大气污染控制工程 2 燃料与燃料燃烧专业课教材

2.4洁净燃烧技术2燃料与燃料燃烧大气污染控制技术12燃料及燃烧2.1燃料的分类燃料指燃烧过程中能放出热量且经济上可行的物质。按来源：天然燃料和加工燃料；按物态：固体燃料、液体燃料和气体燃料；按使用多少：常规燃料和非常规燃料；2.1.1固体燃料天然固体燃料：矿物燃料(煤)、生物质燃料(林木)。煤的主要组成和元素：C、H、O、N、S及一些非可燃性矿物如灰分和水分等。碳是煤发热主要来源，32700kJ/kg碳。煤含氢3%～5%，结合氢和氧结合成稳定化合物不能燃烧，可燃氢与碳、硫结合成有机物。灰分是煤中的碳酸盐、黏土及微量稀土元素。大气污染控制技术22燃料及燃烧煤中的硫分有无机硫（硫铁矿和硫酸盐）和有机硫（硫醇、硫醚等）两种形态。分为低硫煤（<1.5%）、中硫煤（<1.5%～2.4%）、高硫煤（<2.4%～4%）和富硫煤（>4%）。2.1.2液体燃料天然液体燃料主要指石油，人工液体燃料指汽油、煤油、柴油和重油（经石油的直馏和裂化作用得到）等。燃料乙醇是替代（部分汽油）能源，又能有效解决玉米等陈化粮的转化问题。乙醇几乎能够完全燃烧，不会产生对人体有害的物质，降低汽车尾气有害物质的排放。水煤浆由70%的煤、30%水及少量化学添加剂制成。浆体燃料，可以像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧，具有燃烧效率高、减少环境污染等优点。大气污染控制技术32燃料及燃烧2.1.3气体燃料气体燃料属于清洁燃料，主要包括天然气、液化石油气(LPG)、裂化石油气和焦炉煤气。天然气的主要成分是甲烷，其次为乙烷等饱和烃，还有少量的CO2、N2、O2、H2S和CO等。液化石油气的主要成分是C2、C3

和C4组分，输送和贮存是液体状态，燃烧是气体状态，广泛用于居民生活和汽车等燃料。裂化石油气是用水蒸气、空气或氧气等作气化剂，将石油和重油等油类裂化而得，一般作民用燃料。焦炉煤气是炼焦生产的副产物，主要成分是H2、CH4和CO，还有少量的N2、CO2，广泛用作工业和民用燃料。大气污染控制技术42燃料及燃烧2.2燃料的燃烧过程2.2.1燃烧及燃烧产物燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO等。若燃料中含S、N会生成SO2和NOx。燃烧产生的污染物：硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、烟尘、金属氧化物、碳氢化合物及多环有机物。大气污染控制技术52燃料及燃烧2.2.2燃烧产生污染物的机制2.2.2.1硫氧化物的形成机制硫氧化物是指SO2和SO3。当燃料中的可燃性硫进行燃烧时，就生成了SO2。元素硫燃烧S+O2=SO2

硫化物硫燃烧SO2+1/2O2=SO34FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2SO2+1/2O2=SO3（1%～5%）有机硫CH3CH2SCH2CH3→H2S+2H2+2C+C2H4H2S+3O2=2SO2+2H2OSO2+1/2O2=SO3一般主要生成SO2，SO3可忽略。大气污染控制技术62燃料及燃烧2.2.2.2氮氧化物的形成机制大气中的NOx90%以上产生于燃烧过程。1.热力型NOx热力型NOx是高温燃烧时N2和O2反应生成的NOx；与燃烧温度、氧气的浓度及气体在高温区的停留时间有关。燃烧温度低于1300℃时，只有少量NO生成，燃烧温度高于1500℃时，NO的生成量显著增加。

N2+O2=2NO2NO+O2=2NO2减少热力型NOx的生成量措施：降低燃烧温度，减少过量空气，缩短气体在高温区停留的时间。大气污染控制技术72燃料及燃烧2.燃料型NOx燃料型NOx燃料中有机氮经过化学反应生成的NOx。燃料型NOx的发生机制：一般认为，燃料中的氮化合物首先发生热分解形成中间产物，然后再经氧化生成NO。燃料中的氮经过燃烧约有20%～70%转化成燃料型NOx，主要是NO，在一般锅炉烟道气中只有不到10%的NO氧化成NO2。旋风燃烧炉因炉温高，使燃料中的氮大部分转化为NOx，热力型NOx生成量也增加，限制了使用。大气污染控制技术82燃料及燃烧2.2.2.3颗粒污染物的形成机制燃烧过程中产生的颗粒污染物主要是燃烧不完全形成的炭黑、结构复杂的有机物、烟尘和飞灰等。1.燃煤粉尘的形成煤在非常理想的燃烧条件下，可以完全燃烧，即挥发分和固定炭都被氧化成二氧化碳，余下灰分。燃烧条件不够理想，在高温时会发生热解作用，形成多环化合物而产生黑烟。随烟气一起排出的固体颗粒物一般都称为飞灰，包括未燃尽的煤粒、燃尽后余下的灰粒及燃烧过程中形成的炭黑等。2.气、液燃料燃烧形成的碳粒子气态燃料燃烧的颗粒污染物为积碳，液态燃料高温分解形成颗粒污染物为结焦和煤胞。大气污染控制技术92燃料及燃烧2.2.3燃料完全燃烧的条件1）空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。2）温度条件：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必须达到的最低温度。各种燃烧的着火温度见表2-2，P26。3）时间条件燃料在燃烧室中的停留时间影响燃烧完全的程度。反应速度随温度升高而加快，T↑——t↓。4）燃烧与空气的混合条件燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件。在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度(temperature)、时间(time)和湍流(torrent)，后三者通常称为燃烧过程的“三T”。大气污染控制技术102燃料及燃烧2.2.3发热量与热损失

1.发热量单位质量燃料完全燃烧产生的热量，在燃烧前后状态相同情况下(通常指298K和101325Pa)的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是kJ／kg，或KJ／m3。2.热损失(1)排烟热损失排烟带走部分热量，一般锅炉排烟热损失为6%～12%。减少措施：设置省煤器和空气预热器。一般工业锅炉排烟温度取433～473K，大中型锅炉取383～453K。(2)不完全燃烧热损失化学不完全燃烧热损失：烟气中残留的CO及少量的H2、CH4等可燃气体。机械不完全燃烧热损失：灰渣未燃尽的碳、漏煤和飞灰带走的碳产生的热损失。大气污染控制技术112燃料及燃烧2.3燃烧设备简介根据燃料在炉内的燃烧方式不同分四种：火床燃烧、火室燃烧、沸腾燃烧和旋风燃烧。大气污染控制技术122燃料及燃烧链条炉示意图大气污染控制技术132燃料及燃烧

振动炉排炉示意图

大气污染控制技术142燃料及燃烧旋风燃烧炉示意图大气污染控制技术152燃料及燃烧2.4洁净燃烧技术燃煤脱硫技术可划分为：1.燃烧前脱硫原煤在投入使用前，用物理、物理化学、化学及微生物等方法，将煤中的硫份脱除掉。炉前脱硫能除去灰分，减轻运输量，减轻锅炉的粘污和磨损，减少灰渣处理量，还可回收部分硫。煤的洗选技术、煤的转化。2.燃烧中脱硫在燃烧过程中，在炉内加入固硫剂，使煤中硫分转化为硫酸盐，随炉渣排除。型煤固硫及流化床燃烧脱硫。3.燃烧后脱硫烟气脱硫。大气污染控制技术162燃料及燃烧2.4.1燃烧前脱硫1.洗煤技术■洗煤又称选煤，是通过物理或物理化学方法将煤中的含硫矿物和矸石等杂质去除，来提高煤的质量。是燃前除去煤中矿物质，降低硫含量的主要手段。■煤炭经洗选后，可使原煤中的含硫量降低40％一90％，含灰分降低50％一80％。■目前广泛采用的选煤工艺仍是重力洗选法。

重力洗选：利用煤与杂质密度不同进行机械分离。硫的净化效率取决于煤中黄铁矿的颗粒大小及无机硫含量。有机硫含量大，或煤中黄铁矿嵌布很细时，仅用重力脱硫法，精煤硫分很难达到要求。大气污染控制技术172燃料及燃烧淘汰分选原理图大气污染控制技术182燃料及燃烧跳汰式洗煤机入洗粒度≤30mm；筛板槽框宽18mm；跳汰面积：3.6m2；水压：0.8-1公斤/平方厘米；用水量150吨/小时大气污染控制技术192燃料及燃烧处理煤泥设备和压滤机配套使用浓缩机，即可提高洗煤机产量、又解决了环保问题。

大气污染控制技术202燃料及燃烧新的脱硫方法————浮选法：用于处理粒径小于0.5mm的煤粉，利用煤与矸石、含硫矿物的性质不同进行分离。高梯度磁分离法：利用煤与黄铁矿的磁性不同(黄铁矿是顺磁性物质，煤是反磁性物质)，将黄铁矿分离去除，脱硫效率约60％。化学氧化脱硫法：将煤破碎后与硫酸铁溶液混合，在反应器中加热至120℃左右，硫酸铁与黄铁矿反应生成硫酸亚铁和S，通人O2将硫酸亚铁氧化为硫酸铁。微波辐射法：煤中黄铁矿的硫最容易吸收微波，有机硫次之，煤基质基本不吸收微波。微波吸收后削弱化学键，用浸取液洗涤煤中硫，可以去无机硫和有机硫，还没在工业上应用。大气污染控制技术212燃料及燃烧2.煤的转化◆煤炭的转化主要是气化、液化，对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。A.煤的气化煤的气化是以煤为原料，采用空气、氧气、CO2和水蒸气为气化剂，在气化炉内进行煤的气化反应，可以产出不同组分、不同热值的煤气。煤的气化技术发展很快：第一代干式排灰气化；第二代液态排渣气化；第三代实验阶段的煤催化气化。原理：在氧气不足时，C与O2反应可以生成CO。若将炽热的煤与水蒸气反应，就生成中热值焦炉煤气，即所谓的水煤气。煤气化系统由煤的预处理、气化、清洗和优化组成。大气污染控制技术222燃料及燃烧煤气主要是H2、CO、CH4等，硫以H2S形式存在。生产出煤气中H2S含量几百到几千mg/m3。大型煤气厂先用湿法洗涤脱除大部分H2S，再用干法吸附和催化转化去除其余部分。小型煤气厂一般用氧化铁法脱除H2S。B.煤的液化煤的液化指在一定条件下使煤转化为有机液体燃料。直接液化：对煤进行高温高压加氢直接得到液体产品。间接液化：煤气化转化成合成气（CO+H2），再催化合成液体燃料。煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD，要求大规模水处理设施。

大气污染控制技术232燃料及燃烧3.型煤固硫型煤：使用外力将粉煤挤压制成具有一定强度且块度均匀的固体型块。型煤固硫：选用不同煤种、以无粘结剂法或以沥青等粘结剂，用廉价的钙系固硫剂，经干馏成型或直接压制成型。美国型煤加石灰固硫率达87%，烟尘减少60%；日本蒸汽机车用石灰使型煤固硫率达70%~80%，脱硫费用仅为选煤的8%。民用蜂窝煤和煤球加石灰固硫率可达50%以上，工业锅炉型煤加石灰固硫意义重大。固硫剂一般有石灰粉及碱性工业废渣（电石渣）。成型设备多采用单螺杆挤压成型机和对辊成型机。大气污染控制技术242燃料及燃烧压球机大气污染控制技术252燃料及燃烧蜂窝煤机大气污染控制技术262燃料及燃烧4.重油脱硫常用方法：在钼、钴和镍等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应，加断碳与硫的化合键，以氢置换出碳，同时氢与硫作用形成H2S，从重油中分离出来。重油脱硫的困难:（1）要彻底加工燃料，破坏了原来的组织。（2）产生新的产物：固、液、气态物。大气污染控制技术272燃料及燃烧2.4.2燃烧中脱硫在我国主要采用的技术有两种：炉内喷钙技术和循环流化床燃烧脱硫技术。1.炉内喷钙脱硫炉内喷钙脱硫：煤的燃烧过程中加入钙基固硫剂而达到脱除烟气中二氧化硫目的。特点：投资小、工艺简单、易操作、占地省。（1）炉内喷钙技术原理钙基脱硫剂：主要为石灰石(CaCO3)、熟石灰(Ca(OH)2)、白云石(CaCO3-MgCO3)。煅烧反应为：

CaCO3→CaO+CO2↑大气污染控制技术282燃料及燃烧影响煅烧反应和脱硫率的主要因素——微孔结构比表面积、孔容积、空隙率、孔径分布；比表面积及空隙率：白云石最大，Ca(OH)2次之，CaCO3为最小。煅烧产物CaO与SO2

可发生如下的反应：

CaO+SO2→CaSO3CaSO3+1/2CaO2→CaSO4CaO对SO2的吸收包括如下几个过程：1）SO2

从主气流向颗粒外表面转移的气相传质；2）SO2在多孔介质内的扩散；3）SO2在孔壁上的吸附；4）SO2与CaO的化学反应以及产物层的形成；5）SO2通过产物层向未反应CaO表面的扩散。大气污染控制技术292燃料及燃烧（2）炉内喷钙脱硫技术的现状炉内喷钙脱硫在煤粉炉未广泛应用的原因：炉内喷入的脱硫剂容易发生烧结，表面积快速减少，反应活性和反应速率降低；当温度超过1300℃时，所产生的产物CaSO4

易于分解成CaO和SO2；脱硫率较低((10~30)%)新的研究进展提高吸收剂的活性，改善SO2的扩散过程；以有机钙盐代替石灰石；以有机固体废弃物和石灰制备有机钙混合物。优点：有机钙具有一定的热值，能降低锅炉的煤耗；改变吸收剂喷入位置，避免吸收剂的烧结失活。大气污染控制技术302燃料及燃烧2.流化床燃烧脱硫当气流速度达到使升力和煤粒的重力相当的临界速度时，煤粒将开始浮动。流化床燃烧脱硫具有炉内脱硝脱硫的优点，故普遍受到重视。原理：流化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原气氛，热型Nox基本上不产生，因而NOx生成量减少。流化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云石。石灰石粉碎至与煤同样的粒度（2mm左右）与煤同时加入炉内。在1073—1173K下燃烧，CaO为多孔，达固硫目的。大气污染控制技术312燃料及燃烧流化锅炉分为鼓泡流化床锅炉（FBC）和循环流化床锅炉（CFB）。鼓泡流化床锅炉：在分布板区有较大的空隙率和细小气泡，气泡上升过程中反复发生聚并和分裂，泡径随之增大，直到床面破裂。循环流化床锅炉：无明显的气泡，断面空隙率大，高温除尘器使飞出的物料又返回炉膛内循环利用。大气污染控制技术322燃料