YYH-第二章-燃烧与大气污染-2011

LOGO大气污染控制工程第二章燃烧与大气污染主讲人：杨毅红能源和资源的不合理利用或浪费是造成环境污染的主要原因；而大气环境污染主要是燃料燃烧造成的。因此，要解决大气环境污染间题，必须研究燃料燃烧与大气污染的关系，尽可能减少燃烧产生的大气污染物，注意节约能源，开发清洁能源。在我国能源构成中，煤炭约占70%，石油和天然气等约占30%，核电比例很小。今后相当长时间内，煤炭仍是主要能源。十一五中国能源消费世界各国能源消费结构对比中国与世界能源消费结构我国不仅水能等无污染能源开发较少，而且煤炭利用率低。因此开发新能源、提高煤炭等能源利用率，潜力很大。做好这项工作，既有利于促进国民经济发展，又可减轻大气污染，改善大气环境质量。2.1燃料的性质2.2燃料燃烧过程2.3燃烧计算2.4燃烧过程中硫氧化物的形成2.5燃烧过程中颗粒污染物的形成2.6其他污染物的形成１．理论空气量的计算２．理论与实际烟气量的计算３．污染物排放量4．燃烧过程中污染物的形成学时数：4学时内容提要重点与难点2.1燃料的性质燃料的定义：

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。2.1.1燃料的分类2.1.2燃料的化学组成2.1.3燃料组成对燃烧的影响2.1.4煤的分类和组成2.1.5其他燃料2.1.6燃料组成的表示方法:CxHySzOwNv2.1.1燃料的分类分类方法常规燃料：如煤（coal）、petroleum、天然气(rudegas)等。非常规燃料:生活垃圾、秸秆等按其物理状态固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩散控制）。液体燃料：由蒸发过程控制（气态形式燃烧）。气态燃料：由扩散或混合控制。2.1.1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

2.1.2

燃料的化学组成典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）2.1.3燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出7850kcal的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出2214kcal的热量。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90~98%，一般煤的含碳量约50~95%。氢：燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为2~10%，以碳氢化合物的形式存在，1kg氢完全燃烧时能放出28780kcal的热量氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5~1.5%硫：三种形态：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。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102~105C，保持2h后才能除掉。灰分：燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。2.1.4煤的分类和组成定义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。性质有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。煤的基本分类褐煤：最低品味的煤，形成年代最短，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％），成焦性差,发热量大褐煤烟煤无烟煤煤的组成分析（按测定组成分析）

（1）工业分析（proximateanalysis）：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。

（2）元素分析（ultimateanalysis）：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。

水分：一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318-323K温度下干燥8小时，取出冷却，称重外部水分将失去外部水分的煤样保持在375-380K下,2h后,称重内部水分挥发分：失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重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.失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在800±20℃的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳灰分：煤中不可燃矿物质的总称（1）煤的工业分析灰分我国煤炭的平均灰分含量为25％灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量(2)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，SO42-，滴定我国煤炭资源中，硫的平均质量分数为1.11％2.1.4

煤的分类和组成煤的成分的表示方法及其组成的相互关系

2.1.4

煤的分类和组成常用四种基准表示煤的成分：

Car+Har+Oar+Sar+Aar+War=100%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Cad+Had+Oad+Sad+Aad+Wad=100%Cd+Hd+Od+Sd+Ad=100%Cdaf+Hdaf+Odaf+Sdaf=100%我国部分煤种的煤质分析结果

2.1.4煤的分类和组成我国部分煤种的煤质分析结果（续）2.1.5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％，此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。2.1.5其他燃料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非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题2.1.6燃料组成的表示方法:CxHySzOwNvSample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/molC77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

2.2燃料燃烧过程2.2.1影响燃烧过程的主要因素2.2.2燃料燃烧的理论空气量2.2.3燃烧过程中产生的污染物2.2.4热化学关系式2.2.1影响燃烧过程的主要因素燃烧：是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。完全燃烧的产物：CO2、水蒸汽；不完全燃烧：产生黑烟、CO和其它部分氧化产物等。若燃料中含S、N会生成SO2和NO，燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。FuelNOx(燃料型NOx)：燃料中的NNOx生成量

ThermalNOx(热型NOx)：高温时空气中的N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）：燃料与氧充分混合典型燃料的着火温度：2.2.2燃料燃烧的理论空气量理论空气量：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燃料的化学方程式为CxHySzOw上节内容回顾1、煤的工业分析包括测定煤中___、___、___、___、___和___。媒的元素分析呢？2、影响燃烧过程的主要因素有___、___、___和___。3、媒的成分表示方法有哪些？分别简述之。4、褐煤是最低品味的媒。（）5、若有一燃料的表达式为CxHySzOw试写出燃烧方程式。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/kg2.2.2燃料燃烧的理论空气量例：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：例：假定媒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%。试计算这种媒燃烧时的理论空气量。解：组成可表示为：CH0.809N0.013S0.013O0.057化学成分w/%单位质量摩尔组成/(mol*(100g媒)-1)摩尔分数/[mol*mol-1(C)]C77.277.2/12=6.436.43/6.43=1H5.25.2/1=5.25.2/6.43=0.809N1.21.2/14=0.08570.0857/6.43=0.013S2.62.6/32=0.08120.0812/6.43=0.013O5.95.9/16=0.3690.369/6.43=0.057灰分7.9--燃料的摩尔质量为：

100g/6.43mol=15.55g/mol(C)燃烧方程式为：CH0.809N0.013S0.013O0.057+a(O2+3.78N2)©----CO2+0.404H2O+0.013SO2+(3.78a+0.0065)N2其中：a=1+0.809/4+0.013-0.057/2=1.19Va0=1.19*(1+3.78)mol*22.4L*10-3/(15.55*10-3)=8.19m3/kg（燃料）空燃比：单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例：汽油（～C8H18）的完全燃烧：汽油的质量：12×8+1.008×18=114.14空气的质量：32

×12.5+28×3.78×12.5=1723空燃比AF=15.10课堂巩固练习1、实际空气量与理论空气量之比定义为____。2、单位质量的燃料按反应方程完全燃烧所需要的空气量称为____。3、单位质量燃料完全燃烧所需的空气质量称为（）。a.理论空气量b.实际空气量c.空气过剩系数d.空燃比4、燃料燃烧产物中的水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量称为（）。a.高位发热量b.低位发热量c.燃料的发热量d.汽化潜热1.空气过剩系数2.理论空气量；3.d4.b2.2.3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燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：防治大气污染最有力的措施是有效地利用燃料资源，所有的节能措施几乎都会降低大气污染物的排放量。2.2.4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的热量变化（kJ/kgorkcal/kg；（固体）KJ/m3(气体)）高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，qH低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量，qL上节内容回顾1、实际空气量与理论空气量之比定义为____。2、单位质量的燃料按反应方程完全燃烧所需要的空气量称为____。3、单位质量燃料完全燃烧所需的空气质量称为（）。a.理论空气量b.实际空气量c.空气过剩系数d.空燃比4、燃料燃烧产物中的水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量称为（）。a.高位发热量b.低位发热量c.燃料的发热量d.汽化潜热2.3烟气体积及污染物排放量计算2.3.1烟气体积计算理论烟气量烟气体积和密度的校正过剩空气校正2.3.2污染物排放量计算2.3.1烟气体积计算（1）理论烟气量理论烟气体积：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，烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气。干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。理论空气量Vfg0=V干烟气+V水蒸气V理论水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中+V理论空气量带入的（2）实际烟气体积Vfg

（3）烟气体积和密度的校正(4)过剩空气较正(4)过剩空气较正考虑过剩空气校正后，实际烟气体积：Vfg=Vfg0+Va（α-1）燃烧可能释放的污染物有哪些？____、____和____对燃烧产物的浓度和组成产生影响。防治大气污染最有力的措施是_

___。高位发热量比低位发热量大。（）什么是理论烟气量？如何进行烟气体积校正？过剩进行空气校正？参考答案：CO2、CO、SOx、Nox、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等；温度、燃料种类、燃烧方式；有效地利用燃料资源；对；；实际烟气体积：Vfg=Vfg0+Va（α-1）上节内容回顾2.4燃烧过程中硫氧化物的形成2.4.1燃料中硫的氧化机理（一）硫的氧化（二）H2S的氧化（三）CS2和COS的氧化（四）元素硫的氧化（五）有机硫化物的氧化2.4.2SO2和SO3之间的转化（一）S的氧化有机硫的分解温度较低（氧化条件SO2\SO3、还原条件）无机硫的分解速度较慢（还原气氛、温度<800K:FeS、S2、COS；更高温度才能氧化…..）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（二）H2S的氧化（三）CS2和COS的氧化（四）元素硫的氧化（五）有机硫化物的氧化2.4.1燃料中硫的氧化机理2.4.2SO2和SO3之间的转化反应方程式SO2+O+MSO3+M（1）SO3+OSO2+O2

（2）SO3+HSO2+OH（3）SO3+MSO2+O+M（4）

在炽热反应区

，[O]

浓度很高，反应（1）和（2）起支配作用

SO3生成速率

当d[SO3]/dt=0时，SO3浓度达到最大:为SO2的0.1%~5%

燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4转化率与温度密切相关H2SO4浓度越高，酸露点越高设备的运行温度要大于露点温度，而运行的温度越高，处理烟气的体积越大2.5燃烧过程中颗粒污染物的形成2.5.1碳粒子的生成（一）积炭的生成（二）石油焦和煤胞的生成2.5.2燃煤烟尘的形成（一）煤粉燃烧过程（二）影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素（一）积炭的生成经验分子式C8H。生成的三个阶段：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凝团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素（碳氢比、支链）积炭的生成与火焰的结构有关（压力越低则积炭的生成趋势越小提高氧气量可以防止积炭生成2.5.1碳粒子的生成（二）石油焦和煤胞的生成燃料油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圆体沥青沥青焦焦炭