第二章燃烧及大气污染

表1－3美国1997年大气污染物排放量估算污染源类型PM10SOxCONOxVOCPb合计比例/%交通运输0.631.2760.7810.526.980.0004680.1857.5燃料燃烧1.0015.694.369.710.820.0004531.5822.6工业生产1.181.545.530.828.890.0026317.96312.9混合源－0.08.710.270.73－9.717.0总计2.8118.5079.3821.3217.420.00354139.433100比例/%2.013.356.915.312.50.0100占1970年总量/%－6578116701.7－－注：①SOx指所有硫氧化物，主要是SO2；NOx指所有氮氧化物，主要是NO和NO2，其质量以NO2计算。②对于大多数污染物来说，森林火灾是混杂源的主要污染物来源。单位：106t/a第二章燃烧与大气污染内容简介:燃料的性质燃料燃烧过程烟气体积及污染物排放量计算燃烧过程污染物的形成第一节燃料的性质用以产生热量或动力的可燃性物质煤、石油和天然气统称为常规燃料燃料固体燃料液体燃料气体燃料一.煤（一）煤的分类由植物的部分分解和变质而形成的一种不均匀的有机燃料植物性原料变成煤的过程称之为煤化过程1.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代短，呈黑色、褐色或泥土色，其结构类似木材，呈现出黏结状及带状，水分含量高，热值较低，是最低品位的煤2.烟煤：形成年代较褐煤为长，呈黑色，外形有可见条纹，挥发分含量为20-45％，碳含量为75-90％，成焦性较强，含氧量低，水分和灰分含量不高，比褐煤更能抵抗风化3.无烟煤：含碳量最高，含碳量高于93％，煤化时间最长，具有明亮的黑色光泽，机械强度高，无机物含量低于10％，着火困难，储存时稳定，不易自燃，成焦性极差（二）煤的工业分析1.水分（1）外部水分：称取一定量的13mm以下粒度的煤样，置于干燥箱内，在318-323K温度下干燥8h，取出冷却，干燥后所失去的水分质量占煤样原有质量的百分数就是煤的外部水分(ww)（2）内部水分：将上述失去外部水分的煤样继续在375-380K下干燥约2h，所失去的水分质量占试样原来质量的百分数即为内部水分(wn)2.灰分：煤中不可燃矿物物质的总称3.挥发分：煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质，通过将风干的煤样在1200K的炉中加热7min而测定4.固定碳：从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩下的部分表2-1煤的灰分的组成成分含量/％成分含量/％SiO220-60MgO0.3-4Al2O310-35TiO20.5-2.5Fe2O35-35Na2O和K2O1-4CaO1-20SO30.1-12（三）煤的元素分析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1.煤中碳和氢的测定：碳和氢是通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量而测定的。3.煤中氮的测定：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。4.煤中硫的测定：将空气干燥基样与艾氏剂(氧化镁和无水碳酸钠)混匀，缓慢燃烧，使硫化物转变为硫酸盐，再加入热水使之溶解。在一定酸度下加入氯化钡使之转化为硫酸钡沉淀，过滤灼烧后称量硫酸钡质量反算出煤中全硫含量。2.煤中氧的测定（1）直接法：在氮气流和105~110℃下干燥煤样，然后使之在(1125±25)℃下分解，用纯碳将挥发产物中的氧转化为CO，并进一步氧化为CO2，用滴定法或重量法测定。（2）间接法：通过其他元素测定结果间接计算。（四）煤中硫的形态1.硫化铁硫：主要代表是黄铁矿硫，是煤中主要的含硫成分，黄铁矿比煤重的多，可在强磁场感应下能够转变为顺磁性物质，吸收微波能力比煤炭强。故可用不同的物理或化学方法把黄铁矿从煤中脱除。2.有机硫：有机硫是以各种官能团形式存在的，与煤中有机质构成复杂的分子，不宜用一般重力分选的方法除去，需要采用化学方法脱硫。3.硫酸盐硫：主要以钙、铁、和锰的硫酸盐形式存在，较前两种硫含量少得多。低硫煤中主要是有机硫，约为无机硫的的8倍高硫煤中主要为无机硫，约为有机硫的3倍煤中全硫无机硫硫化铁硫单质硫硫酸盐硫黄铁矿硫FeS2白铁矿硫FeS2砷黄铁矿硫石膏CaSO4·2H2O绿矾FeSO4·7H2O有机硫硫醇或醚基化合物R－SH硫醚R－S－R二硫醚R－S－S－R噻吩类杂环硫化物硫醌化合物（五）煤的成分表示方法1.收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作为100％的成分，亦即锅炉燃料的实际成分，以上角“ar”表示。w(Car)+w(Har)+w(Oar)+w(Nar)+w(Sar)+w(Aar)+w(War)=100%2.空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100％的成分，亦即在实验室内进行燃料分析时的试样成分，以上角“ad”表示。3.干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100％的成分，以上角“d”表示。4.干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100％的成分，以上角“daf”表示。w(Cad)+w(Had)+w(Oad)+w(Nad)+w(Sad)+w(Wad)+w(Aad)=100%w(Cd)+w(Hd)+w(Od)+w(Nd)+w(Sd)+w(Ad)=100%w(Cdaf)+w(Hdaf)+w(Odaf)+w(Ndaf)+w(Sdaf)=100%arAStyCHONSrWnWwadddaf灰分固定碳挥发分水分固体部分（焦炭）挥发部分图2-1煤的成分表示方法及其组成相互关系表2-2不同煤种的煤质分析结果煤种收到基水分War/%干燥基灰分Ad/%干燥无灰基元素分析收到基低位发热量Qdw/kJ/kg干燥无灰基挥发分Vdaf/%空气干燥基水分Wad/%碳Cdaf/%氢Hdaf/%氧Odaf/%氮Ndaf/%硫Sdaf/%褐煤34.822.771.75.220.51.21.31297347.89.9烟煤5.130.582.35.38.11.42.92132629.11.3无烟煤5.524.792.72.92.60.90.8238655.11.3二.石油1.原油是天然存在的易流动的液体，相对密度在0.78-1.00之间，是多种化合物的混合物，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。2.原油通过蒸馏、裂化和重整过程，可生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。3.燃料油的相对密度为燃料油的化学组成和发热值提供了指示。当氢的含量增加时，相对密度减少，发热量增加。（一）性质4.燃料油的粘度随温度升高而降低，粘度较大时，雾化产生的液滴较大，故不易较快气化，导致不完全燃烧。（二）原油中的硫1.大部分以有机硫形式存在，含硫量为0.1-7%(质量)。3.硫分约有80-90％在重馏分中，以复杂的环状结构存在。2.轻馏分中硫以硫化氢(H2S)、硫醇(R-S-H)、一硫化物(R-S-R)、二硫化物(R-S-S-R)和环状硫化物等形态存在。4.不能用物理方法分离硫化物来降低燃料油中的硫分，采用高压下的催化加氢，破坏C-S-C键，形成硫化氢气体，可以达到降低硫分的目的。三.天然气主要组成为甲烷85％，乙烷10％、丙烷3％天然气中的硫化氢不但具有腐蚀性，且它的燃烧产物为硫的氧化物，应尽量减少其在天然气中的含量天然气中的惰性组分过大时，可降低天然气的燃烧值，并增加输送成本，还会影响燃烧特征，故应除去惰性组分或与其他气体混合以使其稀释1-5设人肺部气体含CO为2.2×10-4，平均含氧量为19.5%。如果这种浓度保持不变，求COHb浓度最终达到饱和水平的百分率。解：取M＝210，则可得到：COHb达到饱和水平时：1-7粉尘密度1400kg/m3，平均粒径1.4µm

，在大气中的浓度为0.2kg/m3，对光的散射率为2.2，计算大气的最大能见度。解：1.大气污染综合防治的措施有哪些？（1）全面规划、合理布局（2）严格环境管理（3）控制大气污染的技术措施（4）控制污染的经济政策（5）控制污染的产业政策（6）绿化造林（7）安装废气净化装置2.如何计算空气污染指数API？式中：Ik——第k种污染物的污染分指数；

ρk——第k种污染物的平均浓度的监测值，mg/m3;Ik,j——第k种污染物j转折点的污染分指数值；

Ik,j+1——第k种污染物j+1转折点的污染分指数值；

ρk,j——第j转折点上k种污染物的浓度限值(对应于Ik,j)，

mg/m3;

ρk,j+1——第j+1转折点上k种污染物的浓度限值(对应于

Ik,j+1)，mg/m3。各种污染物的污染分指数计算出以后，最大者为该区域或城市空气污染指数API当第k种污染物浓度为ρk,j≤ρk≤ρk,j+1时，其分指数6.煤炭中的硫分都可燃烧并放出热量。7.由于收到基表示的是实际燃料，利用收到基评价煤炭性质是准确的。××3.环境空气质量控制标准按其用途可分为哪4类？环境空气质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准和大气污染警报标准4.由于液体燃料是以气态形式燃烧的，所以它的燃烧状态主要受空气与其气态蒸发物的扩散或混合所控制。×5.煤的工业分析是指测定去掉外部水分的煤中主要成分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。×四.非常规燃料据来源城市固体废弃物商业和工业固体废弃物农产物及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表2-3城市固体废物制备燃料的方法燃料制备技术燃烧系统应用举例可能导致的空气污染1.有用物品的分离特制的水冷壁堆积燃烧的焚烧炉－2.含铁金属的粉碎和磁分离特制的悬浮燃烧锅炉颗粒物排放比堆积燃烧炉低，HCl、痕量碳氢化合物3.粉碎、磁分离以及筛分、浮选和其他技术分离有色金属和玻璃等RDF用于特制的悬浮燃烧锅炉或供给现有的粉煤炉颗粒物排放量低，HCl、痕量烃4.将由3制得的RDF进一步粉碎至200目的粉末供现有的煤粉炉排放物同35.将由3制得的RDF造粒或模压成型供应或取代煤作层燃锅炉燃料颗粒物排放较3低，HCl、痕量烃6.由未处理的城市废物或RDF经热解制成固体、液体和气体燃料各种常规燃烧设备燃烧污染物排放量随燃烧物组分及燃烧器类型而变化第二节燃料燃烧过程一.影响燃烧过程的主要因素（一）燃烧过程及燃烧产物1.燃烧定义：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的过程。2.燃烧产物（1）多数化石燃料完全燃烧的产物是二氧化碳和水蒸气；（2）不完全燃烧过程将产生黑烟、一氧化碳和其他部分氧化产物等大气污染物；（3）若燃料中含有硫和氮，则会生成SO2和NO；（4）当燃烧室温度较高时，空气中的部分氮也会被氧化成NOx，常称为热力型氮氧化物（thermalNOx）。（二）燃料完全燃烧的条件1.空气条件2.温度条件着火温度：在氧存在下可燃物质开始燃烧所必须达到的最低温度。923-1023甲烷853-873氢气973-1073发生炉煤气803-853重油713-773无烟煤593-643木炭着火温度/K燃料表2-4燃料的着火温度4.燃料与空气的混合条件燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需要的时间3.时间条件（1）对于蒸气相的燃烧，湍流可加速液体燃料的蒸发；（2）对于固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在燃料颗粒表面形成的边界层，从而提高表面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。燃料在燃烧室中的停留时间湍流度适当的控制这四个因素——空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“3T”。二.燃料燃烧的理论空气量（一）理论空气量：1.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，它可由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。2.燃烧化学反应方程式（1）建立方程式的假定Ⅰ空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79.1/20.9＝3.78；Ⅱ

燃料中的固定态氧可用于燃烧；Ⅲ

燃料中的硫主要被氧化为SO2；Ⅳ

热力型NOx的生成量较小，计算理论空气量时可忽略；Ⅴ

燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主；Ⅵ

燃料的化学式为CxHyNvSzOw，其中下标x、y、z、w、v分别代表C、H、S、O和N的原子数。（2）燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式其中Q代表燃烧热。（3）理论空气量Va0(m3/kg)Va0=22.4×4.78(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)=107.1(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)m3/kg

例2-1计算辛烷(C8H18)在理论空气量条件下燃烧时的燃料/空气质量比，并确定燃烧产物气体的组成。

解：辛烷在理论空气量条件下燃烧，可表示为

C8H18+12.5(O2+3.78N2)8CO2+9H2O+47.25N2辛烷的摩尔质量为114，因此，在理论空气量下燃烧时燃料/空气的质量比为mf

ma

=11412.5(32+3.78×28)=0.0662气体的组成通常以摩尔分数表示，它不随气体温度和压力变化。燃烧产物总摩尔数为：8+9+47.25=64.25。因此，辛烷燃烧产生的烟气组成为yCO2=8/64.25=0.125=12.5%yH2O=9/64.25=0.140=14.0%yN2=47.65/64.25=0.735=73.5%

例2-2假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%;H:5.2%;N:1.2%;S:2.6%;O:5.9%;灰分:7.9%。试计算这种煤燃烧时的理论空气量。

解：首先由煤的质量组成确定其摩尔组成。为了计算简便，相对于C原子标准化其摩尔组成。化学成分w/%单位质量摩尔组成/[mol.(100g煤)-1]摩尔分数/[mol.mol-1(C)]C77.2÷126.43÷6.431.00H5.2÷15.2÷6.430.809N1.2÷140.0857÷6.430.013S2.6÷320.0812÷6.430.013O5.9÷160.369÷6.430.057对于该种煤，其组成可表示为：CH0.808N0.013S0.013O0.057

燃料的摩尔质量，即相对于每摩尔碳的质量，包括灰分为M==15.55g/mol(C)1006.43gmol(碳)对于这种燃料的燃烧，则有CH0.809N0.013S0.013O0.057+a(O2+3.78N2)CO2+0.404H2O+0.013SO2+(3.78a+0.0065)N2其中a=1+0.808/4+0.013-0.057/2=1.19因此，理论空气条件下燃料/空气的质量比：mf

ma

=15.55g/mol1.19(32+3.78×28)g/mol=0.0948若以单位质量燃料（例如1kg）需要空气的标准体积Va0表示，则有Va0=1.19×(1+3.78)mol

15.55g×1000g1kg×22.4×10-3m3/mol=8.19m3/kg一般煤的理论空气量Va0＝4~9m3/kg，液体燃料的Va0＝10~11m3/kg例2-3某燃烧装置采用煤作燃料，化学组成以质量计为：C:85%;H:3%;N:2%;S:3%;O:4%;灰分:3%。确定该种煤燃烧时的理论空气量。解1：由煤的质量百分比组成确定其摩尔组成。为了计算简便，相对于C原子标准化其摩尔组成。w/%单位质量摩尔组成/[mol.(100g煤)-1]摩尔分数/[mol.mol-1(C)]C85÷127.08÷7.081.00H3÷13.00÷7.080.424N2÷140.143÷7.080.020S3÷320.0938÷7.080.013O4÷160.250÷7.080.035对于该种煤，其组成可表示为：CH0.424N0.020S0.013O0.035

燃料的摩尔质量，即相对于每摩尔碳的质量，包括灰分为M==14.12g/mol(碳)1007.08gmol(碳)对于这种燃料的燃烧，则有CH0.424N0.020S0.013O0.035+a(O2+3.78N2)CO2+0.212H2O+0.013SO2+(3.78a+0.010)N2其中a=1+0.424/4+0.013-0.035/2=1.10Va0=1.10×(1+3.78)mol14.12g×1000g1kg×22.4×10-3m3/mol=8.34m3/kg解2：以1kg煤燃烧为基础，则重量(g)摩尔数(mol)需氧数(mol)C85070.8370.83H30307.5S300.9380.938O402.5-1.25

所以理论需氧量为

则1kg煤完全燃烧所需要的理论空气量为

78.02×(3.78+1)=372.94mol/kg煤

即Va0=372.94×22.4/1000=8.35m3/kg煤70.83+7.5+0.938-1.25=78.02mol/kg煤（二）空气过剩系数α一般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α1.05-1.11.15-1.21.251.2悬燃炉－－1.3-1.51.3-1.4链条炉－－1.3-2.01.3-1.5手烧炉和抛煤机炉煤气重油无烟煤烟煤燃烧方式表2-5部分炉型的空气过剩系数α=VaVa0（三）空燃比AF单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例如，甲烷在理论空气下的完全燃烧：CH4+2O2+7.56N2CO2+2H2O+7.56N2空燃比：AF==17.22×32+7.56×281×16随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量的增加，理论空燃比随之减少。例如汽油（～C8H18）的理论空燃比为15，纯碳的约为11.5对于纯的化合物,方程式中的下标x、y、z、w和v为整数和零。而大多数燃料为可燃物质的混合物，x、y等下标可以取成分数。燃料的通用分子式仅表示各种原子的相对丰度，而不是实际的分子结构，但方程式仍然可以应用。对于混合燃料，其下标x、y等可由燃料的元素分析确定。三.燃烧产生的污染物二氧化碳、一氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物等燃烧反应的最高温度硫的氧化物氮的氧化物粉尘CO及燃烧的碳氢化合物排出物图2-2燃烧产物与温度的关系表2-6由1000MW电站排出的主要污染物0.520.67可忽略CH0.210.008可忽略CO20.8821.7012.08NOx139.0052.660.012SOx4.490.730.46颗粒物煤③油②气①年排放量/106kg燃料种类污染物注：①假定每年燃气1.9×109m3；②假定每年燃油1.57×109kg，油的硫含量为1.6％，灰分为0.05％；③假定每年耗煤2.3×109kg，煤的硫含量为3.5％，硫转化为SOx的比例为85％，煤的灰分为9％。四.燃料设备的热损失(一)发热量1.定义: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(通常为298K和101325Pa)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)。2.高位发热量qH

:包括燃料燃烧生成物中水蒸气的汽化潜热的发热量。3.低位发热量qL: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。qL=qH-25(9wH+wW)式中：发热量以kJ/kg表示；wH，wW是燃料中氢和水分的质量分数（二）燃料设备的热损失1.排烟热损失（1）一般锅炉排烟热损失为6％－12％；（2）影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟体积。2.不完全燃烧热损失（1）化学不完全燃烧热损失（2）机械不完全燃烧热损失灰渣损失飞灰损失漏煤损失由于烟气中含有残余的可燃气体（CO,H2,CH4）所造成损失量煤粉炉不超过0.5％，油炉和气体炉为1-1.5％，层燃炉1％由于灰中含有未燃尽的碳所造成损失量煤粉炉1-1.5％，层燃炉5-15％，液体和气体炉0％烟温每升高12－15K，排烟热损失可增加1％工业锅炉的排烟温度选取433-473K，大、中型锅炉的排烟温度选取383-453K3.炉体散热损失锅炉外表面积、绝热层质量、环境温度和风速4.空燃比对燃烧热损失的影响空气过量空气不足理论空气量热量损失混合不良充分混合图2-3燃烧热损失与空燃比的关系不完全燃烧损失散热损失排烟损失总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.理论烟气体积（1）定义：在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积，以Vfg0表示。（2）烟气组成：CO2、SO2、N2和水蒸气。（3）把烟气中除了水蒸气以外的部分称为干烟气，把包括水蒸气在内的烟气称为湿烟气。（4）理论水蒸气体积包括：燃料中氢燃烧后生成的水蒸汽体积燃料中所含的水蒸汽体积由供给的理论空气量带入的水蒸汽体积2.烟气体积和密度的校正

若设观测状态下（温度Ts、压力ps）烟气的体积为Vs、密度为ρs，在标准状态下（温度TN、压力pN）烟气的体积为VN、密度为ρN，则标准状态下的烟气体积：

标准状态下的烟气密度：3.过剩空气校正C+O2+3.78N2CO2+3.78N2若空气过量，则燃烧方程式变为C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2+aO2+(1+a)3.78N2其中a是过剩空气中O2的过剩摩尔数。则空气过剩系数若燃烧完全，假如燃烧产物以下标p表示，则C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2p+O2p+N2p其中O2p=aO2N2p为实际空气量中所含的总氮量。那么实际空气量中所含的的总氧量为：理论需氧量则为0.264φ(N2p)-φ(O2p)，因此空气过剩系数：假如燃烧不完全产生了CO，过剩氧量必须加以校正，即从测得的过剩的氧中减去氧化CO为CO2所需要的氧。即式中各组分的量均为奥萨特仪所测得的各组分的体积分数。例如，奥萨特仪分析烟气的结果为：CO2=10％，O2=4％，CO=1％，那么N2=85％，则所以考虑到过剩空气校正，实际烟气体积：Vfg=Vfg0+Va0(α-1)作业：某城市某日的大气污染物监测结果如下：PM10=0.08mg/m3，SO2=0.58mg/m3，NO2=0.45mg/m3，CO=4mg/m3，O3=0.15mg/m3。请预报该城市空气污染状况。解：首先计算各污染指标API分指数ρPM10,1=0.050mg/m3,ρPM10,2=0.150mg/m3,IPM10,1=50,IPM10,2=100;ρSO2,2=0.150mg/m3,ρSO2,3=0.800mg/m3,ISO2,2=100,ISO2,3=200;ρNO2,3=0.280mg/m3,ρNO2,4=0.565mg/m3,INO2,3=200,INO2,4=300;ρCO,0=0，ρCO,1=5mg/m3，ICO,0=0，ICO,1=50;ρO3,1=0.120mg/m3,ρO3,2=0.200mg/m3,IO3,1=50,IO3,2=100。查表1-6可知该城市空气污染指数API=260，NO2为该城市的首要污染物，空气污染级别为Ⅳ级，属于中度污染。1.非常规燃料能够在某些领域代替日益减少的化石燃料的供应，同时也是处理废物的有效方式，因此应不加限制的大力推广。×2.燃料燃烧过程的3T指的是什么？温度、时间和湍流3.建立燃烧反应方程式的假定有哪些？Ⅰ空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79.1/20.9＝3.78；Ⅱ

燃料中的固定态氧可用于燃烧；Ⅲ

燃料中的硫主要被氧化为SO2；Ⅳ

热力型NOx的生成量较小，计算理论空气量时可忽略；Ⅴ

燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主；Ⅵ

燃料的化学式为CxHyNvSzOw，其中下标x、y、z、w、v分别代表C、H、S、O和N的原子数。4.若燃料的化学式为CxHyNvSzOw，则燃料燃烧反应方程式如何建立？理论空气量如何计算？Va0=22.4×4.78(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)=107.1(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)m3/kg5.要使燃料在悬燃炉中完全燃烧，煤炭比煤气所需的过剩空气量要大。√6.随着燃料中碳氢比的减少，理论空燃比随之减少。××8.导致燃料设备热损失的主要原因有哪些？排烟、不完全燃烧和炉体散热9.理论水蒸气体积由哪三部分构成？燃料中氢燃烧后生成的水蒸汽体积燃料中所含的水蒸汽体积由供给的理论空气量带入的水蒸汽体积7.燃料燃烧释放的高位发热量是指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。10.使用奥萨特仪分析某燃料燃烧后的烟气组成为：φ(CO2)=9％，φ(O2)=6％，φ(CO)=2％，该燃料燃烧时的空气过剩系数如何计算？11.如何对烟气体积进行过剩空气校正？Vfg=Vfg0+Va0(α-1)二.污染物排放量的计算

例2-4某燃料装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下(按质量)：C88.3%；H9.5%；S1.6%；H2O0.05%；灰分0.1%。若燃料中硫全部转化为SOx(其中SO2占97%)。

求：1）燃烧1kg重油所需要的理论空气量；

2）当空气过剩系数α=1.2时烟气中SO2和SO3浓度，以10-6表示；

3）此时干烟气中CO2的含量，以体积分数表示。

解：以1kg重油燃烧为基础，则

所以理论需氧量为重量(g)摩尔数(mol)需氧数(mol)烟气量(mol)C88373.5873.58CO2(73.58)H959523.75H2O(47.5+0.0278)S160.50.5SO2(0.5)H2O0.50.02780N2(97.83×3.78)73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油

则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为97.83×(3.78+1)=467.63mol/kg重油

即Va0=467.63×22.4/1000=10.47m3/kg重油

理论烟气量为73.58+(47.5+0.0278)+0.5+97.83×3.78=491.4mol/kg重油

即Vfg0=491.4×22.4/1000=11.01m3/kg重油

那么实际烟气体积Vfg=Vfg0+Va0(α-1)=11.01+10.47(1.2-1)=13.10m3/kg重油烟气中SO2的体积为:SO3体积为:所以烟气中SO2和SO3的浓度分别为：ρSO2=(0.0109/13.10)×106=832×10-6ρSO3=(3.36×10-4/13.10)×106=25.6×10-6当α=1.2时，干烟气量为：[491.4-(47.5+0.0278)]×+10.47×(1.2-1)=12.04m3/kg重油22.41000CO2的体积为：22.41000所以干烟气中CO2的含量以体积计为：1.64812.040.5×0.97×22.4/1000=0.0109m3/kg重油0.5×0.03×22.4/1000=3.36×10-4m3/kg重油73.58×=1.648m3/kg重油×100=13.69%

例2-5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=10.7%,O2=8.2%,不含CO。污染物排放的质量流量是22.7kg/min。求：1）污染物排放的质量流量（以t/d表示）；

2）污染物在烟气中的浓度；

3）燃烧时的空气过量系数;4）校正至空气过剩系数α=1.4时污染物在烟气中的浓度。

解：1）污染物排放的质量流量：22.7××24×=32.7t/dkgmin60minhhdt1000kg2）干烟气量

污染物浓度Qd=10400×(1-0.0625)=9750m3/minρ=22.7×106/9750＝2328.2mg/m3

修正为标准状态下的浓度：3）空气过剩系数：4）校正至空气过剩系数α=1.4条件下的污染物浓度：

根据近似推算校正Φ(N2p)=100-10.7-8.2=81.1第四节燃烧过程硫氧化物的形成一.燃料中硫的氧化机理（一）燃料中硫的氧化（1）挥发出的有机硫遇到氧气时，全部氧化为SO2和少量的SO3。（2）还原气氛下，挥发出的主要是H2S、COS和CS2，燃烧过程中也会氧化为SO2。1.有机硫自学为主2.无机硫（1）还原气氛、温度<800K以及足够停留时间的条件下，无机硫将分解为FeS、S2和H2S。（2）生成的FeS在更高的温度下(≥1700K)和更长的时间才能分解，分解产物为Fe、S2和COS。（3）最后氧化成SO2或SO3，一部分FeS残留在焦炭中。（二）H2S的氧化1.H2S被消耗；O+H2SSO+H2SO+O2

SO2+OO+H2SOH+SH2.SO浓度减少，OH浓度达到其最大值，SO2达到其最终浓度；3.当氢浓度达到最大值时，水的浓度开始上升。H2+OOH+HH+O2OH+OOH+H2

H2O+HSO2和H2O（三）CS2和COS的氧化CS2+O2CS+SOOCS+O2

CO+SOSO+O2

SO2+OCS+OCO+SO+CS2CS+SOO+CS2COS+SS+O2SO+O1.CS2的氧化SO2和CO2.COS的氧化COS+hv

CO+SS+O2SO+OO+COSCO+SOSO+O2

SO2+O（四）元素S的氧化S8S7+SS+O2SO+OS8+O2SO+S+S6SO+OSO2*SO2+hvSO+O2

SO2+OSO2+O2

SO3+OSO2+O+MSO3+M纯硫氧化的唯一特点在于生成的SO3占SOx的百分比较通常情况高得多(约20%)SO2和SO3（五）有机硫化物的氧化RCH2SSCH2R+O2RCH2SSCHR+HO2RCH2SSCHRRCH2S+RCHSRCH2S+RHRCH2SH+RRCH2SH+O2RCH2S+HO2RCH2S+O2RCH2+SO2SO2二.SO2和SO3之间的转化SO2+O+MSO3+Mk1

（1）SO3+HSO2+OHk3（3）SO3+OSO2+O2k2（2）SO3+MSO2+O+Mk4（4）（一）炽热的反应区d[SO3]dt=k1[SO2][O][M]-k2[SO3][O][SO3]max=k1[SO2][M]k2SO3的最大值为SO2浓度的0.1％-5％（二）在富燃料的碳氢化合物火焰中[SO3]max=k1[SO2][M][O]k3[H]（四）金属氧化物催化条件下V2O5+SO2V2O4+SO32SO2+O2+V2O42VOSO42VOSO4V2O5+SO3+SO2在富钒的燃料油燃烧烟气中SO3的产生量高达30%（三）在贫燃料的碳氢化合物且低温火焰中SO3最终浓度是SO2浓度的1/40-1/80（五）燃料燃烧后烟气中含有水蒸气时SO3向H2SO4转化的份额x定义为x=100PH2SO4/(PSO3+PH2SO4)（％）5010015020020406080100温度/℃SO3向H2SO4转化率/％图2-4SO2向H2SO4的转化率与温度的关系图2-5烟气的酸雾点曲线（水蒸气含量11％，1atm）60100140200-9-8-7-6-5酸露点/℃lgPH2SO4-4-3-28012016018010-6H2SO410-5H2SO410-4H2SO4（六）特殊环境下，硫与无机组分的反应可以将硫固定在固相中CaO(s)+SO2+1/2O2=CaSO4(s)第五节燃烧过程中颗粒污染物的形成一.碳粒子的形成燃烧过程中由气相反应生成主要成分为碳的粒子称为积炭，而由液态烃燃料高温分解产生的主要成分为碳的粒子则称为结焦或煤胞。自学为主（一）积炭的生成1.特点：至少含有1％(重量)的氢，可用C8H表示，由大量粗糙的球形粒子组成，直径在100-2000A范围。2.过程（1）核化过程：发生气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳（2）在这些核表面上发生一些非均质反应（3）聚团或凝聚过程3.扩散火焰比预混火焰产生的积炭多（1）扩散火焰中的碳生成顺序：萘>苯>炔>双烯>单烯>烷芳香烃>炔烃>烯烃>烷烃（2）预混火焰中的碳生成顺序：萘>苯>醇>烷>烯>醛>炔4.如何防止积炭产生（1）尽量使用预混火焰（2）碳氢化合物燃料与足量的氧混和（3）降低燃烧炉的压力（4）在燃料油中加入镍或碱土金属盐燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合的火焰称为预混火焰

燃料和氧化剂的混合在燃烧过程中进行，即边混合边燃烧所产生的火焰称为扩散火焰

（二）石油焦和煤胞的生成1.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。由此出现的碳粒叫石油焦。2.煤胞的产生（1）多组分重残油燃料液滴燃烧的后期生成的难以燃烧的焦粒称为煤胞。外形为微小空心的球形粒子，粒径10-300µm。（2）生成反应顺序：烷烃烯烃带支链芳香烃凝聚环系柏油沥青半圆体沥青沥青焦焦炭二.燃煤烟尘的形成固体燃料燃烧产生的颗粒物称为烟尘，包括黑烟和飞灰。黑烟主要是未燃尽的炭粒，飞灰则主要是燃料所含的不可燃矿物质微粒。（一）煤粉燃烧过程图2-5在表面燃烧碳层中，气体成分和温度的分布0.5-0.01.0∞2000质量百分比/％T/KTCOCO2O2CO2+C2CO（二）黑烟的产生1.若燃烧条件理想，煤可以完全燃烧，完全氧化为CO2等气体，余下的为灰分。如果燃烧不理想，煤不但燃烧不好，且在高温下发生热解，易产生黑烟。2.当碳与氧的摩尔比接近1.0时，最易产生黑烟。3.影响黑烟产生的因素（1）燃烧装置：手烧炉>下饲式加煤机>链条炉>煤粉炉和沸腾炉（2）煤的种类和质量：无烟煤<焦炭<褐煤<低挥发分烟煤<高挥发分烟煤（3）灰分层：增加空气扩散阻力4.减少黑烟的主要途径（1）改善燃料和空气的混合（2）保证足够高的燃烧温度（3）保证碳粒在高温区必要的停留时间（三）影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素1.燃烧方式表2-7几种燃烧方式的烟尘占灰分比燃烧方式占燃料中的灰分/％手烧炉15-20链条炉15-20抛煤机炉（机械风动）24-40沸腾炉40-60煤粉炉75-85表2-6几种燃烧方式的烟尘颗粒概况飞灰颗粒组成手烧炉排/%链条炉/%抛煤机炉/%煤粉炉/%沸腾炉/%<10µm的含量57