第二章 燃烧与大气污染

第二章

燃烧与大气污染CombustionandAirpollution[目的]：大部分大气污染物与燃烧有关，因此本章侧重介绍燃料燃烧过程的计算、以及主要污染物的形成。［重点］：（一）燃料完全燃烧的条件（二）燃烧计算１．理论空气量２．烟气量３．污染物排放量2.1燃料的性质第二章燃烧与大气污染

2.4燃烧过程污染物的形成和控制2.2燃料燃烧过程

2.3烟气体积及污染物排放量计算2.1燃料的性质燃料：指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。类别（按物理状态分类）典型代表影响其燃烧的主要因素固体燃料煤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液体燃料汽油、柴油燃烧速度受其蒸发过程控制气体燃料天然气空气与燃料的扩散或混合所控制表2-1.燃料的分类及其有关性质

煤——最重要的固体燃料，它是一种复杂的物质聚集体。煤的可燃成分主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。各种聚合物之间由不同的碳氢支链互相连接成更大的颗粒。2.1.1煤2.1.1.1分类

煤褐煤烟煤无烟煤沉积年代表2-2.褐煤、烟煤和无烟煤的

主要特征对比表特征褐煤烟煤无烟煤沉积年代最短较褐煤长最长颜色褐色、黑褐色黑色灰黑色光泽大多数暗有一定光泽金属光泽成分C：60～75%O：20～25%C：75～90%挥发分：20～45%C：≥90%无机含量：≤10%燃烧现象有烟多烟无烟2.1.1.2煤的组成

煤中有机成分和无机成分的含量，因煤的种类和产地的不同而有很大差别。测定煤组成工业分析：测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳以及估测硫含量和热值，这是评价工业用煤的主要指标。元素分析：

元素分析是化学方法测定去掉外部水分的煤中主要成分碳、氢、氮、氧等的含量。表2-3.工业分析中主要指标的测定方法及其对煤燃烧特性和环境的影响指标测定方法影响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318～323K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来质量的百分数就是煤的外部水分水分使热值降低，影响燃烧的稳定性，一般要求水分为10～13%内部水分将上述失去外部水分的煤样继续在375～380K下干燥约2h，所失去的水分质量占试样原来质量的百分数即内部水分。全水分＝外部水分＋内部水分指标测定方法影响灰分不可燃烧部分的总量降低燃烧的热值，也增加了烟尘污染和出渣量挥发分将风干的煤样在1200K的炉中加热7min而测定挥发分高则越易燃着，火焰越长，越易燃烧完全；太高，则会使炉膛内没有充分的空间、时间，使O2与逸出的挥发分充分混合。从而所分解的产生的C与烟气形成浓烟从烟囱冒出，污染环境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主要可燃物质续表2-3图2-2.煤的有机化学模型

表2-4.煤的部分组分元素分析方法组分测定方法碳、氢通过燃烧后的尾气分析中CO2和H2O的生成量而测定氮通过测定在催化剂作用下使煤中的氮转变为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴硫将样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物中加热，使硫化物转变为硫酸盐，再以硫酸钡——重量法测定煤中全硫无机硫有机硫硫化铁硫元素硫硫酸盐硫黄铁矿硫FeS2白铁矿硫FeS2砷铁矿硫石膏CaSO4.2H2O绿矾FeSO4.7H2O硫醇或醚基化合物R—SH硫醚R—S—R二硫醚疏R—S—S—R噻吩类杂环化合物硫醌化合物1.1.1.3煤中硫的形态及其脱除方法表2-4.煤中硫的脱除方法存在形态脱除方法黄铁矿硫(FeS2)本身虽无磁性，但在强磁场感应下能够转变为顺磁性物质；和煤炭相比有不同的微波效应，吸收微波能力较强。根据这些性质,可以采用的物理或化学方法,把黄铁矿从煤中脱除有机硫(CxHySz)有机硫分与煤中有机质构成复杂的分子,不宜用一般重力分选的办法除去，需要采用化学方法进行脱硫

2.1.2石油

2.1.2.1石油的定义与相关性质石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动的液体，是多种化合物的混合物。主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。这些化合物主要含碳和氢，还有少量的硫、氟和氧，它们的含量国产地而异。2.1.2.1石油中硫的形态及其脱除方法原油中硫的含量变化范围较大，一般为0.1～0.7%（质量），大部分以有机硫的形式存在。

原油中硫轻馏份中硫分，约占全硫10～20％，以H2S，硫醇、一硫化物、二硫化物等形态存在；重馏分中硫分，约占全硫80～90%，以复杂的环状结构存在。采用高压下的催化加氢，以破坏C—S—C键，形成硫化氢气体，可以达到降低硫分的目的，但费用很高。2.1.3天然气

天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外的其它组分，如H2O、CO2、N2、He和H2S等。

天然气脱硫脱碳工艺流程简图西安市天然气组分及主要性质项目名称体积（%）组分CH496.1C2H60.45C3H80.075iC40.02nC40.01CO23.20H2微量N2微量性质天然气相对密度0.5799天然气水露点≤-13℃天然气烃露点-38℃天然气低热值33.24MJ/Nm3天然气含硫量H2S≤20mg/m32.1.4非常规燃料根据来源，非常规燃料可分为如下几类：

(1)城市固体废弃物；

(2)商业和工业固体废弃物；

(3)农产物及农村废物；

(4)水生植物和水生废物；

(5)污泥处理厂废物；

(6)可燃性工业和采矿废物；

(7)天然存在的含碳和含碳氢的资源，

(8)合成燃料。（1）在某些领域代替日益减少的化石燃料的供应（2）处理废物的有效方式非常规燃料的重要性非常规燃料常需要一些专门的制备技术，才能将其转变为更好使用的形式，如使之便于加工或改善其燃烧特性等（P37表2-3）。应注意2.1燃料的性质

2.2燃料燃烧过程

2.3烟气体积及污染物排放量计算

2.4燃烧过程污染物的形成和控制第二章燃烧与大气污染

2.2燃料燃烧过程燃料+氧气→燃烧产物+热量+光2.2.1影响燃烧过程的主要因素

2.2.1.1燃烧过程及燃烧产物

燃烧——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为相应的氧化物。多数化石燃料完全燃烧的产物:CO2和H2O不完全燃烧过程:黑烟、CO和其它部分氧化产物等大气污染物.燃烧产物若燃料中含有硫和氮:SO2和NO，以污染物形式存在于烟气中；当燃烧室温度较高时，空气中的部分氮也会被氧化——热型氮氧化物NOx（ThermalNOx）燃烧产物与温度的关系图空气量空气供应不足：燃烧就不完全空气量合适：燃烧正常空气量过大：降低炉温，增加锅炉的排烟损失。2.1.2.1空气条件

2.2.2燃料完全燃烧的条件燃料只有达到着火温度．才能与氧化合而燃烧。

着火温度——在氧存在下可燃质开始燃烧所必须达到的最低温度。各种燃料都有自己特征的着火温度（P39

表2-4）。2.1.2.2温度条件温度条件：当温度高于着火温度且dQ放/dt>dQ散/dt

从而能够维持在较高的温度下，才能使燃烧过程继续进行。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。

T↑、V↑，则t↓。2.1.2.3时间条件（t）为什么？温度高氧气多混合程度混合不充分：将导致不完全燃烷产物的产生混合充分

蒸气相的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在燃料颗粒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2.1.2.4燃料与空气的混合条件

适当地控制空燃比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真地考虑这些因素。温度（Tempreture)时间（Time）湍流（Turbulent)燃烧过程的“三T”

（1）理论空气量理论空气量(Vao)——单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量，它由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。2.2.3燃料燃烧的理论空气量

空气仅由N2和O2组成的，其体积比为79.1／20.9＝3.78；

燃料中的固定态O可用于燃烧：

燃料中的S主要被氧化为SO2；热型NOx的生成量较小，燃料中含氮量也较低，计算理论空气量时可以忽略；燃料的化学式为CxHySzOw，其下标x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。建立燃烧化学方程式的假定简化计算式(2-1)燃烧化学方程式式(2-2)(2)空气过剩系数完全保证→理论空气量→完全燃烧“三T”的保证程度达不到理想化的程度→供给过量的空气→完全燃烧空气过剩系数

一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量。空燃比（AF）——单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧方程式直接求得。单位：Kg空气／Kg燃料。（3）空燃比(AF)（4）热化学关系式1）发热量一般燃烧设备中的排烟温度均远远超过水燕气的凝结温度，因此大部按低位发热量计算燃料发热量。

q1——单位为kJ/kgWH——燃料中氢的百分含量

WW——燃料中水的百分含量式2-3燃烧设备热损失

散热损失：由于锅炉炉墙、炉筒等部分温度高于周围空气温度而散失的热量

不完全燃烧热损失

排烟热损失：排烟带走的一部分热量所造成

化学不完全燃烧：烟气中含有可燃气体

机械不完全燃烧：灰中含有未燃尽的碳2)燃烧设备的热损失图2-9.燃烧热损失与空燃比的关系防治大气污染最有力的措施改进工艺(有效地利用资源,减少热损失)减少污染物排放扩散稀释2.1燃料的性质

2.2燃料燃烧过程

2.3烟气体积及污染物排放量计算

2.4燃烧过程污染物的形成和控制第二章燃烧与大气污染

2.3烟气体积及污染物 排放量计算2.3.1烟气体积计算

2.3.1.1理论烟气体积

理论烟气体积:理论空气量下，燃料完全燃 烧所生成的烟气体积，以V0fg表示。烟气组成：主要CO2SO2N2

水蒸（H2O）干烟气湿烟气设观测状态下（Ts、Ps）：烟气的体积为Vs，密度为ρs。标态下（Tn、Pn）：烟气的体积为Vn，密度为ρn。2.3.1.2烟气体积和密度的校正

标态下体积为：

标态下密度为：应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1atm在作数据比较时应注意。实际燃烧过程是有过剩空气的，燃烧过程中：2.3.1.3过剩空气校正实际烟气体积（Vs）=理论烟气体积（Vt）+过剩空气量（Vg）如何校正？用奥氏烟气分析仪测定烟气中CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。例：以碳燃烧为例，烟气中仅含有CO2和N2，空气过量，其中a是过剩空气中O2的过剩摩尔数，则燃烧方程式变为：过剩空气系数

由式可以得知：要计算α，必须知道a。（1）假设完全燃烧：过剩氧的摩尔数其中：O2p=aO2；

N2p为实际空气中所含的氮气量

（2）若燃烧不完全，烟气中有CO，则过剩氧量必须加以校正，即从测得的剩余氧中减去氧化CO为CO2的所需氧量2.3.1.4实际烟气体积

实际烟气体积（Vfg）=理论烟气体积（Vfgo）+过剩空气量（Vo×（α-1））理论空气量例2-1：已知重油的元素分析结果如下：

C:85.5%H:11.3%O:2.0%N:0.2%S:1.0%

计算:（1）燃油1kg所需的理论空气量和产生的 理论烟气量；（2）干烟气中SO2的浓度和CO2的最大浓度;

（3）但空气过剩系数为10%时，所需的空气 量和产生的氧气量。2.3.2污染物排放量的计算

表2-5.例2-1计算表元素质量/g摩尔数/mol需O2量/mol产生的烟气量/molC855855/12=71.2571.2571.25(CO2)H113113/1=113113/4=28.2556.5(H2O)O2020/16=1.25-0.6250N22/14=0.14300.0715(N2)S1010/32=0.3130.3130.313(SO2)解：(1)首先将重油的质量百分比转化为摩尔组成，然后列出每种元素燃烧所需的理论空气量和燃烧后产生的理论烟气量。以1kg重油为基准，计算结果见表2-5。表2-5.例2-1计算表元素质量/g摩尔数/mol需O2量/mol产生的烟气量/molC855855/12=71.2571.2571.25(CO2)H113113/1=11328.2556.5(H2O)O2020/16=1.25-0.6250N22/14=0.14300.0715(N2)S1010/32=0.3130.3130.313(SO2)燃烧1kg重油所需理论氧气量＝71.25+28.25-0.625+0.313=99.19mol所需的理论空气量=99.19×(1+3.78)=474.13mol标准状态下的体积

Va=474.13×22.4×10-3=10.62mN3表2-5.例2-1计算表元素质量/g摩尔数/mol需O2量/mol产生的烟气量/molC855855/12=71.2571.2571.25(CO2)H113113/1=11328.2556.5(H2O)O2020/16=1.25-0.6250N22/14=0.14300.0715(N2)S1010/32=0.3130.3130.313(SO2)产生的烟气＝（71.25+56.50+0.0715+0.313）+99.19×3.78=503.07mol=11.27mN3理论需氧量(2)燃烧1kg重油产生的干烟气量

=（503.07-56.5）=446.57mol燃料中的S完全转化为SO2时，干烟气中的SO2的浓度最大

燃料中的C完全燃烧转化为CO2时，烟气中的CO2的浓度最大（3）当α=10%时，燃烧1kg重油所需的空气量=10.62×(1+10%)=11.68mN3

产生的烟气量=11.25+10.62×10% =12.31mN3例2：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%，水分：0.5％，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。重量/g摩尔数/mol需氧量/mol产生的烟气量/molC88373.5873.5873.58(CO2)H959523.7547.5(H2O)S160.50.50.5(SO2)H2O50.27800.278（H2O）灰分10解：以1kg重油燃烧为基础，则：理论需氧量为：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油理论空气量为：mol/kg重油

即Nm3/kg重油重量/g摩尔数/mol需氧量/mol产生的烟气量/molC88373.5873.5873.58(CO2)H959523.7547.5(H2O)S160.50.50.5(SO2)H2O50.27800.278（H2O）灰分10重量/g产生的烟气量/mol烟气组成含量／molC88373.58(CO2)CO273.58H9547.5(H2O)H2O47.5＋0.278S160.5(SO2)SO20.5H2O50.278（H2O）N297.83×3.78灰分1例3.对例2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，并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.278)+(97.83×3.78)=492.66mol/kg重油=11.04Nm3/kg重油烟气中SO3的体积为空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为:11.04+10.47×(1.2-1)

=13.13Nm3烟气中SO2的体积为所以，烟气中SO2、SO3的浓度分别为：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：

例4：已知某电厂烟气温度为473K，压力为96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m3/min，含水汽6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的质量流量为22.7Kg/min。（1）

污染物排放的质量速率（以t/d表示）（2）污染物在干烟气中浓度（3）烟气中空气过剩系数解：（1）污染物排放的质量流量为：

（2）测定条件下的干空气量为：

测定状态下干烟气中污染物的浓度：

标态下的浓度：（3）空气过剩系数2.1燃料的性质

2.2燃料燃烧过程

2.3烟气体积及污染物排放量计算

2.4燃烧过程污染物的形成和控制第二章燃烧与大气污染

2.4燃烧过程主要污染物

的形成2.4.1燃烧中硫氧化产物的形成含硫化石燃料的燃烧是造成大气SO2污染的主要原因，主要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相当低。含硫燃料燃烧的特征是火焰呈浅蓝色，这种颜色是由于反应产生的。燃料中的硫在贫燃料状态下，SO3=SO2生成量的百分之几在富燃料状态下，SO2为主

少量SO及其二聚物(SO)2，少量S2O在各种氧化反应中以中间体形式出现

人类活动排入大气中的NOX，90%来自于燃料的燃烧过程。2.4.2氮氧化物的形成来源燃料型NOX:燃料中的固定氮(20～80%)生成热力型NOX:大气中的氮在高温条件下被氧化生成NOX结构NONO290％10％燃烧温度不太高时，排气中主要是燃料型NOX；在高温下，空气中的氮也被氧化为NOX，反应式如下：另外，由于T↑，CNO↑；

T↓，CNO2↑，且高温下生成的NO在低温下转化为NO2且烟气在高温下停留时间越长，则NO的生成量就越多，故降低燃烧温度，减少烟气在高温区的停留时间，有利于降低烟气中NOX浓度，减少NOX对大气的污染。燃烧过程中产生的颗粒污染物主要是烟尘（飞灰和黑烟）。煤在理想燃烧状态下，可以完全燃烧，碳等元素被氧化为CO2等气体。如果燃烧时空气分配不均匀，则在空气不足的地方会产生大量未燃烧的炭粒，在高温下热解生成多环化合物（黑烟）。黑烟中有芘、苝、蒽、苯并芘等有害物质，其产生量与煤种、炉型和燃烧条件等有关。2.4.3颗粒污染物的形成