第二章 燃烧与大气污染.ppt

1、第二章 燃烧与大气污染,第一节 燃料与燃烧过程 第二节 燃烧计算 第三节 燃烧污染物的形成与控制 重点：（二）燃烧计算 理论空气量、空气过剩系数 烟气量 污染物排放量,1. 燃 料 的 性 质,燃料的定义： 指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。,燃料的分类： （1）常规燃料 如煤（coal）、石油(petroleum)、天然气(rude gas)等。 （2）非常规燃料 按物理状态又可分为： （1）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧；留下的固定炭以固态燃烧。 （2）液体燃料：由蒸发过程控制，气态形式燃烧。 (3) 气态燃料：由扩散或混合控制。,几种常规燃料 一、煤,定义：是一种复杂的物质

2、聚集体。主要可燃成分是C、H及少量O、N、S等一起构成的有机聚合物。 性质：煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。,分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。 a.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材结构。 特点：挥发分较高；燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。,b.烟煤： 形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。 挥发分2045%，C7590%。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。 c.无烟煤： 碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。

3、C含量93%, 无机物量10%, 着火难，不易自燃，成焦性差。,2.煤的组成 煤的组成按测定方法分为工业分析、元素分析两大类。 a.工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。 b. 元素分析：用化学法测定的去除掉外部水分的主要组分。C、H、N、S、O等。,C. 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。,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

4、水分和灰分的燃料作为100%的成分。,3.煤中硫的形态,黄铁矿(愚人金 )： 具有NaCl型晶体结构。 成分相同而属于正交（斜方）晶系的称为白铁矿。 一般将黄铁矿作为生产硫磺和硫酸的原料，而不是用作提炼铁的原料，因为提炼铁有更好的铁矿石。,白铁矿： 白铁矿往往呈鸡冠状或束状，因此它还被称为鸡冠状黄铁矿或矛状黄铁矿。,砷黄铁矿(毒砂 )： 中国从毒砂（旧称白砒石）中制取砒霜（As2O3）历史悠久。单斜或三斜晶系。晶体呈柱状，集合体成粒状或致密块状。锡白色，金属光泽。敲击时发出蒜臭味。,a. 硫酸盐硫: 硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它形态的硫能燃烧放出热量。通常所说的

5、SOx污染物不包括MeSO4。 b. 硫化铁硫：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿硫。 黄铁矿：硬度 66.5 , 比重 4.75.2 本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。 c. 有机硫：以各种官能团形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。,二、石油,石油 是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动液体。比重0.781.00 主要含C、H及少量的S、N、O，此外，含有微量金属（钒、镍）、砷、铅、氯等，10ppm左右。 原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，其含硫量变化范围

6、较大，一般为0.17%。原油通过蒸馏、裂化和重整过程生产出各种产品。原油中的S约有8090%留于重馏分中。硫以复杂的环状结构存在，而需去除的仅是硫原子，故不能用物理方法分离硫化物。采用高压下的催化加氢破坏CSC键形成H2S气体，可达目的，但费用很高。,三、天然气,一般组成为CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。,2-2 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 2燃料完全燃烧的条件 3发热量及热损失 4. 燃烧产生的污染物,1燃烧过程及燃烧产物 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

7、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和其它部分氧化产物等。 若燃料中含S、N，则会生成SO2和NOx，燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。 Fuel NOx(燃料型NOx)燃料中的N； NOx生成量 Thermal NOx(热力型NOx)高温时空气中的N。,2燃料完全燃烧的条件 燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充分混合(湍流)。 （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。,（3）时间条件： 燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃

8、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时间。 （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、时间、湍流度(三T) 。,3发热量及热损失,（1） 发热量 单位燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下（常温298K,101325Pa）的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg（固体），KJ/m3(气体)。发热量有高位、低位之分。 高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Qh 低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧

9、释放的热量。Q1 发热量可用氧弹式量热计测定，也可用经验公式计算。,（2） 热损失 排烟热损失：热损失为612%。 不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。 散热损失：由于设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。,4燃烧产生的污染物 硫氧化物SOx： 随温度变化不大，主要是煤中S。 粉尘：随燃烧温度而变化(增高、不变、降低均有变化)。 CO及HC化合物：随燃烧温度而变化(增高、不变、降低均有变化)。 NOx：随燃烧温度而变化(增高、不变、降低均有变化)。,二、燃料燃烧的理论空气量,1理论空气量（ Va0 ） 单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。 理论空气量获

10、得: （1）可由燃烧反应方程式 （2）经验公式（由热值） 固体燃料 液体燃料 气体燃料 天然气,建立燃烧化学方程式时，假定： 1.空气仅由N2和O2组成，其体积比为79/21=3.76； .燃料中的固态氧可用于燃烧； . 燃料中的硫被氧化成SO2； .计算理论空气量时忽略NOX的生成量； .燃料的化学式为CxHySzOw，其中下标x、y、z、w分别代表C、H、S、O的原子数。,完全燃烧的化学反应方程式：,理论空气量：,3.66.0 褐煤 一般煤的理论空气量 7.58.5 无烟煤 910 烟煤 液体燃料（燃料油）的 干: 8.849.01 天然气 湿：11.412.1,2空气过剩系数a 实际空气

11、量Va与理论空气量Va0之比为空气过剩系数a： 通常a1 3空燃比（AF） 定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。 4理论空气量的经验计算公式,例1：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%，水分0.5%。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：,理论需氧量为： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 假定空气中N2与O2的摩尔比为3.76(体积比) 则，理论空气量为： mol/kg重油 即 Nm3/kg重油,2-3 烟气体积及污染物排放量计

12、算,一烟气体积计算 . 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。以Vfg0表示，烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气。 干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气； 湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。 Vfg0=V干烟气+V水蒸气 V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中+V理论空气量带入的,2实际烟气体积 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va0 3.烟气体积和密度的校正 燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故需换算成标态。 大多数烟气可视为理想气体，故可应用理想气体状态方程。 设观测状态下（Ts、Ps）：烟气的体积为Vs，密

13、度为s 标态下（TN、PN）： 烟气的体积为VN，密度为N 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。,4.过剩空气较正 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。 用奥氏烟气分析仪测定烟气中的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。 空气过剩系数为 a= m-过剩空气中O2的过剩系数 设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形式存在，燃烧产物用下标P表示，,假设空气只有O2、N2，分别为21%、79%，则空气中总氧量为(21/7

14、9)N2p=0.266N2p 理论需氧量： 0.266N2P-O2P 所以 （燃烧完全时） 若燃烧不完全会产生CO，须校正。即从测得的过剩氧中减去CO氧化为CO2所需的O2 此时 各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。 5 标况下烟气量计算的经验式,二污染物排放量的计算,例2 对例1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a=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以x10-6表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以干烟气体积百分比表示。,解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为： CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 SOX：0.5

15、 NX： 理论烟气量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=489.45mol/kg重油 即 10.96Nm3/kg重油 空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为： 10.96+(1.2-1)*10.43=13.05Nm3 其中10.43为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。,烟气中SO2的体积为 烟气中SO3的体积为 所以，烟气中SO2、SO3的浓度分别为： 25.75/835.25=3.1%,当=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3：已知某电厂烟气温度为473K，压力为96.93kPa，湿烟气量Q=10400m

16、3/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） 污染物在烟气中浓度 （3） 烟气中空气过剩系数 （4）校正至空气过剩系数=1.8时污染物在烟气中的浓度。,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： N2p=100-10.7-8.2=81.1 （4）校正至=1.8条件下的浓度：,2-4 燃烧过程SOx的形成及控制,一、燃料中硫的氧化机理 燃料中的硫

17、在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相当低，即使在贫燃料状态下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物(SO)2，还有少量一氧化二硫S2O。这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。 故一般主要生成SO2,计算时可忽略SO3。,二、SOx的控制 1.重油脱硫 重油脱硫常用的方法：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，打断碳与硫的化合键，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：

18、固、液、气态物。,2燃料脱硫 ）煤炭的固态加工 国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是： 炼焦煤：硫分1%，灰分68%； 动力煤：硫分0.51%，灰分1520%。 故原煤必经分选以除去煤中的矿物质。 目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低4090%的S）,此法对有机硫含量较大的煤还不能达到环保条例的要求。 正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等，工业上应用的很少。 型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。,2）煤炭的转化 煤炭的转化主要是气化、液化。即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。

19、A.煤的气化 煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯-托切克气化；“第二代”液态排渣气化、Hygas气化、Cogas气化等未商业化；“第三代”处于实验阶段的煤催化气化。 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。 去除方法有干法、湿法。 B. 煤的液化 直接液化 SRC-法 间接液化 鲁奈气化-弗托合成法 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。,3. 煤燃烧二氧化硫的控制 分为燃前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫和煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫被认为是最有效的脱硫方式。 燃前脱硫: 1）逃汰选煤 是各种密度、粒度和形状的物料在不断变化的流体中运动过程的选煤。属于物理选煤，主要利用煤中各种成分比例不同，而去除部分灰份和黄铁矿，不能去有机硫。 2）重介质选煤 采用磁铁矿和水配置的悬浮液作为选煤的介质，利用不同浮力进行选煤，属于物理方法。 3）浮选选煤 是气、液、固三相界面的分选过程，包括水中矿物颗粒粘附在气泡，然后上浮到煤浆表面。因为煤的湿润性较好而矿物的湿润性较差。 4）高梯度强磁分离煤脱硫技术 煤中有机硫为逆磁性而大部分无机硫为顺磁性，利用磁性不同分离。,5）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