内蒙科大大气污染控制工程课件第02章 燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染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2.1燃料的性质一.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、焦炉煤气二.煤的分类和组成1.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煤的详细分类2.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。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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•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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煤中硫的形态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ararararararar100%CHONSAWadadadadadadad100%CHONSAW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dddddd100%CHONSAdafdafdafdafdaf100%CHONS煤的成分的表示方法及其组成的相互关系我国部分煤种的分析结果我国部分煤种的分析结果(续）三.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％四、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2.2燃料燃烧过程一、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NOx1.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典型燃料的着火温度燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）典型锅炉热损失与过剩空气量的关系燃气比和混合程度对燃烧产物的影响二.燃料燃烧的理论空气量1.理论空气量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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/kg222222CHSOO3.78N4242COHOSO3.78N242xyzwywywxzxzyywxzxzQ322.44.78/(121.0083216)m/kg42ywxzxyzw例题：2.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0实际空气量理论空气量aaVV3.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=15.1181822222181818CH8O3.788N8CO9HO3.788N444三、燃烧过程中产生的污染物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燃烧产物与温度的关系：燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：典型固态燃料的燃烧产物：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LHHW25(9)(kJ/kg)qqWW2.燃烧设备的热损失排烟热损失不完全燃烧热损失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燃烧热损失与空燃比的关系2.3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CO2、SO2、N2和H2O干烟气、标准干烟气、湿烟2.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。ssnsnnnnnssspTVVpTpTpT3.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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。二.污染物排放量计算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排放因子（EmissionFactor）第二章燃烧与大气污染(2)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四节燃烧过程中硫氧化物的形成1.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2OSOSOhv1.硫的氧化机理H2S的氧化222222222OHSSOHSOOSOOOHSOHSHHOOHHHOOHOOHHHOH1.硫的氧化机理CS2和COS的氧化22222222CSOCSSOOCSOCOSOSOOSOOOCSCSSOCSOCOSOCSCOSSSOSOO222COSCOSSOSOOOCOSCOSOSOOSOOhv1.硫的氧化机理元素S的氧化87286*222222323SSSSOSOOSOSOSSSOOSOSOSOOSOOSOOSOOSOOMSOMhv1.硫的氧化机理有机硫化物的氧化2222222222222RCHSSCHRORCHSSCHRHORCHSSCHRRCHSRCHSRCHSRHRCHSHRRSHORSHORSORSO2.SO2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2.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：31223dSOSOOMSOOdkkt123max2SOMSOkk123max3SOMOSOHkk2.SO2和SO3之间的转化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24324HSOSOHSO100/()%xPPP2.SO2和SO3之间的转化SO3的转化率/%SO2排放因子举例-fromAP-42第五节燃烧过程中颗粒物的形成1.碳粒子的生成积炭的生成1.核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳2.核表面上发生非均质反应3.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1.碳粒子的生成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1.碳粒子的生成火焰的结构（续）层流火焰：Re2200，分子扩散和传导是控制过程湍流火焰：Re2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用LaminartransitiondevelopedturbulentheightJetvelocity1.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反应过程1.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2.燃煤烟尘的形成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2.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2