空气污染控制工程第2章121212121

第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质第二节燃料燃烧过程第三节烟气体积及污染物排放量计算第四节燃烧过程硫氧化物的形成第五节燃烧过程颗粒物的形成第六节燃烧过程其它污染物的形成1.教学要求了解常见民用及工业燃料的组成和性质；掌握气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧过程的因素；学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度；掌握颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径2、教学重点重点理解燃烧的基本原理和相关污染物形成机理，重点掌握燃烧过程污染物排放计算。3、教学难点燃烧过程污染物排放计算。第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.1概述●燃料：在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可以取得收益的物质。●分类：固体、液体、气体1.2煤●分类：褐煤、烟煤、无烟煤●工业分析指标：水分、灰分、挥发分、固定碳●元素分析：碳、氢、氮、硫、氧等●硫的形态：黄铁矿硫、硫酸盐硫、有机硫和元素硫●煤成分表示：收到基、空气干燥基、干燥基、干燥无灰基煤的分类（1）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：①挥发分较高，析出温度低；②燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量60—75%，O2含量20—25%。（2）烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。特点：挥发分20—45%，C含量75—90%。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。（3）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。特点：C含量93%,无机物量10%,着火难，不易自燃，成焦性差。第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤煤的工业分析（1）水分：水分包括外部水分和内部水分一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318-323K温度下干燥8小时，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内部水分外部水分＋内部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使热值降低，影响燃烧稳定一般控制煤中水分在10%～13%。第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤煤的工业分析（2）挥发分：•煤在隔绝空气的条件下加热分解出的可燃气体物质成为挥发分.•将风干的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重。•挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳及少量的硫化氢等组成.•相同的热值下，煤中挥发分越高就越容易燃着，火焰越长，越易燃烧完全.第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤（3）固定碳从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳，是煤的主要可燃物质。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在变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳。（4）灰分：灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。高灰分、低熔点的煤极易结渣，从而影响热效率。第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤煤的工业分析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，S转变为SO42-，滴定第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤9煤中硫的形态第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤10a.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6—6.5,比重4.7—5.2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。b.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SOx污染物只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4。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。第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤煤中硫的形态11•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100%arararararararCHONSAW100%adadadadadadadCHONSAW第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤12煤的成分的表示方法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100%dafdafdafdafdafCHONS100%ddddddCHONSA第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.2煤第一节燃料的性质1.3石油●比重：0.78-1.00组成：链烷烃、环烷烃、芳香烃●元素：碳、氢为主少量硫、氮、氧及微量金属●燃料油：当含氢量增加，比重减少，发热量增加；闪点；粘度。●硫的形态：有机硫为主重馏分：复杂的环状结构轻馏分：硫化氢、硫醇、一硫化物、二硫化物、环状硫化物主讲：李广科博士主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第一节燃料的性质1.4天然气●组成：甲烷（85％）、乙烷（10％）、丙烷（3％）、其它（H2O、CO2、N2、He、H2S）●元素：碳、氢为主少量硫、氮、氧及微量金属1.5非常规燃料●城市固体废弃物●商业、工业固体废弃物●农产物、农村废物●水生植物和水生废物●污泥处理厂废物●可燃性工、矿业废物●天然含碳或含碳氢资源●合成燃料主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第二节燃料燃烧过程2.1影响主要因素●燃烧：可燃物的快速氧化过程，并伴随着能量的（光和热）释放，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。●完全燃烧的条件：空燃比温度时间湍流度第二章燃烧与大气污染第二节燃料燃烧过程2.2燃料燃烧的理论空气量●定义：单位燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量。●建立燃烧化学方程式的假定：①空气仅由氮和氧组成，体积比为79.1/20.9＝3.78②燃料中的固态氧可以燃烧③燃料中的硫主要被氧化为SO2④热力型NOx生成量小，燃料中含氮量较低，可以忽略⑤燃料中氮在燃烧时转化为N2和NO2，一般以N2为主⑥燃料的化学式为CxHySzOw，其中x、y、z、w为原子数主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染燃料与空气中氧完全燃烧的化学方程式：2222223.7842423.78242xyzwywywCHSOxzOxzNyywxCOHOzSOxzNQkgmwzyxwzyxwzyxwzyxVa/1632008.112/241.1071632008.112/2476.44.22301.理论空气量：第二章燃烧与大气污染第二节燃料燃烧过程2.2燃料燃烧的理论空气量2.空气过剩系数定义：实际空气量与理论空气量之比。以表示，通常13．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）0VVaa实际空气量理论空气量第二章燃烧与大气污染第二节燃料燃烧过程2.2燃料燃烧的理论空气量第二节燃料燃烧过程2.3燃烧产生的污染物●燃烧烟气：悬浮颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂、惰性气体等。●可能释放的污染物：二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第二节燃料燃烧过程2.4热化学关系式●发热量：单位燃料完全燃烧时发生的热量变化，即在反应物开始状态和反应物终了状态相同的情况下（298K、1atm）的热量变化。高位发热量：包括燃料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●热损失：排烟损失、不完全燃烧损失、散热损失、主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第三节烟气体积及污染物排放量计算3.1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。理论烟气体积包括：干烟气体积和水蒸气体积之和，成分主要是：CO2、SO2、N2和水蒸气●烟气体积和密度的校正：利用理想气体状态方程换算成标准状态。●过剩空气校正：实际烟气体积＝理论烟气体积＋过剩空气量空气过剩系数α＝实际空气量/理论空气量主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第三节烟气体积及污染物排放量计算3.2污染物排放量计算●例题2-4：●例题2-5：主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第四节燃烧过程硫氧化物的形成4.1硫氧化机理●燃料中硫的氧化●H2S的氧化●CS2和COS的氧化●元素硫的氧化●有机硫的氧化4.2SO2和SO3之间的转化主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染241.燃料中硫的氧化R煤受热后有机硫与无机硫挥发出来，与氧反应生成SO2R无机硫的分解速度较慢R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四节燃烧过程硫氧化物的形成4.1硫氧化机理252.H2S的氧化第四节燃烧过程硫氧化物的形成4.1硫氧化机理263.CS2和COS的氧化第二章燃烧与大气污染第四节燃烧过程硫氧化物的形成4.1硫氧化机理274.元素S的氧化第二章燃烧与大气污染第四节燃烧过程硫氧化物的形成4.1硫氧化机理285.有机硫化物的氧化第二章燃烧与大气污染第四节燃烧过程硫氧化物的形成4.1硫氧化机理294.2SO2和SO3之间的转化•反应方程式低温生成：•SO2+O+MSO3+M（1）高温消耗：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）起支配作用第二章燃烧与大气污染第四节燃烧过程硫氧化物的形成30•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kk第二章燃烧与大气污染第四节燃烧过程硫氧化物的形成4.2SO2和SO3之间的转化31•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/()%xPPP第二章燃烧与大气污染4.2SO2和SO3之间的转化第四节燃烧过程硫氧化物的形成第五节燃烧过程颗粒污染物的形成5.1碳粒子的形成碳粒子积炭（气相反应）结焦或煤胞（液态烃高温分解）5.2燃煤烟尘的形成●烟尘：是固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括黑烟和飞灰。黑烟是未燃尽碳粒、飞灰是不可燃矿物微粒●煤粉燃烧过程●影响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、锅炉运行负荷以及锅炉结构等主讲：李广科博士第二章燃烧与大气污染第六节燃烧过程其它污染物的形成6.1有机污染物的形成6.2一氧化碳的形成6.3汞的形成和排放第二章燃烧与大气污染346.1有机污染物的形成危害：多核有机化合物积累到一定量能致癌；较活泼的碳氢化合物是产生光化学烟雾的直接原因。形成历程：1.链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔2.延长乙炔的链形成各种不饱和基3.不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔4.不饱和基通过环化反应形成C6－C2型芳香族化合物5.C6－C2基逐步合成为多环有机物第二章燃烧与大气污染第六节燃烧过程其它污染物的形成35•CO是所有大气污染物中量最大、分布最广的一种污染物•CO的全球排放量为200×106t/a•燃料中的碳都先形成CO，然后进一步氧化•在火焰温度下有足够的氧并且停留时间足够长，可以降低CO含量。•CO的形成