第二章 燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质第二节燃料的燃烧过程第三节【重点】烟气体积及污染物排放量计算第四节【了解】燃烧过程硫氧化物的形成第五节【了解】燃烧过程中颗粒物的形成第六节【了解】燃烧过程中其它污染物的形成第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第一节燃料的性质一、燃料的分类按照物理状态可以分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料三类。固体燃料主要是煤； 液体燃料主要是重油、各种渣油； 气体燃料主要是天然气及各种煤气。

第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四燃料的分类表按获得方法分

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

第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四气体燃料的特点是：燃烧迅速，其燃烧状态基本上由空气与燃料的扩散或混合所控制。液体燃料也是以气态形式燃烧，因此它的燃烧速度受其蒸发过程控制。固体燃料的燃烧，受两种现象控制，燃料中挥发性组分被蒸馏后以气态燃烧，而遗留下来的固定碳则以固态燃烧，后者的速率由氧向固体表面的扩散控制。燃料的性质影响燃烧设备的设计及运行条件，也影响其大气污染物的形成和排放。第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四二、几种主要燃料的介绍煤【重点】、石油类液体燃料、天然气、非常规燃料。1、煤煤的可燃成分主要是碳、氢及少量氧、氮、硫等一起构成的有机聚合物。煤中各成分的含量因煤的产地和种类不同而不同。（1）煤的分类我国电力部门的锅炉用煤，主要根据煤的挥发分并参考水分、灰分的含量来分类。无烟煤：挥发分含量最低，Vr<10％，含碳量最高，着火困难，燃尽不易，水分很低，发热量很高。煤的成焦性极差。烟煤：挥发分含量在10％～45％之间，含碳量在75％～90％之间，含氧量低，水分、灰分一般不高，适宜一般工业应用。煤的成焦性较强。褐煤：挥发分含量较高，Vr＝40％～50％，甚至60％，而挥发分的析出温度较低，所以着火及燃烧都比较容易。但其水分及灰分都含量很高，发热量很低。

第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（2）煤的成分分析 煤是复杂的高分子碳氢化合物，通常有工业分析和元素分析两种。 其主要成分是：碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、灰分(A)、水分(W)、及挥发分(Vr)。除灰分、水分外，其它元素多以化合态存在。

第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四

工业分析（proximateanalysis）

测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。 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。第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 碳：碳是煤中的主要可燃元素，一般占煤成分的20％～70％（指应用基成分），碳元素包括固定碳、和挥发分中的碳。固定碳（纯碳）不易着火燃烧，因此含碳量越高的煤，其着火燃尽也约困难。氢：煤中氢的含量不多，约为3％～5％，但氢的发热量最高，约为纯碳的3.7倍。氧：煤中氧的含量变化很大，一般与碳、氢结合以化合态存在。氮：煤中氮的含量很少，但它是有害元素。煤燃烧时部分氮与氧化合生成NOx，污染大气。第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 【重点】煤中硫的形态：煤中的硫一般以三种形态存在：有机硫；硫化铁硫；硫酸盐硫。前两者参加燃烧，放出热量，后者不参加燃烧，只能计如灰分。

第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 硫化铁硫主要代表是黄铁矿硫（FeS2），是煤中主要的含硫成分，它在煤中通常呈独立弥散分布，且其硬度中等，比煤重，易于用物理方法从煤中清除出去。有机硫分一般与煤中的有机杂质构成复杂的分子，不宜用一般重力分选的方法除去，需要采用化学方法进行脱硫。硫酸盐硫主要以钙、铁和锰的硫酸盐形式存在，以石膏为主。硫酸盐硫的含量比前两者要少的多。由于硫酸盐硫不参加燃烧，一般进入灰分，不构成大气污染，不是处理对象。高硫煤中的硫主要是无机硫；低硫煤中的硫主要是有机硫。通过分析，可知对煤进行脱硫处理，最好是在煤的燃烧前用物理方法处理。第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 灰：煤中所含的矿物杂质燃烧后即形成灰分。灰分是煤中的不可燃成分，灰分增加，不仅降低了煤的发热量，而且影响煤的着火及燃尽程度。灰熔点很低时易在高温受热面粘结结渣。

【补充】多成分的灰没有明确的熔化温度，它的熔化特性常用t1、t2、t3三个特征温度来表示。一般用角锥法测定灰的特性温度点。灰锥的原始形状灰锥的变形温度t1灰锥的软化温度t2灰锥的熔化温度t3第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四水：煤的全水分Wq（即Wy）由两部分组成，即外在水分及内在水分。 外在水分是指13mm以下的颗粒煤样在318～323k温度干燥箱内干燥8小时冷却后失去的水分。 内在水分是再失去外部水分后继续在375～380k下干燥2小时失去的水分。水分也是煤中的不可燃成分，水分增加使炉内燃烧温度下降，从而影响煤的着火及燃尽。各种煤的水分含量变化也很大。第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四挥发分：煤在隔绝空气的条件下加热分解出的可燃气体物质称为挥发分。 测量条件：风干后的煤样1200k下加热7分钟后测定。 挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳、及少量的硫化氢组成。在相同热值下，煤中的挥发分越高，就越容易燃着，火焰越长，越易燃烧完全。但挥发分含量过高，容易造成挥发分与空气混合不均匀，引起大量碳粒子与烟气形成浓烟冒出，污染环境。挥发分是煤的重要特性指标。第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（3）煤的成分表示方法煤的成分通常用质量百分数表示。由于煤中水分和灰分受外界条件的影响，其百分比也必然随之改变。要明确说明煤中各成分的含量，必须同时指明百分比的基准。常用的基准有：收到基、空气干燥基、干燥基、干燥无灰基。

第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 收到基：也称应用基，以包括全部水分和灰分的燃料作为100％的成分，即锅炉燃料的实际应用成分。通常用角码ar，（或y表示应用基）。 由于外部水分不稳定，以此来评价煤的性质不准确。第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 空气干燥基：也称分析基，以去掉外部水分的煤作为100％的成分。是实验室内进行燃料成分分析时的试样成分。通常用角码ad，（或f表示分析基）。第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 干燥基：以去掉全部水分的煤作为100％的成分。通常用角码d，（或g表示干燥基）。由于排除了水分的影响，灰分常用干燥基表示。干燥无灰基，也称可燃基，以去掉全部水分和灰分的燃料作为100％的成分。 由于不受灰分、水分的影响，更能正确地反映出各种煤地实质，它通常用来表示煤的挥发分的含量。煤矿提供的煤样经常采用此基准。通常用角码daf，（或r表示可燃基）。第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四（4）【补充】煤的发热量煤的发热量是煤的重要特性指标，根据应用场合不同，发热量具有如下两种定义。高位发热量：1kg煤完全燃烧时放出的全部热量，包括烟气中水蒸气凝结时放出的热量。低位发热量：在1kg煤完全燃烧时放出的全部热量中扣除水蒸气的气话潜热后得到的热量。煤在锅炉中燃烧后，排烟一般仍具有相当高的温度，烟气中的水蒸气不可能凝结下来，这样就带走了这一部分汽化潜热。第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四2、石油类液体燃料石油是液体燃料的主要来源，但一般不直接用于燃烧。一般通过多次分馏、蒸馏得到各种燃料油。燃料油的主要特性指标有：粘度、比重、凝点、闪点、发热量、硫分、杂质、水分等。燃料油中的硫分大部分以有机硫的形态存在，不能用物理方法处理，因此降低硫的费用很高。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，发热量增加第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四3、天然气天然气是典型的气体燃料，发热量高Q=36600~54400kj/m3。一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％。 天然气是宝贵的化工原料，我国过去除产区外，一般不作为锅炉燃料。天然气中的硫化氢具有腐蚀性，燃烧产物具有是硫氧化物。各个国家都有天然气总含硫量及硫化氢含硫最大限值的规定。人工煤气的种类很多，依获得方法的不同可有：液化石油气、炼焦煤气、高炉煤气、发生炉煤气等。除液化石油气外都是低发热量气体燃料。第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四4、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第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第二节燃料燃烧过程一、影响燃烧过程的主要因素

1、燃烧过程及燃烧产物多数化石燃料：

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NO空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx

注意：污染物的形成，主要是因为不完全燃烧所致。第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四2、燃料完全燃烧条件要使燃料完全燃烧，必须具备如下条件：（1）空气条件：空气供应不足，燃烧就不完全；空气量过大，会降低炉温，增加排烟热损失。（2）温度条件：燃料只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。

第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 （3）时间条件:燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素。燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需要的时间。一般较高温度下燃烧所需要的时间较短。（4）燃料与空气混合条件燃料与空气中的氧充分混合也是有效燃烧的基本条件。混合程度取决与空气的湍流度。若混合不充分，将导致不完全燃烧产物的产生。第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四二、燃料燃烧的理论空气量1、理论空气量单位质量（1kg）燃料完全燃烧所需要的最小空气量，即按照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。建立燃烧化学方程式时，通常假定：（1）空气仅是由氮气和氧气组成的，其体积比为：79.1/20.9=3.78（2）燃料中的固定态氧可用于燃烧。（3）燃料中的硫主要被氧化为SO2（4）热力型NOX生成量较少，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可以忽略。（5）燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主。

第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四 实际应用计算中，可根据具体情况，考虑只取（1），燃料中氧、氮的作用可以忽略不计。具体计算方法可以参考课本例题2－2。【注意】一般煤的理论空气量V＝4～9m3/kg。【注意】理论空气量及以后的计算中的气体体积量都是标态（273k，1标准大气压）下的体积量。第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四2、空气过剩系数为使燃料完全燃烧，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，并把实际空气量与理论空气量之比定义为空气过剩系数α。通常α>1。3、空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四三、燃烧产生的污染物1、燃烧过程燃料燃烧过程并不简单，其中还有很多分解、氧化、聚合等分部过程。2、燃烧产物及污染物燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、为燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体等组成。燃烧可能产生的污染物有：二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮、稠环碳氢化合物等，这些都是有害物质。第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四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3、燃烧产物与温度的关系第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四燃烧产物与温度的关系燃烧反应的最高温度燃烧反应的排出物氮的氧化物粉尘CO及燃烧的碳氢化合物硫的氧化物第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四

4、燃烧产物计算此处不讲，并入第三节烟气体积及污染物排放量计算一节。第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四四、热化学关系式1、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）高位发热量：包括燃烧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。第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四2、燃料设备的热损失主要包括：排烟热损失、不完全燃烧热损失、炉体散热损失。排烟热损失：由排烟温度较高引起，约为6％～12％。不完全燃烧热损失：包括化学不完全热损失和机械不完全热损失。

第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期四3、防治大气污染最有力的措施就是有效的利用燃料资源，所有节能措施都会降低大气污染物的排放量。第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期四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。烟气主要成分是CO2、SO2、N2、和水蒸气。2、烟气体积和密度校正实际烟气温度和压力总是高于标态（273K、1atm），在烟气体积和密度计算中要换算成标态。一般烟气可以视为理想气体，可由理想气体状态方程解出。第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期四3、过剩空气校正因为实际燃烧过程是有过剩空气的，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量之和。二、污染物排放量计算通过测定实际排烟量及排烟中各种污染物的浓度，很容易计算污染物的排放量。但是经常需要根据燃料组成、燃烧设备类型等预算烟气量及排污量。以下面的例题说明计算方法。【例题·课本例2－2】假定煤的成分分析如下，C77.2％、H5.2％、O5.9％、N1.2％、S2.6％、A7.9％，该煤在过剩空气系数1.2的锅炉内燃烧，飞灰占灰分的15％，求燃用1kg该煤产生的烟气体积，假定烟气温度120℃，产生的SO2浓度（单位mg/m3），产生的粉尘的浓度。第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第四节燃烧过程硫氧化物的形成注意：有机硫的分解温度较低无机硫的分解速度较慢含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，煤中的硫在燃烧过程中几乎全部转化为SO2。SO3的浓度是SO2的浓度的1/20~1/80。第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第五节燃烧过程中颗粒污染物的形成注意：1、固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，它包括黑烟和飞灰两部分。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，是灰分的一部分。2、烟煤最易形成黑烟。第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期四3、碳粒子的生成积炭的生成核化过程：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聚团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素积炭的生成与火焰的结构有关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第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期四4、烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：黑烟：未燃尽的碳粒飞灰：不可燃矿物质微粒5、煤粉燃烧过程 碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应。灰层碳层外扩散第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期四第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期四6、影响燃煤烟气中