湖大大气污染控制工程课件03燃烧与大气污染

第三章燃烧与大气污染第一节

燃料燃烧与大气污染一、能源结构与大气污染

随着经济的发展和社会的进步，燃料的消耗也在逐年增加，能源的不合理利用是造成大气污染的主要原因。大气污染物中的主要成分是由燃料燃烧造成的，要控制大气污染，就要研究燃料燃烧与大气污染的关系，以制定相应的污染治理措施。2、能源结构与大气污染我国现阶段的能源结构以煤碳为主，决定了我国大气污染的特征。我国的大气环境污染仍以煤烟型为主，颗粒物是影响城市空气质量的主要污染物，其次是二氧化硫和二氧化氮。酸雨问题依然严重。城市的污染类型呈现煤烟型和汽车尾气型的复合污染。

(1)燃料①燃料及其分类：燃料指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。燃料的分类一般按物理状态分为固体燃料、液体燃料、气体燃料三类。燃料的分类及其主要形式燃料的分类主要存在形式固体燃料煤碳及其各种固体衍生制品、固体酒精、固体石蜡等。液体燃料汽油、柴油、煤油、酒精等。气体燃料天然气、煤气、丁烷等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、合成燃料等。煤的种类和性质煤矿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，储存时稳定，不易自燃，成焦性极差。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。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（CaSO4•

2H2O）为主，也有少量绿矾（FeSO4.7H2O），在煤中含量较少。B、石油概述：石油是直接从油井中开发出来的一种褐色或黑色的流动或半流动的粘稠性可燃性矿物油，含燃气、原油和一部分蜡质或固体和半固体沥青物质。石油组成的元素主要是C、H、O、S、N等五种，还含有微量V、Ni、Fe等金属元素。石油中有数千个碳氢化合物烃，如烷烃、环烷烃、芳香烃，除此之外，还有非烃类化合物。石油的分类

按烃类的比例不同分：原油中的烃类成分主要分为烷烃、环烷烃、芳香烃。根据烃类成分的不同，可分为的石蜡基石油、环烷基石油和中间基石油三类。石蜡基石油含烷烃较多；环烷基石油含环烷烃、芳香烃较多；中间基石油介于二者之间。石油经常压蒸馏或裂化等加工过程，可得到汽油、煤油、柴油、润滑油、固体石蜡和沥青等产品。目前我国已开采的原油以低硫石蜡基居多。大庆等地原油均属此类。石油中的硫分

硫的形态：大部分以有机硫的形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，原油中硫的含量变化范围很大，一般为0.7%-7%（质量）。在轻馏分中，硫以下列形态存在：硫化氢、硫醇（C2H5-S-H）、硫乙醇、一硫化物(R-S-R)、二硫化物(R-S-S-R)、环状硫化物（四氢噻吩、四氢梳杂茂）等。

硫分降低的方法：原油中的硫分约有80%-90%留于重馏分中，以复杂的环状结构存在。因为硫原子仅是庞大分子中的一小部分，因此当含硫3%-5%时，重馏分中的含硫化合物的量可能占到全部质量的一半以上。由于需要从燃料中去除的仅是硫原子，因此不能用物理方法分离硫化物来降低燃料油中的硫分。（1）催化加氢：采用高压下的催化加氢，以破坏C-S-S键，形成硫化氢气体，可以达到降低硫分的目的，但费用高昂。（2）重馏分与轻馏分混合：重馏分与一定比例的轻油相配合而成为重油，通常作为固定燃烧装置燃料。这样原料油中的硫分便大部分转入重油中。C、天然气

概述：天然气是蕴藏在地层中较轻的碳氢化合物可燃气体。它的成因和产生过程与石油一样，两者可能是同时生成的。

组成：天然气的组成成分多以甲烷为主，其次是乙烷、丙烷、丁烷及其它气态烃类。除此之外，还有氮、氢、二氧化碳、硫化氢等，有时还含有少量惰性气体如氦、氩等。

主要污染气体：天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃结产物为硫的氧化物，因此许多国家都规定了天然气中总硫含量和硫化氢含量的最大允许值。二、燃料的燃烧及污染物形成（一）燃料的燃烧过程

燃烧：指可燃混合物发生剧烈的化学反应而发热和发光的快速氧化过程，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。多数的化石燃料完全燃烧的产物是二氧化碳和水蒸汽。然而不完全燃烧过程将产生黑烟、一氧化碳和其它部分氧化产物等大气污染物。若燃料中含有硫和氮，则会生成二氧化硫和氮氧化物。1、气体燃料的燃烧

气体燃料以可燃成分为主，当与空气按一定比例混合后，接近火种便可燃烧起来。2、液体燃料的燃烧

这是一种清洁燃料，其表面存在燃料的挥发性气体（如汽油挥发气），在静止点火时，表面会出现火焰。因此，液体燃料在燃烧过程中，首先将液体燃料经过雾化器喷成雾状，使液体的表面积增加上千倍，以利于液体的挥发，当与空气按一定的比例混合接近火种时，即可燃烧。3、固体燃料的燃烧

固体燃料成分复杂，以煤炭燃烧为例，燃烧过程大致可分为下列四个阶段：（1）预热和干馏：燃料依靠炉膛内的热源加热到100℃以上，煤中的水分逐渐蒸发掉，同时煤的温度也逐渐上升。（2）析出挥发分和形成焦炭：煤析出水分后继续加热，便释放出挥发物，一般来讲，煤的炭化期越短，其挥发分含量越多（如褐煤、烟煤）。（3）挥发分和焦炭的着火燃烧：在有氧气存在的条件下，随着温度的升高，挥发分着火燃烧并出现火焰，此时煤炭表面还是暗淡的，随着燃烧的持续进行，煤炭加热也开始燃烧，这时煤炭变成通红状，挥发分与煤炭同时进行燃烧，这时所产生的热量除供应自身燃烧需要外，还可加热周围煤炭。（4）灰渣的形成：在挥发分和煤炭燃烧的同时，煤和煤渣就出现软化和熔融，称为玻璃化，出现粘结现象，形成灰渣。煤炭的燃烧过程如下图所示：(二)燃烧的条件1、空气：燃料燃烧必须提供适宜的空气和氧气。空气和氧气量过大，会带走过多的热量，反而造成热量损失；空气和氧气量过小，燃烧就不完全。燃烧时应控制在最佳的碳气比范围。2、燃烧温度：燃烧加热达到着火温度是燃烧的必要条件，可燃烧物质在有氧气存在的条件下开始着火的最低温度称为着火温度。各种燃料有不同的着火温度，一般情况下，气体燃料着火温度最高，液体燃料着火温度较低，固体燃料着火温度最低。常见燃料的着火温度如下表所示：常见燃料的着火温度燃料种类着火温度/℃燃料种类着火温度/℃硬木250——300汽油300-320木炭220-370重油530-580褐煤250-450焦炉煤气650-750烟煤225-400高炉煤气700-800无烟煤440-500甲烷650-750泥煤225-280焦煤550-600

#引火（或闪火）：煤气、天然气之类的气体燃料及汽油、酒精之类易产生挥发液体燃料与火焰或火花接触时，即使在低于着火温度时也会被引着火而燃烧起来，这种现象称为引火或闪火。使燃料引火的最低温度称为引火点或闪火点。常见液体燃料的引火点如下表所示：

表常见液体燃料的引火点燃料名称引火点/℃燃料名称引火点/℃石油（原油）一般在0以下重油60~120汽油—50~0乙醇9~32轻油60~70思考：加油站为什么不允许吸烟？3、时间

在高于着火温度状况时，燃料进入燃烧室后的停留时间应大于燃烧所需要的时间。在所要求的燃烧反应速度下，停留时间将取决于燃烧室的大小和形状。反应速度随温度的升高而加快，燃烧室内温度越高，燃烧所需的时间越短。4、燃料与空气混合的程度

燃料与空气充分接触才有利于燃料的燃烧。煤炭燃烧分为层燃式燃烧、沸腾式燃烧、悬浮式燃烧。层燃式燃烧：是将煤炭置于固定或移动的炉箅上燃烧；沸腾式燃烧：是利用空气使煤粉式颗粒在沸腾状态下燃烧；悬浮燃烧：是将煤粉随空气流在燃烧室中燃烧。为使煤粉燃烧彻底，应使燃烧室内的气流处于湍流状态，破坏煤层的边界层，有利于燃料与空气接触。

燃烧过程的“三T”

：

温度(temperature)

时间（time）湍流（turbulence）

通过控制空燃比、燃烧温度、燃烧时间和湍流状态来实现大气污染物排放量最低条件下有效燃烧的目标。（三）燃烧中污染物的形成

1、烟的形成：其形成机理还不十分明确，说法较多。煤燃烧过程中，由于氧化、升华、蒸发和冷凝等热过程所形成的细粒子，统称为烟，粒径在1μm以下。烟是由气相、液相、固相混合而成的气溶胶。气相成分为N2、CO2、CO、O2、NOx、SO2等；液相主要成分为水；固相成分为燃烧产生的烟尘，排入大气后称TSP，还包括未燃尽的含碳化合物-黑烟。黑烟的成分中，碳约占96.2%，氢占0.8%，剩下的是氧。根据燃烧状况及烟气净化程度的不同，其烟气各成分也不同。如湿式除尘脱硫后的烟气含水分较多，因此烟气呈白色水雾状；炉窑以燃烧烟煤为主，净化效果不佳时会出现黑烟，呈黑色；而干式除尘器效果不好时，烟气中含大量烟尘，呈褐色。

2、硫氧化物的形成：煤中的硫分为有机硫、硫酸盐和硫化物。在燃烧的第一二阶段，煤的挥发分逸出，煤中有机硫的结合键“C-S”键断裂，主要是有机硫释放出来，氧化反应生成二氧化硫。随着温度的升高，硫化物和硫单质燃烧，与氧反应生成硫氧化物，其中以二氧化硫为主。当炉温继续升高，煤中的部分硫酸盐发生热分解反应，硫氧化物释放出来。随着煤燃烧过程中煤和煤渣的熔融，可有效抑制硫酸盐的分解，减少硫氧化物的释放。二氧化硫形成的主要化学反应式如下：

3、氮氧化物的形成：氮氧化物是在氮燃烧过程中与氧发生氧化反应生成的氧化物，主要有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，由于生成的各种氧化物种类较多，因此用NOx来表示。由于燃烧条件和反应时间的不同，其生成的氮的氧化物含量也不一样。燃烧产生的氮氧化物分为三类：第一类：热力型氮氧化物，它是在高温燃烧时，来自空气中的氮气和氧气反应生成的氮氧化物；第二类：燃料型氮氧化物，是燃料中的有机氮经过化学反应生成的氮氧化物；第三类：火焰边缘形成的快速型氮氧化物，其生成量很少，一般忽略不计。

(1)煤炭燃烧颗粒物的形成:

进入炉膛后先经过加温，在煤燃烧第二（着火）、第三（燃烧、破裂）阶段过程中，煤逸出挥发分后，出现大量孔穴，随着燃烧时间和温度的增加，燃烧由表向里进行，会出现破裂，变成大小不等的颗粒。在热力和炉内风力的作用下，燃烧中形成的微小颗粒称为飞灰，排出烟囱后称为烟尘，进入大气后形成大气污染物-TSP（总悬浮颗粒物）。同时在高温时，煤中的部分无机硫（硫酸盐硫）也逸出，发生氧化反应生成二氧化硫。在煤炭燃烧的第四阶段，炉膛中煤出现软化熔融现象，则飞灰产生量开始减少。4、颗粒物的形成

（2）液体燃料燃烧颗粒物的形成：液体燃料中灰分含量极少，在正常燃烧情况下产生的烟气是无色的，但燃料蒸发后的气体是碳氢化合物，碳氢化合物扩散燃烧有可能产生热分解，如果燃料油蒸发后，氧气供应不足或不均匀，油蒸汽得不到氧气，温度又不再升高，碳氢化合物就会产生热分解，例如甲烷在高温缺氧条件下热分解反应式为：

CH4→2H2+C

上式中的“C”即固体碳粒，叫做碳黑，也会出现冒黑烟现象。(三)燃烧计算

燃料燃烧时，需要空气或氧气，同时会产生烟气、SO2、NOX、烟尘等大气污染物。下面分别介绍所需理论空气量、烟气排放量及污染物浓度。1、煤的分析基：煤的成分有碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分，分别用C、H、O、N、S、A、M来表示，组成是用质量百分数来表示，即

C+H+O+N+S+A+M=100%

由于燃料开采、运输和存贮条件不同，因此其中的灰分、水分变化很大，其成分的质量分数就不同。所以在燃料分析计算过程中，必须指明煤是在哪一种情况下的百分组成，通常将燃料的分析结果用下列几种形式来表示：

收到基空气分析基干燥基干燥无灰基下面对它们分别进行介绍。

（1）收到基（旧称应用基）以收到状态的煤碳进行分析得到的质量百分数，用下标“ar”表示。即Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%（2）空气分析基（旧称分析基）：对煤样进行风干后，煤中部分外部水蒸发，内部水尚存于煤中，经风干后的煤进行分析得到组分的质量分数，用下标“ad”表示。即Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%(3)干燥基：将煤加温干燥以去除煤中全部水分后分析所得组分质量分数，用下标“d”表示。即Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%（4）干燥无灰基（旧称可燃基）：将煤中水分、灰分扣除后，其它各种成分组成的分数，用下标“daf”表示。即Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%2、燃料燃烧的空气量（1）理论空气量

单位量（固体燃料一般以1kg计，气体燃料以1mN3）燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量。它由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式求得。①进行理论空气量计算时的有关假设：A、空气仅由N2、O2组成，其体积比为79/21=3.76；B、燃料中的固定态氧可用于燃烧；C、燃料中的硫主要被氧化为SO2；D、热力型氮氧化物的生成量很小，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可忽略；E、燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主；F、计算时空气和烟气所含有的各种组成成分（包括水蒸气）均按理想气体计算。有关的化学反应方程式如下：C+O2→CO2S+O2→SO24H+O2→H2O

以固体和液体燃料为例，设每千克燃料中可燃元素的量为Cy/100kg,Sy/100kg,Hy/100kg，Oy/100kg,则每千克燃料完全燃烧时需要外界供应的理论氧气量为

式中：Cy——每kg燃料中所含碳元素的质量百分含量（应用基），%Sy

——每kg燃料中所含硫元素的质量百分含量（应用基），%Hy

——每kg燃料中所含氢元素的质量百分含量（应用基），%Oy

——每kg燃料中所含氧元素的质量百分含量（应用基），%理论空气量为对于气体燃料，其理论空气量的计算见教材P25公式２－１。（2）实际空气量

为保证完全燃烧，所供应的空气量往往超过理论空气量，实际空气量为

式中：α——过剩空气系数。其最佳值与燃料种类、燃烧方式及燃烧设备结构的完善程度有关（查相关的手册）。（3）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。如甲烷在理论空气量下的完全燃烧：CH4+2O2+7.52N2→CO2+2H2O+7.52N2空燃比3、燃烧过程污染物排放量的计算3、1烟气体积计算（1）理论烟气体积

燃料在供给理论空气量下完全燃烧，且生成的烟气中只有CO2、SO2、H2O、N2这四种气体，此时烟气所具有的体积为理论烟气体积（又称湿烟气体积），以Vfo表示。

干烟气=Vfo

－VH2O气体燃料和固体、液体燃料的烟气体积计算见教材公式2－4~2－7.（2）烟气的实际体积由于实际燃烧过程存在着过量的空气，因此燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过量空气的体积之和。Vf=Vfo+0.21（α－1）Vao+0.79（α－1）Vao+0.01611（α－1）VaoVf=Vfo+1.0161（α－1）Vao式中：Vf—烟气的实际体积,mN3/kg.0.01611——空气中水蒸汽的含量。4、燃烧过程中硫氧化物形成的控制主要的硫氧化物：可燃性硫在燃烧时主要生成SO2，只有1%～5%生成SO3，因此硫氧化物的控制主要是对SO2的控制。SO2形成的控制：燃料脱硫煤炭转化燃烧中固硫5、燃烧过程中氮氧化物的形成的控制

NＯｘ（ＮＯ／ＮＯ２）燃料型ＮＯｘ：（由燃料中的氮生成）→两段燃烧热力型或温度型ＮＯｘ：（由空气中的氮生成）→烟气再循环两段燃烧技术一段过剩空气系数对Nox生成的影响６、燃烧过程中颗粒物形成的控制气相析出型碳烟：燃料与氧充分混合、加入抑制剂等可减少其生成残碳型碳烟：控制壁面温度可减少其生成颗粒物燃煤粉尘：由化学不完全燃烧和机械不完全燃烧形成，控制措施根据具体情况而定，可以从燃烧过程的组织、燃烧方式等方面进行调整。碳烟７、燃烧过程中其它污染物的形成和控制（1）ＣＯ的形成与控制形成原因：供氧不足空燃比太低燃气混合不均控制措施保持合适的空燃比保证燃气充分混合保证足够的停留时间（2）ＣＨ的形成与控制形成原因：燃料燃烧不完全低温（<1000K）空气供应不足混合不充分（烷烃、烯烃、芳香烃、含氧烃）控制措施提高温度空气供应低过量混合充分（只考虑CH时）导致NOX含量增加，因此需对混合的型式、温度水平和停留时间进行仔细的研究其他大气污染物的控制见教材p41-42。7.机动车污染的控制（自学）例题：已知重油元素分析结果为：Cy：85.5%Hy：11.3%Oy：2.0%Ny：0.2%Sy：1.0%。试计算：⑴燃烧1kg重油所需的理论空气量和产生的理论烟气量；⑵干烟气中SO2的质量浓度（认为S的生成物中SO2占97%）和CO2的(假设碳全部转化为CO2)最大质量浓度；⑶当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。

解：⑴已知1kg重油中各成分的含量如下：质量/g摩尔数/mol（按原子数计）需氧数/molC85571.2571.25H113112.1028.25N20.1430S100.31250.3125O201.25-0.625所需理论氧气量为：

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