燃烧与大气污染

燃烧与大气污染第一页，共六十页，2022年，8月28日

主要的大气污染物：烟尘、NOx和SO2源于燃料燃烧燃料燃烧过程的基本原理；空气量、烟气量、污染物排放量等的计算污染物的生成机理；如何控制燃烧过程，以便减少污染物的排放量。本章主要内容第二页，共六十页，2022年，8月28日一、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

燃料是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。第一节燃料第三页，共六十页，2022年，8月28日（一）固体燃料—煤煤是最重要的固体燃料。它是由地质时代植物遗体堆积在大陆湖盆、沼泽盆地、封闭海湾等地方，经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的固体可燃矿产。根据煤化程度的不同，可分为褐煤、烟煤和无烟煤等。1、煤的基本分类第四页，共六十页，2022年，8月28日煤的种类和性质煤的种类主要性质褐煤形成年代最短，呈黑色、褐色或泥土色，结构类似木材，挥发分较高，析出温度较低，干燥后无灰的褐煤中碳的含量为60%-75%，氧含量为20%-25%，褐煤的水分和灰分含量都较高，燃烧热值较低，不能用于制焦碳，易于破裂。烟煤形成历史较褐煤更长，呈黑色，外形有可见条纹，挥发分含量为20%-45%，碳含量为75%-90%。烟煤的成焦性较强，且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，适于工业上的一般应用。无烟煤煤化时间最长，具有明亮的黑色光泽，机械强度高。碳的含量一般高于93%，无机物含量一般低于10%，着火困难，储存时不稳定，不易自燃，成焦性极差。第五页，共六十页，2022年，8月28日煤中硫的分类煤中硫的分类存在形态及主要性质硫化铁硫主要代表为黄铁矿硫，是煤中主要的含硫成分。黄铁矿比矸石和煤重得多；本身虽无磁性但在磁场感应下能转变为磁性物质；和煤碳相比有不同的微波效应，吸收微波能力较强，据此可采用不同的物理和化学方法，把黄铁矿从煤中脱除。有机硫原生有机硫来源于形成煤的植物蛋白质的原生质，一般蛋白质含硫量为5%，以各种不同形式的含硫杂环存在有机硫主要以噻吩、芳香基硫化物、环硫化物、脂肪族硫化物、二硫化物、硫醇等各种官能团形式存在，且与煤中有机硫构成复杂分子，不宜用一般重力分选的方法除去，需用化学方法进行脱硫。次生有机硫是由一种松懈的键与煤中有机物构成的有机联系。在煤中分布不均匀，主要局限于黄铁矿包裹体的周围。硫酸盐硫主要以钙、铁和锰的硫酸盐形式存在，以石膏为主，也有少量绿矾（FeSO4.7H2O），在煤中含量较少。第六页，共六十页，2022年，8月28日天然液体燃料—石油（原油）人工液体燃料—石油加工后的产品，包括汽油、煤油、柴油、重油等（二）液体燃料属于较清洁燃料，热值高且稳定，燃烧产生的污染物较少（三）气体燃料是防止大气污染最理想的燃料，燃烧效率高，产生的污染物很少。主要有天然气、液化石油气、裂化石油气、煤气、高炉煤气等第七页，共六十页，2022年，8月28日非常规燃料城市固体废弃物；商业和工业固体废弃物；农业废物及农村废物；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；天然存在的含碳的和含量碳氢的资源；合成燃料第八页，共六十页，2022年，8月28日煤的组成及分析方法项目煤矿的组成分析测定方法工业分析水分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318K-323K温度下干燥8h，取出冷却，干燥后所失去的水分质量，占煤样原质量的百分数就是煤矿的外部水分。内部水分将失去外部水分的煤样继续在375K-380K下干燥约2H，所失去水分质量占原来质量的百分数即为内部水分。灰分煤矿中不可燃矿物质的总称，其含量和组成因煤种及粗加工的不同而异。挥发分系煤矿干馏时所释放出的气态可燃物质，将风干的煤样在1200K的炉中加热7分钟而测定。固定碳从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分就是固定碳。元素分析碳和氢是通过燃烧后分析尾气中二氧化碳和水分的生成量而测定。氮在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。硫将样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物上加热，使硫化物转变为硫酸盐，再以重量法测定硫酸钡沉淀而测得。二、燃料的成分分析第九页，共六十页，2022年，8月28日二、燃料的发热量指单位燃料完全燃烧后产生的热量，单位为kJ/kg（固体、液体燃料）或kJ/m3（气体燃料）。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。一般燃烧设备利用的热量是低位发热量WH,WW：燃料中氢和水分的质量百分数第十页，共六十页，2022年，8月28日第二节燃料的燃烧一、燃烧过程燃烧是指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成为相应的氧化物。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NOx空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx第十一页，共六十页，2022年，8月28日二、燃烧的基本条件温度条件（Temperature）：燃料只有达到着火温度才能与氧化合燃烧。着火温度是在氧存在下可燃物质开始燃烧所必须达到的最低温度。着火温度：固体<液体<气体

温度不仅影响燃烧速率，还影响产物的成分和数量。空气条件：需要充足的空气；如果空气供应不足，燃烧就不完全。但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失第十二页，共六十页，2022年，8月28日典型锅炉热损失与过剩空气量的关系第十三页，共六十页，2022年，8月28日时间条件（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）：混合条件即燃料与空气的混合程度，一般取决于空气的湍流度。若混合不充分，部分燃料在富燃条件下燃烧，将导致不完全燃烧产物的产生。对于固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层，从而提高表面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”第十四页，共六十页，2022年，8月28日三、燃料燃烧的理论空气量建立燃烧方程式的假定：空气组成21%O2和79%N2，体积比为：N2/O2=3.762参加反应的元素为C、H、S、O。燃料中固定氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为SO2热力型NOX生成量小，燃料中含N量也较低，均可忽略。燃料化学式为CxHySzOw，计算中气体按理想气体计算（一）理论空气量

单位量燃料按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需空气量称为理论空气量，是燃料完全燃烧时所需的最小空气量。由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。

第十五页，共六十页，2022年，8月28日燃烧方程式：3.763.76理论空气量的计算式对气体燃料，按化学组分—气体燃料燃烧理论空气量，m3/（m3干燃气）—i成分的体积分数第十六页，共六十页，2022年，8月28日对气体燃料，按元素组成计算—固、液体燃烧的理论空气量，m3/（kg燃料）Wc,y等—燃料中碳等的质量分数（二）实际空气量为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。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α，即第十七页，共六十页，2022年，8月28日（三）空燃比（AF）

指单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可由燃烧方程式直接得到。例如甲烷在理论空气量下的完全燃烧：CH4+2O2+7.52N2→CO2+2H2O+7.52N2其空燃比为第十八页，共六十页，2022年，8月28日例：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：首先确定煤的摩尔组成。设有1000g煤。g/1000g(煤)mol/1000g(煤)需氧量mol/1000g(煤)C772÷12＝64.364.3H52÷1＝5213N12÷14＝0.8570S26÷32＝0.8120.812O59÷16＝3.69-1.845灰分790第十九页，共六十页，2022年，8月28日a=x+y/4+z-w/2=64.3+13+0.812-1.845=76.27mol1kg煤需要的理论氧气量a为：按式（2-2）计算，则有：=8.881×0.772+3.329×0.026+26.457×0.052-3.333×0.059＝6.856+0.087+1.376-0.197＝8.12m3/kg第二十页，共六十页，2022年，8月28日四、燃烧产生的污染物

燃料燃烧过程并不那么简单，还有分解和其他的氧化、聚合过程。燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体（主要是N2）等组成。燃烧可能释放出的污染物有：CO2、CO、SOx、NOx、炭黑、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物等。这些都是有害物质，它们的形成与燃烧条件有关。第二十一页，共六十页，2022年，8月28日燃烧产物与温度的关系：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第二十二页，共六十页，2022年，8月28日燃烧设备的热损失排烟热损失：烟温升高12~15K，排烟热损失增加1%。但烟温过低会造成受热面的酸腐蚀。不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。散热损失：由于设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。第二十三页，共六十页，2022年，8月28日第三节燃烧过程污染物排放量计算

一、烟气量计算（一）理论烟气量在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积。烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气，通常分为干烟气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽）。1、气体燃料的理论烟气量

理论干烟气量理论湿烟气量：见p28式（2-5）m3/m3干燃气第二十四页，共六十页，2022年，8月28日2、固体和液体燃料

理论干烟气量m3/kg燃料理论湿烟气量：见p28式（2-7）（二）实际烟气量的计算

实际烟气量＝理论烟气量＋过剩空气量

Vf=Vf0+(α-1)Va0第二十五页，共六十页，2022年，8月28日二、污染物排放量计算

通过测定烟气中污染物的浓度，根据实际排烟量，很容易计算污染物的排放量。但在很多情况下，需要根据同类燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状态，预测烟气量和污染物浓度。

第二十六页，共六十页，2022年，8月28日组分质量/g摩尔数/mol需氧量/mol产生烟气量/molC85571.2571.2571.25（CO2）H11311328.2556.5（H2O）N20.1400.07（N2）S100.31250.31250.313（SO2）O201.25-0.625——练习

重油的成分分析如下：C：85.5%；H：11.3%；O：2.0%；S：1.0%；N：0.2%；计算：⑴理论空气量和理论烟气时；⑵干烟气中的SO2及CO2最大浓度；⑶在空气过剩10%条件下完全燃烧，产生的烟气量。

解：按燃烧1kg重油计算第二十七页，共六十页，2022年，8月28日a=71.25+28.25+0.313-0.625=99.19mol干烟气量为（501.1-56.5）＝444.6mol/kg重油＝9.96m3/kg重油（1）1kg重油需要的理论氧气量a为：理论空气量为4.76×99.19=472.1mol/kg煤＝10.58m3/kg重油第二十八页，共六十页，2022年，8月28日过剩空气量为10.58×0.1=1.058m3/kg重油实际烟气量=理论烟气量+过剩空气量=11.22+1.058=12.28m3/重油（3）在10%过剩空气中燃烧：（2）干烟气中SO2浓度（体积比）：0.313/(444.6)=0.07%CO2浓度（体积比）：71.25/(444.6)=16.0%第二十九页，共六十页，2022年，8月28日第四节燃烧过程中污染物的生成与控制

一、燃烧过程中硫氧化物的生成与控制1.单体硫的氧化2.硫化物的氧化3.有机硫化物的氧化上述可燃性硫在燃烧时主要生成SO2。只有1%至5%生成SO34.硫酸盐硫不参与燃烧反应（一）硫氧化物的氧化机理

第三十页，共六十页，2022年，8月28日控制燃烧产生的硫氧化物主要通过以下三个途径:

燃烧前脱硫燃烧中脱硫燃烧后烟气脱硫（二）硫氧化物的控制

第三十一页，共六十页，2022年，8月28日1、燃料脱硫燃烧前脱硫即对燃料进行脱硫，因此亦称之为燃料脱硫。燃料在燃烧前脱硫，可以降低燃烧器改进、烟气脱硫费用，减少设备腐蚀及灰渣处理量，还可回收部分硫资源。1）煤炭脱硫固型加工物理选煤：利用黄铁矿硫和煤的密度不同而通过重力分选和水选将黄铁矿硫和部分矿物质除去。这样可使煤的含硫量降低40%，灰份降低70%左右。化学选煤技术：加氢脱硫、加氧脱硫、用碱液浸煤后用微波照射等。微生物方法：细菌脱硫第三十二页，共六十页，2022年，8月28日煤炭的转化煤炭转化煤液化一定温度和压力下，通过加入气化剂将煤转化为煤气将煤转化为液体燃料煤气化煤的气化—采用空气、氧气和水蒸气作为气化剂，在气化炉内反应生成不同组分不同热值的煤气（H2、CO、CH4）。S主要以H2S形式进入煤气，以湿法或干法脱除。煤的液化—通过化学加工（如直接催化加氢、热解）转化为液态烃燃料（如汽油、柴油等）或化工原料等。煤可用各种方法加氢使之液化，并使有机硫转化为硫化氢，从而得到几乎不含灰分和硫化物的清洁燃料。

第三十三页，共六十页，2022年，8月28日2）重油脱硫在催化剂（Mo-Co、Mo-Ni、W-Ni等）作用下通过高压加氢反应，切断碳与硫的化学键，使氢与硫作用形成H2S从重油中分离，并将其用吸收法除去。如RSR+2H2=2RH+H2S第三十四页，共六十页，2022年，8月28日2、燃烧过程脱硫（1）型煤技术型煤固硫的基本原理：将脱硫剂CaO和煤粉末混合，加上粘结剂（如沥青、无硫纸浆黑液等）、催化剂，然后加压成型。型煤燃烧时产生的SO2气体遇到脱硫剂中的CaO就会发生脱硫反应。型煤燃烧时，可固硫50%，减少烟尘60%，并节煤10~15%。在我国，采用燃烧过程脱硫的技术主要有两种——型煤固硫和流化燃烧脱硫技术第三十五页，共六十页，2022年，8月28日ⅰ概述固体的流态化——把粒径8mm以下的碎煤和脱硫剂加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层处于流化状态。流化床燃烧过程中脱硫：采用石灰石和白云石作为脱硫剂。在燃烧过程中脱硫剂分解为石灰CaO，在氧化性气氛下CaO与烟气中的SO2和氧反应生成CaSO4。将燃烧产生的SO2在离开燃烧器之前被脱除，是比较有效的脱硫方法。当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。（2）流化床燃烧脱硫技术

第三十六页，共六十页，2022年，8月28日流化床燃烧脱硫第三十七页，共六十页，2022年，8月28日ⅱ流化床脱硫的化学过程脱硫剂：石灰石（CaCO3）、白云石（CaCO3•MgCO3）炉内化学反应流化床燃烧方式为脱硫提供了理想的环境CaSO4的摩尔体积大于CaCO3，由于孔隙堵塞，CaO不可能完全转化为CaSO4第三十八页，共六十页，2022年，8月28日流化床燃烧脱硫第三十九页，共六十页，2022年，8月28日ⅲ流化床燃烧脱硫的影响因素①钙硫比表示脱硫剂用量的指标，影响最大的性能参数Ca/S比（R）对脱硫率（）的影响可用下式近似表达②煅烧温度存在最佳脱硫温度范围（一般为800~850℃）温度低时，孔隙量少、孔径小，反应被限制在颗粒外表面温度过高，CaCO3的烧结作用变得严重第四十页，共六十页，2022年，8月28日钙硫比及温度的影响流化床脱硫效率与钙硫摩尔比和床温的关系第四十一页，共六十页，2022年，8月28日温度的影响a流化床脱硫效率与钙硫摩尔比和床温的关系b脱硫效率与流化速度的关系第四十二页，共六十页，2022年，8月28日③脱硫剂的颗粒尺寸和孔隙结构颗粒尺寸小于临界尺寸时脱硫剂发生扬析，脱硫率仍是增加的，但综合考虑，颗粒尺寸并非越小越好颗粒孔隙结构应有适当的孔径大小，既保证一定孔隙容积，又保证孔道不易堵塞④脱硫剂的种类白云石的孔径分布和低温煅烧性能好，但易发生爆裂扬析，且用量大于石灰石近两倍当气流通过颗粒层时，一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走，这一过程称为扬析。第四十三页，共六十页，2022年，8月28日二、燃烧过程中氮氧化物的生成与控制（一）燃烧过程中氮氧化物生成的影响因素1、燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx研究表明，燃料中20%~80%的氮转化为NOx，该机理是较低温度下常见的氮氧化物生成机制2、热力型NOx高温下N2与O2反应生成的NOx低于1273K热力型NOX生成量很小，高于1373K上是生成NOX的主要时机。温度对热力型NOX的生成具有决定作用。第四十四页，共六十页，2022年，8月28日3、瞬时型NOx低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx碳氢化合物燃烧时，分解成CH、CH2和C2等基团，与N2发生如下反应继而与火焰中的O、OH基团反应生成NOx。瞬时型NOx主要产生于HC含量较高，氧浓度较低的富燃料区。多发生在内燃机的燃烧过程中。第四十五页，共六十页，2022年，8月28日第四十六页，共六十页，2022年，8月28日（二）燃烧过程中氮氧化物生成的控制技术控制NOx形成的因素空气－燃料比燃烧区温度及其分布后燃烧区的冷却程度燃烧器形状第四十七页，共六十页，2022年，8月28日1、低氧燃烧降低NOx的同时提高锅炉热效率但造成CO、HC、碳黑产生量增加第四十八页，共六十页，2022年，8月28日2、降低助燃空气预热温度燃烧空气由27oC预热到315oC，NO排放量增加3倍第四十九页，共六十页，2022年，8月28日3、排烟再循环法将部分低温烟气与空气混合，使火焰温度及O2浓度降低，使NOx的生成受限。对热力型NOx的降低有明显效果。适用于含N量少的燃料。第五十页，共六十页，2022年，8月28日4、两段燃烧法该法是燃烧过程中分两次供给空气第一段：供给的空气量约为Va0的85~90%。一级燃烧区温度降低，氧气量不足，NOx生成量很小。第二段：第二次供给的空气量约为Va0的10~15%。CO、HC完全燃烧，烟气温度低实验表明：第一段过剩空气系数越小，NOx的控制效果越好，但不完全燃烧产物增加。第二段主要完成未燃燃料和不完全燃烧产物的燃烧。第五十一页，共六十页，2022年，8月28日第五十二页，共六十页，2022年，8月28日三、燃烧过程中颗粒污染物的形成与控制（一）碳粒子的生成与控制（1）积炭的生成—三阶段理论：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。1、积炭的生成及控制53燃烧过程中生成一些主要成分为碳的粒子，通常由气相反应生成积炭，由液态烃燃料高温分解产生的粒子都是结焦或煤胞第五十三页，共六十页，2022年，8月28日（2）积炭的影响因素及控制：取决于核化步骤和氧化这些中间体的反应速率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；压力越低则积炭的生成趋势越小；积炭的生成与火焰的结构以及碳氢比的综合作用有关。第五十四页，共六十页，2022年，8月28日（1）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（石油焦—比积碳更硬的物质）；油滴蒸发后残留的焦粒—煤胞，难以燃烧，其大小与油滴直径相关；（2）控制控制壁面温度可减少