燃烧与大气污染.

第二章燃烧与大气污染燃料的性质燃料燃烧过程烟气体积及污染物排放计算燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧过程中颗粒物的形成燃烧过程中其他污染物的形成了解常见民用及工业燃料的组成和性质；了解气态、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；了解颗粒物、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。燃料的分类按物理状态分：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、焦炉煤气一、煤1.煤的分类：“煤化”过程（1）褐煤：水份含量高，热值较低（2）烟煤：成焦性较强，适宜工业上的一般应用（3）无烟煤：碳含量高，热值较高，成焦性极差泥煤：是最年轻的煤，质地疏松，吸水性强，含C、S低，挥发分高，可燃性好。主要用作锅炉燃料和化工原料，机械强度差，易粉碎。C：70%褐煤：是最低品位的煤，是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最短。含C量较高，H、O含量少，挥发分高，在空气中易风化粉碎，也多作地方燃料C：70-78%烟煤：含C量高，挥发分高于无烟煤而低于褐煤，挥发分含量为20%-45%。C：75-90%。宜炼焦，是冶金、建材和动力等工业中不可缺少的能源。无烟煤：它具有明亮的黑色光泽，机械强度高。含C量最高，灰分及挥发分少，含S低。可燃性差，但热值大。（约为：29308KJ/Kg）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。估测硫含量和热量，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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7分钟，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在变化时，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、灰分以及灰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（2）氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为2-10%，以碳氢化合物的形式存在，1kg氢完全燃烧时能放出28780kcal的热量。（3）氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量。（4）氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%。（5）硫：以四种形态存在：硫化铁硫有机硫：可燃，挥发硫硫酸盐硫：不可燃单质硫3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4煤中硫的形态5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100%arararararararCHONSAW100%adadadadadadadCHONSAW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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）二、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三、天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％热值决定燃料的消耗量杂质污染物产生的来源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一、影响燃烧过程的主要因素1.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NOx一、影响燃烧过程的主要因素2.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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不考虑热力型NOX的生成燃料中的N在燃烧时转化为N2燃料的化学方程式为CxHySzOw2222223.7842423.78242xyzwywywCHSOxzOxzNyywxCOHOzSOxzNQ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/kg322.44.78/(121.0083216)/42ywxzxyzwmkg例题：例题：[例2-3]某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（质量分数）：C：88.3%；H：9.5%；S1.6%；H2O：0.05%；灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量。解：以1kg重油燃烧为基础，则：质量/g重油成分物质的量/mol理论需氧量/molC88373.5873.58H9547.523.75S160.50.5H2O0.50.02780所以理论需氧量为（73.58+23.75+0.5）mol/kg=97.83mol/kg（重油）假定干空气中氮和氧的摩尔比为3.78，则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为：97.83×（3.78+1）mol/kg=467.63mol/kg（重油）即467.63×22.4/1000mN3/kg=10.47mN3/kg质量/g重油成分物质的量/mol理论需氧量/molC88373.5873.58H9547.523.75S160.50.5H2O0.50.027802.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0VVaa实际空气量理论空气量3.空燃比（AF）单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。例：纯碳在理论空气量下的完全燃烧：空燃比：燃料中氢相对含量的减少，碳的相对含量的增加，理论空燃比随之减小。QNCONOC222276.378.35.11129.28)78.31(AF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）：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：包括燃料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25(9)(/)LHHWqqkJkg2.燃烧设备的热损失•排烟热损失•不完全燃烧热损失•炉体散热损失燃烧热损失与空燃比的关系一、烟气体积计算1.理论烟气量：在供给理论空气量条件下，燃料完全燃烧产生的烟气体积，称为理论烟气量。以表示。理论烟气成分：CO2、SO2、N2、水蒸气0fgV一、烟气体积计算2.烟气体积和密度的校正：为了便于、计算和比较，往往要把烟气体积和密度换算成标准状况（273K、101325Pa）。把烟气视为理想气体，应用状态方程式进行换算。sNNsTTppsNVVNssNTTppsN一、烟气体积计算3.过剩空气校正实际烟气体积=理论烟气体积+过剩空气量当用奥氏气体分析仪测定出烟气中的CO2、O2、CO等含量后，可以确定燃烧设备运行时的烟气成分和空气过剩系数。（1）燃料完全燃烧，烟气中无CO时（2）若燃烧过程产生CO时22210.264pppONO)5.0(266.05.01222PPPPPCOONCOO一、烟气体积计算实际烟气体积计算：0aVVV1fgfg00aVVV1fgfg二、污染物排放量的计算1.实测法：实际测量烟气中污染物浓度，排烟体积和温度等数据，计算污染物的排放量。（工作量大，需要一定的仪器和条件）2.预测法：根据同类燃烧设备的排污系数，燃料成分和燃烧状况，通过燃料衡算预测烟气量、污染物浓度和污染物排放量。（简单方便）例题：[例2-4]对于例2-3给定的重油，若燃料中硫全部转化为SOx（其中SO2占97%），试计算空气过剩系数α=1.2时烟气中SO2和SO3的体积分数，以10-6表示；并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积分数表示。质量/g重油成分物质的量/mol理论需氧量/mol烟气量/molC88373.5873.5873.58CO2H9547.523.7547.5H2OS160.50.50.5SoxH2O0.50.027800.0278H2ON297.83×3.78N2解：理论烟气量为73.58+47.5+0.5+0.0278+97.83×3.78=491.4mol/kg（重油）=11.01mN3/kg实际烟气量11.01+10.47×0.2=13.10mN3/kgSO2体积0.5×0.97×22.4/1000mN3/kg=0.0109mN3/kgSO3体积0.5×0.03×22.4/1000mN3/kg=3.36×10-4mN3/kg体积分数干烟气中CO2的含量：干烟气量12.04mN3/kgCO2体积73.58×22.4/1000mN3/kg=1.648mN3/kg干烟气中CO2的体积分数：1.648/12.04×100%=13.69%例题2-5已知某电厂烟气温度为473K，压力等于96.93kPa，湿烟气量qV=10400m3/min，含水汽6.25%（体积分数）。奥萨特仪分析结果是：φ(CO2)=10.7%，φ(O2)=8.2%，不含CO。污染物排放的质量流量是22.7kg/min。求：(1)污染物排放的质量流量(以t/d表示)；(2)污染物在烟气中的浓度；(3)燃烧时的空气过剩系数；(4)校正至空气过剩系数α=1.4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）测定条件下的干烟气量：测定条件下干烟气中污染物的浓度：标况下的浓度：60min122.72432.7/min1000kghttdhdkg33,1040010.0625m/min9750m/minVdq63322.710/2328.2/9750mgmmgm33101.3254732328.2/4217.0/96.93273NNNNNpTmgmmgmpT（3）空气过剩系数：（4）校正至空气过剩系数为1.4条件下的污染物浓度：