 18 解： 已知1kg重油中各成分的含量如下： 质量/g 摩尔数/mol（按原子数计） 需氧数/mol C 855 71.25 71.25 H 113 112.10 28.25 N 2 0.143 0 S 10 0.3125 0.3125 O 20 1.25 -0.625 所需理论氧气量为： 71.25+28.25+0.3125-0.625 =99.188mol/kg重油 需要的理论空气量为：19 99.188（1 + 3.7）=472.13mol/kg重油 即： 472.1322.4/1000 =

7、10.58m3/kg重油（标态） 理论空气量条件下的烟气组成（mol）为： CO2：71.25 H2O：56.5 SOx：0.3125 N2：99.1883.76 理论烟气量为：71.25+56.5+0.3125+99.1883.76 =501.01mol/kg重油501.0122.4 10-3=11.22m3/kg重油 20干烟气量为：501.01-56.5=444.51mol/kg重油 即： 444.5122.410-3 =9.96m3/kg重油。 SO2量为：0.31250.97 =0.3031mol/kg重油（认为S的生成物中SO2占97%） 干烟气中SO2的质量浓度为： 0.3031

8、10-6/444.51 =681.87(64/22.4) =1948mg/m3 假设C全部生成CO2，则CO2的量为71.25mol/kg重油。CO2的最大质量浓度为：( 71.25/444.51) 103 (44/22.4)=314.8g/m3 21 当空气过剩10%时，空气过剩系数=1.1 则实际的空气量为：10.581.1=11.64m3/kg重油 实际烟气量为：=11.22+(1.1-1) 10.58=12.28m3/kg重油22第三节 烟气体积及污染物排放量计算3.1 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、1a

9、tm）的体积和密度注意：美、日和全球监测系统网的标态为298K、1atm。23烟气体积计算过剩空气校正实际空气量 = （1+ ）（O2 + 3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多（O2+ 3.78N2） 此时烟气中，O2的量为O2P= O2，N2的量为N2P = 3.78（1+）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 0.264N2P24过剩空气校正理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数 = 实际需氧量/理论需氧量=1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ）假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正：

10、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。 考虑过剩空气校正后实际烟气体积：25烟气体积计算3.2 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26污染物排放量计算例题: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%;H2O:0.05%;灰分:0.1%.试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量.解:以1kg重油燃烧为基础,则所以理论需氧量为73.5

11、+23.75+0.5=97.83mol/kg重油干空气中氧和氮的摩尔比(体积比)为3.78,则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为:重油(g)Mol数需氧量(mol)C88373.5873.58H9547.523.5S160.50.5H2O50.278027污染物排放量计算97.83（3.78+1)=467.63mol/kg重油即467.63 (22.4/1000) =10.47mN3/kg重油28例题：某锅炉燃用煤气成分体积比为：H2S0.2%、CO25%、O20.2%、CO28.5%、H213.0%、CH40.7%、N252.4%。空气含湿量为12g/m3(标态)，=1.2时，试求实际所

12、需空气量和燃烧时产生的实际烟气量。 解：以1kmol煤气计，则 摩尔数/mol 需氧量/mol 烟气量/kmol H2S 2 3 4(H2O+SO2) CO2 50 0 50 O2 2.0 -2 0 CO 285 142.5 285(CO2) H2 130 65 130(H2O) CH4 7 14 21(CO2+H2O) N2 524 0 524(N2) 29 1）由上表可知理论需氧量为： 3-2+142.5+65+14=222.5mol/kmol煤气 =0.2225mN3/（mN3煤气） 实际需要的干空气量： 222.5(1+3.78) 1.2mol/kmol(煤气) =1276.3 mol

13、/kmol(煤气) =1.276 mN3/（mN3煤气） 转化为湿空气: Va=1.276/(1-0.0149) mN3/（mN3煤气） =1.296 mN3/（mN3煤气） 30 2）燃烧后产生的烟气量： Vf =(4+50+285+130+21+524) 10-3+1.296-0.2225 =2.087 mN3/（mN3煤气） 31第三节 燃烧过程中污染物的生成燃烧过程中硫氧化物的生成1.硫的氧化机理 有机硫分解需要的温度较低无机硫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

14、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（SO3的生成与消耗）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：SO3的生产量与O成正比，一般燃烧条件下SO2向SO3转化

15、率为1-5%，含硫量2%的重油，烟气中SO3浓度2-6*10-5影响SO3生成的主要因素含硫量：含硫量越大SO2和SO3都越多空气过剩系数：越大SO3生成量越多火焰中心温度：越高生成SO3越多烟气停留时间：越长生成SO3越多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硫酸的生成2. SO2和SO3之间的转化SO3的转化率/%2、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质反应较为缓慢的聚团和凝聚

16、过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素提高氧气量可以防止积炭生成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焦粒状的煤胞，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时最易形成黑烟易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤

17、 焦炭 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3、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乙炔延长乙炔的链形成各种不饱和基不饱和基进一步脱氢形成

18、聚乙炔不饱和基通过环化反应形成C6C2型芳香族化合物C6C2基逐步合成为多环有机物1.有机污染物的形成比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接原因碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM排放水平具有相关性燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利于NOx的控制同时减少CH和NOx的排放需要仔细控制混合的型式、温度水平和整个系统的停留时间2. CO的形成2、CO形成CO是所有大气污染物中量最大、分布最广的一种CO的全球排放量为200106t/a燃料中的碳都先形成CO，然后进一步氧化在火焰温度下有足够的氧并且停留时间足够长，可以降低CO含量。3. Hg的形成与排放3、Hg的生成Hg对人的肾和神经系统有危害煤碳燃烧是H