第2章燃烧与大气污染(2)

1第2章燃烧与大气污染(2)教学内容§1燃料的性质§2燃料燃烧过程§3烟气体积及污染物排放计算§4燃烧过程中硫氧化物的形成§5燃烧过程中颗粒物的形成§6燃烧过程中其他污染物的形成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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理论水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中所含的水蒸气+V由供给理论空气量带入的水蒸气32.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，故可应用理想气体方程。设观测状态下（Ts、Ps下）：烟气的体积为Vs，密度为ρs。标态下（Tn、Pn下）：烟气的体积为Vn，密度为ρn。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。ssnsnnnnnssspTVVpTpTpT43.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α=a--过剩空气中O2的过剩数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，a1理论空气量实际空气量5假设空气只有O2、N2,分别为21%、79%，则空气中总氧量为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。PPPNOCONaOaC2222276.311PPPONO222266.01PPPPPCOONCOOa5.0266.05.01222若燃烧是完全的，过剩空气中的O仅能够以的o2形式存在，假定燃烧产物以下标p表示：实际烟气体积Vfg0Vfg=Vfg0+V0a(α-1)6二.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）7二.污染物排放量计算排放因子举例（机动车）EF单位：g/mi车速：15km/hLDGVLDGT1LDGT2HDGVLDDVLDDTHDDVMCTHC18.6127.6742.8844.923.253.4611.2412.07CO123.45106.4202.45293.17.637.6818.9659.57NOx3.575.559.5718.65.035.3853.50.21车型污染物8二．污染物排放量的计算例2-4对例2--3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ppm表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。9二．污染物排放量的计算解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2：73.58H2O：47.5+0.0278SOX：0.5NX：理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+()=491mol/kg重油即491.4×22.4/1000=11.01m3/kg重油空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为：11.01+10.47×0.2=13.1其中10.47为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。78.383.9778.383.9710二．污染物排放量的计算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：KgNm/0109.010004.2297.05.03KgNm/1036.310004.2203.05.034ppmCppmCSOSO75.251010.131036.3.8321010.130109.06463211二．污染物排放量的计算当α=1.2时，干烟气量为：KgNm/04.122.047.1010004.220278.05.474.4913CO2体积为：所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为：重油KgNm/648.110004.2258.733%69.1310004.12648.112二．污染物排放量的计算例2-5：已知某电厂烟气温度为473K，压力为96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m3/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α=1.8时污染物在烟气中的浓度。13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：dtKgtdhhKg/7.32100024min60min7.22min/97500625.01104003mQd36/2.23281097507.22mmgCNmmgTTPPCCNNN3/0.421727347393.9633.1012.232814（3）空气过剩系数：（4）校正至α=1.8条件下的浓度：621.12.81.81264.02.81264.01222PPPONQNmmgCCC3/9.37788.1613.10.42178.1校实实校15§4燃烧过程中硫氧化物的形成一、燃料中硫的氧化机理1.燃料中硫的氧化√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162.H2S的氧化222222222OHSSOHSOOSOOOHSOHSHHOOHHHOOHOOHHHOH173.CS2和COS的氧化22222222CSOCSSOOCSOCOSOSOOSOOOCSCSSOCSOCOSOCSCOSSSOSOO222COSCOSSOSOOOCOSCOSOSOOSOOhv184.元素S的氧化87286*222222323SSSSOSOOSOSOSSSOOSOSOSOOSOOSOOSOOSOOMSOMhv195.有机硫化物的氧化2222222222222RCHSSCHRORCHSSCHRHORCHSSCHRRCHSRCHSRCHSRHRCHSHRRSHORSHORSORSO20二.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21二.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kk22二.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/()%xPPP23二.SO2和SO3之间的转化SO3的转化率/%24§5燃烧过程中颗粒物的形成一、碳粒子的生成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25一.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26一.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LaminartransitiondevelopedturbulentheightJetvelocity27一.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反应过程28一.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29二.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30二.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222CHO2COH(2)Cmnsmn31二.燃煤烟尘的形成燃烧碳层中成分和温度分布32二.燃煤烟尘的形成高灰分燃料的扩散燃烧33二.燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中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锅炉结构34二.燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素——煤质35二.燃煤烟尘的形成燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响36二.燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——燃烧方式37二.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘百分比38二.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况39二.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况40火电厂大气污染物排放标准分类烟尘最高允许排放浓度（mg/m3）在县及县以上城镇规划区内的火电厂锅炉200在县规划区以外地区的火电厂锅炉500第I时段的在县及县以上城镇规划区内、1997年1月1日后还有10年及以上剩余寿命的火电厂锅炉600第Ⅲ时段的火电厂锅炉最高允许烟尘排放浓度41火电厂大气污染物排放标准第Ⅲ时段火电厂各烟囱SO2最高允许排放浓度燃料收到基硫分（％）≤1.01.0最高允许排放浓度（mg/m3）21001200锅炉额定蒸发量煤粉锅炉液态排渣固态排渣≥1000t/h1000650第Ⅲ时段的火电厂锅炉氮氧化物最高允许排放浓度（mg/m3）42二.燃煤烟尘的形成影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素——运行负荷43§6燃烧过程中其他污染物的形成一.有机污染物的形成•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44一.有机污染物的形成比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接原因碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关燃料中高分子碳氢