洁净燃烧技术

2干净燃烧技术本章主要内容：燃料的分类及化学组成；燃料的燃烧过程及影响因素：燃烧及产物、完全燃烧的条件、发热量与热损失；燃烧设备；燃烧产生的污染物及机制；清洁燃烧技术;燃烧过程污染物排放量的计算。大气污染限制技术12干净燃烧技术课堂探讨你所熟悉的燃料有哪些？你所熟悉的燃烧设备有哪些？大气污染限制技术22干净燃烧技术2.1燃料的燃烧过程2.1.1燃料的种类与性质燃料指燃烧过程中能放出热量且经济上可行的物质。按来源：自然、加工燃料；按物态：固体、液体和气体燃料；按运用多少：常规和特殊规燃料；（1）固体燃料分为自然固体燃料、人工固体燃料和固体可燃废物。自然固体燃料：矿物燃料(煤)、生物质燃料(林木)。大气污染限制技术32干净燃烧技术煤的主要组成和元素：C、H、O、N、S及一些非可燃性矿物如灰分和水分等。碳是煤发热主要来源，32700kJ/kg碳。煤含氢3%～6%，结合氢和氧结合成稳定化合物不能燃烧(如:H2O)，可燃氢与碳、硫结合成有机物。灰分是煤中的碳酸盐、黏土及微量稀土元素。煤中的硫分有无机硫（硫铁矿和硫酸盐）和有机硫（硫醇、硫醚等）两种形态。分为低硫煤（<1.5%）、中硫煤（<1.5%～2.4%）、高硫煤（<2.4%～4%）和富硫煤（>4%）。大气污染限制技术42干净燃烧技术（2）液体燃料包括石油及石油制品、煤炭加工制取的燃料油和生物液体燃料自然液体燃料主要指石油石油加工→液体燃料汽油、煤油、柴油和重油（石油直馏和裂化作用）等。大气污染限制技术52干净燃烧技术煤炭加工制取的燃料油主要是煤焦油和煤液化油水煤浆(70%煤、30%水及少量化学添加剂)。浆体燃料，像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧。优点：燃烧效率高、削减环境污染等。大气污染限制技术62干净燃烧技术燃料乙醇是替代能源，解决玉米等陈化粮问题。乙醇几乎完全燃烧，不产生对人体有害物质，降低汽车尾气有害物排放。生物柴油：利用动植物油脂、酸化油、地沟油、泔水油、化工厂油脚、皂角等为原料、经反应改性为可供内燃机运用的一种液体燃料。大气污染限制技术72干净燃烧技术（3）气体燃料气体燃料属于清洁燃料，主要包括自然气、液化石油气(LPG)、裂化石油气和焦炉煤气。自然气主要成分→甲烷，其次乙烷等饱和烃，有少量CO2、N2、O2、H2S和CO等。液化石油气主要成分→C2、C3和C4组分，输送和贮存时液体状态，燃烧是气体状态，广泛用于居民生活和汽车等燃料。裂化石油气是用水蒸气、空气或氧气等作气化剂，将石油和重油等油类裂化而得，一般作民用燃料。焦炉煤气炼焦生产副产物，主要成分→H2、CH4和CO，少量N2、CO2，广泛用作工业和民用燃料。大气污染限制技术82干净燃烧技术特殊规燃料城市固体废弃物商业和工业固体废弃物农产品及农村废物污水处理厂废物可燃性工业和采矿废物自然存在的含碳和含碳氢的资源合成燃料大气污染限制技术92干净燃烧技术2.1.2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（C和H完全转化）和不完全燃烧。影响燃烧过程的主要因素（完全燃烧条件）

：①

足够量的空气；②足够高的的燃料温度；③燃料与氧气在炉膛高温区停留足够的时间；④燃料与氧气的充分混合。大气污染物排放量最低,实现有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度(temperature)、时间(time)和湍流(torrent)，后三者通常称为燃烧过程的“三T”。大气污染限制技术102干净燃烧技术（1）燃料燃烧过程须要的空气量和空气过剩系数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（C和H完全转化）和不完全燃烧。按燃烧不同阶段供应相适应的空气量。多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO等。若燃料中含S、N会生成SO2和NOx。燃烧产生污染物：硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、烟尘、金属氧化物、CH及多环有机物。大气污染限制技术112干净燃烧技术①理论空气量将完全燃烧1kg或1m3(标准状态)燃料理论所需的空气量称为理论空气量，用符号A0表示。（例题见书P13例2-1）②空气过剩系数（α）实际的燃料燃烧过程中，为了使燃料能够完全燃烧，必需供应过量的空气。超出理论空气量的空气称为过剩空气。空气过剩系数：实际供应的空气量与理论空气量比值。③空燃比（AF）指单位质量燃料燃烧所须要空气的质量。可由燃挠方程干脆求得。大气污染限制技术122干净燃烧技术（2）燃料的着火温度只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。着火温度：在氧存在下可燃质起先燃烧必需达到的最低温度。见教材15页表2-3。反应速度随温度上升而加快，T↑——t↓。（3）燃烧的时间与空间因素时间因素是指燃料在燃烧炉中停留时间的长短。空间因素是指燃烧室的大小与形态。（4）燃料与空气的混合混合程度取决于空气湍流度。燃料不同，湍流作用不同。对于蒸气相的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发；对于固体燃料的燃烧，湍流有助于提高额粒表面反应氧气的传质速度，使燃烧过程加速大气污染限制技术132干净燃烧技术2.1.3发热量与热损失（1）发热量单位质量燃料完全燃烧产生的热量，在燃烧前后状态相同状况下(通常指298K和101325Pa)的热量变更值，称为燃料的发热量，单位是kJ／kg，或KJ／m3。（2）热损失①排烟热损失排烟带走部分热量，一般锅炉排烟热损失为6%～12%。削减措施：尽量削减排烟量；降低排烟温度，一般工业锅炉排烟温度取433～473K，大中型锅炉取383～453K。②不完全燃烧热损失化学不完全燃烧热损失：烟气中残留的CO及少量的H2、CH4等可燃气体。机械不完全燃烧热损失：灰渣未燃尽碳、漏煤和飞灰带走碳产生的热损失。大气污染限制技术142干净燃烧技术2.1.4固体燃料的燃烧过程和设备固体燃料的燃烧主要指煤或焦炭的燃烧。煤的燃烧过程概括起来至少有四个主要过程：①气相中的氧分子扩散到煤粒子的表面；②煤中挥发分的扩散；③进行化学反应；④反应产物转移到气流中。煤的燃烧方式分为层燃、室燃和流态化燃烧。燃烧设备：大致可以分为炉排炉、煤粉炉、旋风燃烧炉和流化床锅炉。各种炉排炉接受层燃方式；煤粉炉和旋风燃烧炉则接受室燃方式；沸腾炉和循环流化床锅炉均属于流态化燃烧方式。大气污染限制技术152干净燃烧技术大气污染限制技术162干净燃烧技术链条炉示意图（见P15）大气污染限制技术172干净燃烧技术振动炉排炉示意图（见P15-16）大气污染限制技术182干净燃烧技术

抛煤机炉排炉示意图（见P16）

大气污染限制技术192干净燃烧技术圆柱形煤粉燃烧炉（见P16）

大气污染限制技术202干净燃烧技术旋风燃烧炉示意图（见P17）

大气污染限制技术212干净燃烧技术典型的流化床锅炉示意图（见P17）1.原煤仓；2.石灰石仓；3.二次风；4.一次风;5.燃烧室;6.旋风分别器;7.外置流化床热交换器;8.限制阀;9.对流竖井;10.除尘器;11.引风机;12.汽轮发电机;13.烟囱大气污染限制技术222干净燃烧技术2.1.5气体燃料的燃烧过程和设备气体燃料燃烧分三个阶段：气体燃料与空气的混合阶段；混合后可燃气的加热和着火阶段；可燃气体燃烧反应阶段。第一阶段是一个物理过程，混合过程不仅须要确定的时间，而且还要消耗确定的能量。依据气体与空气混合状况的不同，可将气体燃料的燃烧过程分为有焰燃烧、无焰燃烧和半无焰燃烧三种过程。大气污染限制技术232干净燃烧技术(1)有焰燃烧有焰燃烧是指气体燃料和空气在燃烧器中不预先混合，而是送入燃烧室进行边混合边燃烧，可见明显的火焰。(2)无焰燃烧指气体燃料和空气在进入燃烧室前就已混合匀整，又称混合燃烧。(3)半无焰燃烧半无焰燃烧是将燃烧所须要的空气分两部分与气体燃料相互混合燃烧，一部分空气(一次空气）在预热室内与气体燃料混合；另一部分空气(二次空气)借助于混合后可燃气的喷射作用，携入燃烧室进行边混合边燃烧。气体燃烧无一例外均为室燃烧；不同类型燃烧装置差别：燃烧室结构、喷嘴结构、空气和燃料供应装置、点火装置及平安装置等方面。大气污染限制技术242干净燃烧技术半无焰燃烧示意图大气污染限制技术252干净燃烧技术2.1.6液体燃料的燃烧过程和装置液体燃料的燃烧过程：燃料的雾化、油雾粒子中可燃物的蒸发和扩散、可燃气体与空气的混合以及可燃气体氧化燃烧等。液体燃料燃烧也只能进行室燃烧。燃料油、水蒸气雾化剂和空气的供应方式大气污染限制技术262干净燃烧技术2.2燃烧过程中主要污染物的形成机制2.2.1硫氧化物的形成机制硫氧化物是指SO2和SO3。当燃料中的可燃性硫进行燃烧时，就生成了SO2。元素硫燃烧S+O2=SO2硫化物硫燃烧SO2+1/2O2=SO34FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2SO2+1/2O2=SO3（1%～5%）有机硫CH3CH2SCH2CH3→H2S+2H2+2C+C2H4H2S+3O2=2SO2+2H2OSO2+1/2O2=SO3一般主要生成SO2，SO3可忽视。大气污染限制技术272干净燃烧技术2.2.2氮氧化物的形成机制大气中的NOx90%以上产生于燃烧过程。（1）热力型NOx热力型NOx是高温燃烧时N2和O2反应生成的NOx；与燃烧温度、氧气的浓度及气体在高温区的停留时间有关。燃烧温度低于1300℃时，只有少量NO生成，燃烧温度高于1500℃时，NO的生成量显著增加。N2+O2=2NO2NO+O2=2NO2削减热力型NOx的生成量措施：降低燃烧温度，削减过量空气，缩短气体在高温区停留的时间。大气污染限制技术282干净燃烧技术（2）燃料型NOx燃料型NOx燃料中有机氮经过化学反应生成的NOx。燃料型NOx的发朝气制：一般认为，燃料中的氮化合物首先发生热分解形成中间产物，然后再经氧化生成NO。燃料中的氮经过燃烧约有20%～70%转化成燃料型NOx，主要是NO，在一般锅炉烟道气中只有不到10%的NO氧化成NO2。旋风燃烧炉因炉温高，使燃料中的氮大部分转化为NOx，热力型NOx生成量也增加，限制了运用。大气污染限制技术292干净燃烧技术2.2.3颗粒污染物的形成机制燃烧不完全形成的炭黑、结构困难的有机物、烟尘和飞灰等。（1）燃煤粉尘的形成煤在特殊志向的燃烧条件下，可以完全燃烧，即挥发分和固定炭都被氧化成二氧化碳，余下灰分。燃烧条件不够志向，在高温时会发生热解作用，形成多环化合物而产生黑烟。随烟气排出的固体颗粒物一般称为飞灰，包括未燃尽的煤粒、燃尽余下的灰粒及燃烧形成的炭黑等。（2）气、液燃料燃烧形成的碳粒子气态燃料燃烧的颗粒污染物为积碳，液态燃料高温分解形成颗粒污染物为结焦和煤胞。大气污染限制技术302干净燃烧技术2.3煤脱硫技术和低NOx生成燃烧技术燃煤脱硫技术可划分为：(1)燃烧前脱硫原煤在投入运用前，用物理、物理化学、化学及微生物等方法，将煤中的硫分脱除掉。炉前脱硫能除去灰分，减轻运输量，减轻锅炉的粘污和磨损，削减灰渣处理量，还可回收部分硫。煤的洗选技术、煤的转化。(2)燃烧中脱硫在燃烧过程中，在炉内加入固硫剂，使煤中硫分转化为硫酸盐，随炉渣解除。型煤固硫及流化床燃烧脱硫。(3)燃烧后脱硫烟气脱硫。大气污染限制技术312干净燃烧技术2.3.1煤脱硫技术(1)燃烧前脱硫■洗煤又称选煤，是通过物理或物理化学方法将煤中的含硫矿物和矸石等杂质去除，来提高煤的质量。是燃前除去煤中矿物质，降低硫含量的主要手段。■煤炭经洗选后，可使原煤中的含硫量降低40％一90％，含灰分降低50％一80％。■目前广泛接受的选煤工艺仍是重力洗选法。重力洗选：利用煤与杂质密度不同进行机械分别。硫的净化效率取决于煤中黄铁矿的颗粒大小及无机硫含量。有机硫含量大，或煤中黄铁矿嵌布很细时，仅用重力脱硫法，精煤硫分很难达到要求。大气污染限制技术322干净燃烧技术淘汰分选原理图大气污染限制技术332干净燃烧技术跳汰式洗煤机入洗粒度≤30mm；筛板槽框宽18mm；跳汰面积：3.6m2；水压：0.8-1公斤/平方厘米；用水量150吨/小时大气污染限制技术342干净燃烧技术新的脱硫方法————浮选法：用于处理粒径小于0.5mm的煤粉，利用煤与矸石、含硫矿物的性质不同进行分别。高梯度磁分别法：利用煤与黄铁矿的磁性不同(黄铁矿是顺磁性物质，煤是反磁性物质)，将黄铁矿分别去除，脱硫效率约60％。化学氧化脱硫法：将煤裂开后与硫酸铁溶液混合，在反应器中加热至120℃左右，硫酸铁与黄铁矿反应生成硫酸亚铁和S，通人O2将硫酸亚铁氧化为硫酸铁。微波辐射法：煤中黄铁矿的硫最简洁吸取微波，有机硫次之，煤基质基本不吸取微波。微波吸取后减弱化学键，用浸取液洗涤煤中硫，可以去无机硫和有机硫，还没在工业上应用。大气污染限制技术352干净燃烧技术（２）燃中固硫技术①型煤固硫型煤：运用外力将粉煤挤压制成具有确定强度且块度匀整的固体型块。型煤固硫：选用不同煤种、无粘结剂法或用沥青等粘结剂，用廉价钙系固硫剂，经干馏成型或干脆压制成型。美国型煤加石灰固硫率达87%，烟尘削减60%；日本蒸汽机车用石灰使型煤固硫率70%~80%，脱硫费用仅为选煤的8%。大气污染限制技术362干净燃烧技术压球机民用蜂窝煤和煤球加石灰固硫率可达50%以上，工业锅炉型煤加石灰固硫意义重大。固硫剂：石灰粉及碱性工业废渣（电石渣）。成型设备：多接受单螺杆挤压成型机和对辊成型机。大气污染限制技术372干净燃烧技术蜂窝煤机大气污染限制技术382干净燃烧技术②流化床燃烧脱硫当气流速度达到使升力和煤粒的重力相当的临界速度时，煤粒将起先浮动。优点：炉内脱硝脱硫，普遍受到重视。原理：低温燃烧过程，炉内存在局部还原气氛，热型NOx基本上不产生，因而NOx生成量削减。常用的脱硫剂：石灰石或白云石。石灰石粉碎至与煤同样的粒度（2mm左右）与煤同时加入炉内。在1073—1173K下燃烧，CaO为多孔，达固硫目的。流化锅炉分为鼓泡流化床锅炉（FBC）和循环流化床锅炉（CFB）。大气污染限制技术392干净燃烧技术流化床燃烧特点：强化气固两相的热量和质量交换，有利于燃料燃烧。不仅适用于煤燃烧，还可以适用于热值小的燃料，如煤矸石、城市垃圾；延长燃料的停留时间；料层蓄热量大，新煤易着火燃烧；循环流化床炉内燃烧温度保持在900℃左右，有利于燃烧过程脱硫。石灰石在该温度下分解形成氧化钙，与二氧化硫和氧反应形成硫酸钙，而硫酸钙在这个温度下不简洁再次分解，比一般的其他锅炉1200℃有优势。工业运行阅历：炉内钙/硫摩尔比在1.8-2.5时，脱硫效率可达90%以上。大气污染限制技术402干净燃烧技术（3）煤炭的转化◆煤炭的转化主要是气化、液化，对煤进行脱硫或加氢变更其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。A.煤的气化煤的气化是以煤为原料，接受空气、氧气、CO2和水蒸气为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，可以产出不同组分、不同热值的煤气。煤的气化技术发展很快：第一代干式排灰气化；其次代液态排渣气化；第三代试验阶段的煤催化气化。原理：在氧气不足时，C与O2反应可以生成CO。若将炙热的煤与水蒸气反应，就生成中热值焦炉煤气，即所谓的水煤气。煤气化系统：由煤预处理、气化、清洗和优化组成。大气污染限制技术412干净燃烧技术煤气主要是H2、CO、CH4等，硫以H2S形式存在。生产出煤气中H2S含量几百到几千mg/m3。大型煤气厂先用湿法洗涤脱除大部分H2S，再用干法吸附和催化转化去除其余部分。小型煤气厂一般用氧化铁法脱除H2S。B.煤的液化煤的液化指在确定条件下使煤转化为有机液体燃料。干脆液化：对煤进行高温高压加氢干脆得到液体产品。间接液化：煤气化转化成合成气（CO+H2），再催化合成液体燃料。煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD，要求大规模水处理设施。大气污染限制技术422干净燃烧技术整体煤气化联合循环系统IGCC又称为煤气化联合循环工艺流程：煤进入有压力的气化炉中，与氧气和水蒸气反应产生粗煤气，除去粉尘和气态污染物后，送入燃气轮机发电。排出的高温烟气经余热锅炉产生蒸汽，供汽轮机发电。脱硫效率：97％一99％，NOx排放浓度低，对煤种的适应性也较广，同时得到副产品硫。大气污染限制技术432干净燃烧技术2.3.2低NOx生成燃烧技术（了解）过量空气系数越大，燃料中氮的转化率就越高，当过量空气系数小于0.7时，几乎没有燃料型NOx生成。限制燃料型NOx生成量的主要措施：NOx生成阶段接受富燃料燃烧(α＜1)，燃料氮在还原性气氛中尽可能多的转化为分子氮N2。发展了两段式燃烧、低过量空气系数和烟气再循环等。低NOx燃烧技术关键设备是新型燃烧器：降低燃烧区氧气的浓度，降低高温区的火焰温度或缩短可燃气在高温区的停留时间。大气污染限制技术442干净燃烧技术强化混合型低NOx燃烧器大气污染限制技术452干净燃烧技术分割火焰型低NOx燃烧器大气污染限制技术462干净燃烧技术部分烟气循环低NOx燃烧器大气污染限制技术472干净燃烧技术二段燃烧低NOx燃烧器示意图大气污染限制技术482干净燃烧技术2.4燃烧过程污染物排放量的计算2.4.1烟气体积的计算烟气：燃料燃烧生成的高温气体；排烟：热烟气经传热降温后再经烟道及烟囱排向大气，排出的烟气；湿烟气：通常在排烟中台有不饱和状态的水蒸气，排烟中的水蒸气是由燃料中的自由水、空气带入的水蒸气以及燃烧所生成的水蒸气所组成，用G0示；干烟气：不含水蒸气的烟气，用G0’；烟气的主要成分有CO2、N2、SO2等。理论烟气量：指在供应理论空气量(α＝1)的条件下，燃料完全燃烧时所产生的烟气量。理论烟气体积等于干烟气的体积和水蒸气体积之和。大气污染限制技术492干净燃烧技术（1）烟气的体积和密度换算(P29)燃烧过程的温度和压力一般是在高于标准状态。烟气体积和密度计算，换算成标准状态，便利比较。用志向气体有关方程进行换算。大气污染限制技术502干净燃烧技术大气污染限制技术512干净燃烧技术（2）实际烟气体积实际燃烧过程中空气有剩余，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体积之和。大气污染限制技术522干净燃烧技术大气污染限制技术532干净燃烧技术（3）燃煤设备污染物产生量和排故量的估算燃煤设备是指工业锅炉、茶浴炉和食堂大灶。①产污量和排污量的估算②燃煤工业锅炉污染物的产污和排污系数a.烟尘产污和排污系数燃煤锅炉的产污系数与燃煤中灰分含量、燃烧方式、锅炉负荷有关；排污系数除与上述因素有关外，还与锅炉配用的各种不同类型的除尘器有关。见教材表2-6、2-7、2-8、2-9。大气污染限制技术542干净燃烧技术b.二氧化硫产污和排污系数二氧化硫的产污系数主要取决于煤的含硫量、锅炉燃烧方式、煤在燃烧中硫的转化率；二氧化硫的排污系数与接受的脱硫措施的脱硫率有关(见表2-10和表2-11)。c.NOx、CO、CH化合物产污和排污系数工业锅炉燃煤产污和排污系数主要依据实测数据经统计计算而定；燃煤工业锅炉NOx、CO、CH等污染物的产污和排污系数见表2-12，产污、排污系数相等。大气污染限制技术552干净燃烧技术2.4.2工业生产废气和污染物排污量的估算工业生产废气和污