大气污染控制工程燃烧与大气污染

1燃烧与大气污染1.燃料的性质2.燃料的燃烧过程3.烟气体积计算4.燃烧过程中硫氧化物的形成5.颗粒污染物的形成6.其他污染物的形成第1页/共98页2燃烧与大气污染-燃料的性质燃料的分类

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

第2页/共98页3燃烧与大气污染-燃料的性质典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分第3页/共98页4燃烧与大气污染-燃料的性质典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分(续)第4页/共98页5燃烧与大气污染-燃料的性质

液态燃料的挥发（以汽油为例）第5页/共98页6燃烧与大气污染-燃料的性质碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出32860kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ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：是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120500kJ的热量。

第6页/共98页7燃烧与大气污染-燃料的性质氧：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：以三种形态存在：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。第7页/共98页8燃烧与大气污染-燃料的性质水分：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102~105

C，保持2h后才能除掉。灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。褐煤第8页/共98页9燃烧与大气污染-燃料的性质第9页/共98页10燃烧与大气污染-燃料的性质

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,发热量大第10页/共98页11燃烧与大气污染-燃料的性质褐煤烟煤无烟煤第11页/共98页12

煤的详细分类燃烧与大气污染-燃料的性质第12页/共98页13燃烧与大气污染-燃料的性质

煤的成分分析工业分析（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13页/共98页14

煤的工业分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318～323K温度下干燥8h，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，约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7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重燃烧与大气污染-燃料的性质第14页/共98页15燃烧与大气污染-燃料的性质

煤的工业分析（续）固定碳失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在800

20

C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：从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳第15页/共98页16燃烧与大气污染-燃料的性质煤中灰分的组成：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第16页/共98页17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，SSO42-，滴定燃烧与大气污染-燃料的性质第17页/共98页18煤中硫的形态燃烧与大气污染-燃料的性质第18页/共98页19煤的成分的表示方法

要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的基准，常用的基准有以下四种：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燃烧与大气污染-燃料的性质第19页/共98页20燃烧与大气污染-燃料的性质干燥基：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%的成分第20页/共98页21煤的成分的表示方法及其组成的相互关系

燃烧与大气污染-燃料的性质第21页/共98页22我国部分煤种的分析结果

燃烧与大气污染-燃料的性质第22页/共98页23燃烧与大气污染-燃料的性质我国部分煤种的分析结果(续）

第23页/共98页24燃烧与大气污染-燃料的性质其他燃料

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％第24页/共98页25燃烧与大气污染-燃料的性质其他燃料

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25页/共98页26燃烧与大气污染-燃料的性质Sample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.2

12=6.43

6.43=1.00H5.20

1=5.20

6.43=0.808N1.20

14=0.0857

6.43=0.013S2.60

32=0.0812

6.43=0.013O5.90

16=0.369

6.43=0.057ash7.9

6.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

第26页/共98页27燃料的最重要的两个属性热值决定燃料的消耗量杂质污染物产生的来源燃烧与大气污染-燃料的性质第27页/共98页28燃烧与大气污染-燃料燃烧过程

影响燃烧过程的主要因素燃烧过程及燃烧产物

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NO空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx第28页/共98页29燃烧与大气污染-燃料燃烧过程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）：燃料与氧充分混合第29页/共98页30典型燃料的着火温度燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第30页/共98页31燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第31页/共98页32典型锅炉热损失与过剩空气量的关系燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第32页/共98页33燃气比和混合程度对燃烧产物的影响燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第33页/共98页34燃烧与大气污染-燃料燃烧过程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燃料的化学式为CxHySzOw第34页/共98页35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/kg

燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第35页/共98页36燃烧与大气污染-燃料燃烧过程例题：第36页/共98页37空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比。以

表示，

通常>1部分炉型的空气过剩系数燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第37页/共98页38燃烧与大气污染-燃料燃烧过程空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量

例如：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=15.11第38页/共98页39燃烧与大气污染-燃料燃烧过程例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。解：以1kg重油燃烧为基础，则：第39页/共98页40燃烧与大气污染-燃料燃烧过程

重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H9547．523．75S160．50．5H2O0．50．027802009.10第40页/共98页41理论需氧量为：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空气中N2与O2的摩尔比为3.78(体积比)

则，理论空气量为：

mol/kg重油即m3/kg重油燃烧与大气污染-燃料燃烧过程第41页/共98页42燃烧与大气污染-燃料燃烧过程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第42页/共98页43燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧产物与温度的关系：第43页/共98页44燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：第44页/共98页45燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧方式：固体燃料的燃烧方式有层状燃烧悬浮燃烧悬浮燃烧流化床燃烧（FBC）液体和气体燃料均属于悬浮燃烧。第45页/共98页46燃烧与大气污染-燃料燃烧过程①层状燃烧燃料置于炉排（又称炉栅或炉篦）上燃烧，燃烧可以自下而上进行（称正烧）或自上而下进行（称反烧）。常见的炉排形式有固定式、往复式、平移式（链条炉排）。第46页/共98页47燃烧与大气污染-燃料燃烧过程②悬浮燃烧燃料悬浮于炉腔内燃烧，煤粉炉、油炉燃料悬浮于炉腔内燃烧，煤粉炉、油炉和气炉都是这种燃烧方式。第47页/共98页48燃烧与大气污染-燃料燃烧过程③流化床燃烧流化床燃烧又称沸腾燃烧。沸腾炉的原理如图所示，气流以较高的速度通过一定大小颗粒的燃料层，使其呈流化状态。这种燃烧方式可燃用劣质煤和矸石，且燃烧温度低，氮氧化物生成量很少。第48页/共98页49燃烧与大气污染-燃料燃烧过程发热量：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49页/共98页50燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧设备的热损失排烟热损失不完全燃烧热损失(化学、机械)散热损失在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧第50页/共98页51燃烧与大气污染-燃料燃烧过程燃烧热损失与空燃比的关系第51页/共98页52燃烧与大气污染-烟气体积计算

烟气体积计算理论烟气体积CO2、SO2、N2和H2O干烟气、标准干烟气、湿烟气烟气体积和密度的校正转化为标态下（273K、1atm）的体积和密度注意：美、日和全球监测系统网的标态为298K、1atm。第52页/共98页53过剩空气校正实际空气量=（1+

）

（O2+3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多

（O2+3.78N2）此时烟气中，O2的量为O2P=

O2，N2的量为N2P=3.78

（1+

）

N2空气中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即进入燃烧系统的空气总氧量为0.264N2P燃烧与大气污染-烟气体积计算第53页/共98页54过剩空气校正理论需氧量=0.264N2P-O2P，空气过剩系数

=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正：O2P-0.5COP

=1+（O2P-0.5COP

）/[0.264N2P-（O2P-0.5COP

）]

以上组分的量均可由烟气分析仪测定。燃烧与大气污染-烟气体积计算第54页/共98页55方法：根据实测的污染物浓度和排烟量根据燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度燃烧与大气污染-烟气体积计算2009.10第55页/共98页56燃烧与大气污染-烟气体积计算例：对例2-3给定的重油，若燃料中硫转化为SOX（其中SO2占97%），试计算空气过剩系数α=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。2009.10第56页/共98页57燃烧与大气污染-烟气体积计算解：由例2-3可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2：73.58H2O：47.5+0.0278SOX：0.5NX：理论烟气量：

73.58+0.5+(47.5+0.0278)+()=491.4mol/kg重油即491.4×0.0224=11.01m3/kg重油空气过剩系数α=1.2时，实际烟气量为：11.01+10.47×0.2=13.10m3/kg重油其中10.47为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。第57页/共98页58燃烧与大气污染-烟气体积计算烟气中SO2的体积为烟气中SO3N的体积为所以，烟气中SO2、、SO3的浓度分别为：第58页/共98页59燃烧与大气污染-烟气体积计算当α=1.2时，干烟气量为：

CO2体积为：所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为：

第59页/共98页60燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成

硫的氧化机理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，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第60页/共98页611.硫的氧化机理H2S的氧化燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成第61页/共98页62燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成CS2和COS的氧化第62页/共98页63燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成元素S的氧化第63页/共98页64有机硫化物的氧化

燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成第64页/共98页65SO2和SO3之间的转化

反应方程式SO2+O+M

SO3+M（1）SO3+O

SO2+O2

（2）SO3+H

SO2+OH（3）SO3+M

SO2+O+M（4）

在炽热反应区，[O]

浓度很高，反应（1）和（2）起支配作用

燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成第65页/共98页66燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成SO2和SO3之间的转化SO3生成速率

当d[SO3]/dt=0时，SO3浓度达到最大在富燃料条件下，[O]浓度低得多，SO3的去除反应主要为反应（3），SO3的最大浓度：第66页/共98页67燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率:转化率与温度密切相关H2SO4浓度越高，酸露点越高烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀第67页/共98页68燃烧与大气污染-燃烧过程中硫氧化物的形成SO3的转化率/%第68页/共98页69燃烧与大气污染-颗粒物的形成

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69页/共98页70燃烧与大气污染-颗粒物的形成火焰的结构预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合（bursenburner,meekerburner）扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多），不同的区域有不同的

(0～

)值第70页/共98页71燃烧与大气污染-颗粒物的形成火焰的结构（续）层流火焰：Re<2200，分子扩散和传导是控制过程湍流火焰：Re>2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用Laminar transition developedturbulent heightJetvelocity第71页/共98页72燃烧与大气污染-颗粒物的形成

碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反应过程第72页/共98页73

碳粒子的生成石油焦和煤胞的生成燃料油雾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园体沥青沥青焦焦炭

燃烧与大气污染-颗粒物的形成第73页/共98页74燃烧与大气污染-颗粒物的形成烟尘：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74页/共98页75燃烧与大气污染-颗粒物的形成

燃煤烟尘的形成煤粉燃烧过程理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤焦炭褐煤低挥发分烟煤高灰发分烟煤碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关第75页/共98页76燃烧碳层中成分和温度分布燃烧与大气污染-颗粒物的形成第76页/共98页77黑烟形成的化学过程燃烧与大气污染-颗粒物的形成第77页/共98页78高灰分燃料的扩散燃烧燃烧与大气污染-颗粒物的形成第78页/共98页79燃煤烟尘的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素燃烧与大气污染-颗粒物的形成第79页/共98页80燃烧与大气污染-颗粒物的形成飞灰的形成过程

燃煤烟尘的形成第80页/共98页81燃烧与大气污染-颗粒物的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质燃烧方式烟气流速炉排和炉膛的热负荷锅炉运行负荷锅炉结构第81页/共98页82燃烧与大气污染-颗粒物的形成

燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素——煤质第82页/共98页83燃烧与大气污染-颗粒物的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——燃烧方式第83页/共98页84燃烧与大气污染-颗粒物的形成

燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘百分比第84页/共98页85燃烧与大气污染-颗粒物的形成

燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况第85页/共98页86燃烧与大气污染-颗粒物的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素——运行负荷第86页/共98页871.有机污染物的形成形成历程链烃分子氧化脱氢