大气污染控制技术第二章

大气污染控制技术主讲教师：王琪能源与水利学院二〇一四年二月第二章燃烧过程污染物与大气扩散第2章燃烧过程、污染物与大气扩散了解常见民用及工业燃料的组成和性质；掌握气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧过程的因素；学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度；

掌握颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径燃料的性质煤石油一、定义1.燃料：指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。天然气燃料的性质燃料的性质垃圾发电厂2.燃料的分类燃料的性质3.燃料的化学组成燃料的性质二、煤1.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O、N、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。燃料的性质2.煤的分类

按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。

（1）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%，O含量20—25%。

燃料的性质（2）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。（3）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。燃料的性质燃料的性质3.评价煤的主要指标水分:包括外部水分和内部水分。灰分:煤中不可燃矿物物质的总称.挥发分:与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质固定碳:从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩下的部分就是固定碳，是煤的主要可燃物质。估测硫含量及热值燃料的性质4.煤的元素分析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、氧等的含量。5、煤中硫的形态（1）硫化铁硫——主要代表黄铁矿硫（2）硫酸盐硫——以石膏为主CaSO42H2O（3）有机硫——复杂，需采用化学方法脱硫（4）元素硫燃料的性质三、石油在用泵输送或雾化过程导致燃料油温度升高时，必须避免超过其闪点。闪点---指在规定的加热条件下，并按一定的间隔用火焰在加热油品所逸出的蒸气和空气混合物上划过，能使油面发生闪火现象的最低温度，以℃表示。

燃料的性质四、天然气五、非常规燃料（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……非常规燃料的燃烧常常产生比常规燃料更严重的空气污染和水体污染，应予以特殊的注意。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

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（3T）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）：燃料与氧充分混合燃料燃烧过程典型燃料的着火温度1.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/kgorkcal/kg）高位发热量：包括燃料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

燃料燃烧过程燃料燃烧过程2.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燃料燃烧过程二、燃料燃烧的理论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燃料的化学方程式为CxHySzOw燃烧方程式：燃料燃烧过程2.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4~7m3/kg，液体燃料10~11m3/kg

空气过剩系数:把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量,并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数α,即

α=Va/

Va0燃料燃烧过程二、燃料与燃烧计算

（二）燃烧生成的烟气量计算

（1）理论烟气量计算

理论烟气量(Vy0,Nm3/kg)：供给燃料以理论空气量Vk0，1kg燃料达到完全燃烧时生成的烟气体积。烟气成份：CO2、SO2、H2O、N21)二氧化碳体积

2)二氧化硫体积三原子气体体积

二、燃料与燃烧计算3)理论水蒸汽体积燃料中氢完全燃烧生成的水蒸汽,11.1Har

Nm3/kg

；燃料中水分形成的水蒸汽,1.24War

Nm3/kg

；理论空气量Vk0带入的水蒸汽,0.0161Vk0Nm3/kg

；燃用重油且用蒸汽雾化时带入炉内的水蒸汽,1.24GwhNm3/kg

。

雾化1kg重油消耗的蒸汽量（kg/kg）二、燃料与燃烧计算

4)理论氮气体积理论空气量Vk0中含有的氮,0.79Vk0Nm3/kg；燃料本身所含的氮,0.8Nar

Nm3/kg。

理论烟气量：

理论干烟气量：

二、燃料与燃烧计算（2）实际烟气量计算烟气成份：CO2、SO2、H2O、N2、O2过量的空气中含有：O2、N2、H2O

(3)过量的空气体积:过量空气中氧气的体积:

过量空气中氮气的体积:过量空气中水蒸汽的体积:烟气中水蒸汽的实际体积:二、燃料与燃烧计算

2)实际烟气量理论烟气量与过量空气之和。

实际干烟气体积：注：烟气量计算中不可忽略随空气带入的水蒸汽的体积。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）C

883

73．58

73．58

H

95

47．5

23．75

S

16

0．5

0．5H2O0．5

0．0278

0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：习题1.煤的元素分析结果如下S:0.6%；H:3.7%；C:79.5%；N:0.9%；O:4.7%；灰分10.6%。在空气过剩20%条件下完全燃烧。计算烟气中SO2的浓度。按燃烧1kg煤计算重量（g）摩尔数（mol）需氧数（mol）C79566.25 66.25H31.12515.56257.78S6

0.1875

0.1875H2O52.8752.940设干空气中N2：O2体积比为3.78：1，所需理论空气量为4.78×（66.25+7.78+0.1875）=354.76mol/kg煤。理论烟气量CO266.25mol，SO20.1875mol，H2O15.5625+2.94=18.50molN2总计66.25+`8.50+0.1875+280.54=365.48mol/kg煤实际烟气量365.48+0.2×354.76=436.43mol/kg煤，SO2浓度为。某锅炉燃用煤气的成分如下：H2S:0.2%；CO:25%；O2:0.2%；CO2:8.5%；H2:13.0%；CH4:0.7%；N2:52.4%；空气含湿量为12g/m3N，，试求实际需要的空气量和燃烧时产生的实际烟气量。取1mol煤气计算H2S0.002mol耗氧量0.003molCO20.05mol0CO0.285mol0.143molH2（0.13-0.004）mol0.063molCH40.007mol0.014mol共需O20.003+0.143+0.063+0.014=0.223mol。设干空气中N2：O2体积比为3.78：1，则理论干空气量为0.223×（3.78+1）=1.066mol。取，则实际干空气1.2×1.066mol=1.279mol。空气含湿量为12g/m3N，即含H2O0.67mol/m3N，14.94L/m3N。故H2O体积分数为1.493%。故实际空气量为。烟气量SO2：0.002mol，CO2：0.285+0.007+0.05=0.342mol，N2：0.223×3.78+0.524=1.367mol，H2O0.002+0.126+0.014+1.298×1.493%+0.004=0.201mol故实际烟气量0.002+0.342+1.367+0.201+0.2×1.066=2.125mol思考题2.1已知重油元素分析结果如下：C：85.5%H：11.3%O：2.0%N：0.2%S：1.0%，试计算：1）燃油1kg所需理论空气量和产生的理论烟气量；2）干烟气中SO2的浓度和CO2的最大浓度；3）当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。2解：1kg燃油含：重量（g）摩尔数（g）需氧数（g）C855 71.2571.25H 113－2.555.2527.625S100.31250.3125H2O22.51.250N元素忽略。1）理论需氧量71.25+27.625+0.3125=99.1875mol/kg设干空气O2：N2体积比为1：3.78，则理论空气量99.1875×4.78=474.12mol/kg重油。即474.12×22.4/1000=10.62m3N/kg重油。烟气组成为CO271.25mol，H2O55.25+11.25=56.50mol，SO20.1325mol，N23.78×99.1875=374.93mol。理论烟气量71.25+56.50+0.3125+374.93=502.99mol/kg重油。即502.99×22.4/1000=11.27m3N/kg重油。2）干烟气量为502.99－56.50=446.49mol/kg重油。SO2百分比浓度为，空气燃烧时CO2存在最大浓度。3）过剩空气为10%时，所需空气量为1.1×10.62=11.68m3N/kg重油，产生烟气量为11.267+0.1×10.62=12.33m3N/kg重油。一、大气圈垂直结构大气扩散气象要素二.主要气象要素1.气温表示大气温度高低的物理量。1.5m高、百叶箱内气温。单位一般用摄氏温度（℃），理论计算则用绝对温度（K）来表示，两者的换算关系为：T（K）=T（℃）+273.15

2．气压

任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量.大气作用在单位面积上的压力。国际上规定：温度为0℃、纬度45º的海平面上的气压为一个标准大气压，即1atm=1013.25mbar气压总是随高度的增加而降低的。3．气湿空气的湿度简称气湿，表示空气中水汽含量的多少。常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。绝对湿度－1m3湿空气中含有的水汽质量相对湿度－它等于同温度时空气的实际水汽压力与饱和蒸汽压的比含湿量－湿空气中1kg干空气包含的水汽质量水汽体积分数－水汽在湿空气中所占的体积分数露点－同气压下湿空气达到饱和状态时的温度4．风向和风速水平(horizontal)方向的空气运动称为风。（垂直方向－升降气流）风的来向叫风向（16个方位圆周等分）风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或10min平均）

(km/h)

F－风力级（0～12级）

4．风向和风速风玫瑰图5、云云：是发生在高空的水汽凝结现象。形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。国外，将天空分为8等份。国外云量与我国云量间的关系，国外云量×1.25=我国云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。云状：多种多样，1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）6.能见度在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离级别（0~9级，相应距离为50～50000米），单位：m，Km。能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。高斯扩散模式高斯扩散模式大量的实验和理论研究证明，特别是对于连续源的平均烟流，其浓度分布是符合正态分布的。因此我们可以作如下假定：(1)污染物浓度在y、z轴上的分布符合高斯分布（正态分布）；(2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的；(3)源强是连续均匀的；(4)在扩散过程中污染物质量是守恒的。高斯扩散模式一.烟气抬升高度的计算

初始动量：速度、内径烟温度→浮力烟气抬升抬升高度计算式1.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式抬升高度计算式

1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下例题：某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气流速12.7m/s，温度140℃，流量250m³/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，当地气压978.4hpa，试确定烟气抬升高度及有效源高。

二、扩散参数的确定P－G曲线法P－G曲线Pasquill常规气象资料估算P－G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别（1）扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和2.扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法稳定度分类方法改进的P－T法污染物浓度的估算扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表2-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，烟囱不单是一排气装置，也是控制空气污染、保护环境的重要设备。烟囱高度、出口直径、喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要。增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染，但超过一定高度后再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大，所以并不是烟囱愈高愈好。设计烟囱高度的基本原则是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准，又应做到投资最省。烟囱高度的设计一、烟囱高度计算烟囱高度的计算分为：①精确计算法；②简化计算法。烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算，据对地面浓度要求不同，有两种计算法方法：（一）保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法；（二）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法。1.按地面最大浓度的计算方法以地面最大浓度不超过规定为依据，保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式：式中：Qe－烟尘允许排放速率，t/h；

Pe－烟尘排放控制系数，t/(h·m2)；

H－有效源高，m。由此得烟囱高度为二、烟囱设计中的若干问题1.分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式。烟型不同产生的地面最大浓度不同，烟囱高度的计算公式不同，因此确定烟型很重要。常用两种方法：1）选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；2）选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式。①波型:发生在天气晴朗，风速不大，比较缓和的日子里，近距离造成短时间的污染浓度比锥形高。近地层中，低矮烟囱发热量小的污染源以此烟型为例，并应校核逆温层情况。②锥型:100m左右的烟囱多发生此烟型。此烟型发生在温度层结近中性或中等到大风的情况，即发生在多云有风的白天或有风的夜晚。③平展型和漫烟型:较大的发电厂以漫烟型为主，夜间多为平展型，日出后一段时间发生漫烟型。④封闭型:大于200m的较高烟囱以此型为主。观测发现：当混合层厚度在760—1065m间时，它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍，Cmax可持续2—4小时，常出现在早晨和中午。

2.抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，一般选霍氏公式3.公式中与气象有关的参数取值有两种方法：①取多年平均值；②取某一保障频率的值：如已知ū＞3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。上述计算公式实际上会遇到许多问题，必须予以考虑，如上述模式仅适于锥形扩散，实际是变化的，要根据建厂地区的气象条件等来取值。一、选择厂址所需的气候资料气候资料是指气象资料的常年统计形式。1、风向和风速气候资料：为了一目了然，常把风资料画成风玫瑰图。图a是风向玫瑰图；图b风速玫瑰图是各个风向的平均风速绝对值。图c是风速和风向频率复合图，该图矢线长度代表风向频率大小，矢线末端的风速羽代表平均风速，每一羽可表示0.5或1.0m/s。。风向（风速）玫瑰图：在8个或16个方向上给出风向（风速）的相对频率或绝对值，用线段表示，连接各端点即成。风玫瑰图可按多年（5-10年或更长）的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作，山区地形复杂，风向、风速随地形和高度而变，可做出不同地点和高度的风玫瑰图。静风（风速<1.0m/s）或微风（风速为1～2m/s）情况大气通风条件差，容易引起高浓度污染，尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。因此，在空气污染分析中不仅应统计静风频率，有条件还要统计静风持续时间。厂址选择2.大气稳定度的气象资料一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料，但可根据pasquill或我们废气排放制定标准中规定的方法。利用已知的气象资料进行分类，统计出月（年、季）各稳定度频率，作出必要的图表。厂址选择3.混合层高度的确定

混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数。由于温度层结的昼夜变化，混合层高度也随时间变化。混合层高度可看作气块作干绝热上升运动的上限高度。（即：干绝热递减率上限高度。混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。）具体指出污染物在铅直方向的扩散范围。受太阳辐射的影响，午后混合层高度最大，在温度—高度图上，从上午最大地面温度作干绝热线，与早晨温度探空曲线的