第2章 燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染概述•我国是世界上大气污染最严重的国家之一，化石燃料的燃烧是造成我国大气污染的主要原因。•燃料燃烧过程排放大量的有害物质，如：SO2、烟尘、NOx、CO2等等，这些物质已成为目前主要的大气污染物。§2.1能源与燃料•§2.1.1我国能源结构与大气污染•1.我国的能源结构•我国一次性能源构成中，煤炭占主要地位，约为70%，石油约20%，天然气、水电约10%。降低用煤比重，增大清洁能源的使用，是控制大气污染的重大课题。•2.能源结构与大气污染•由于我国现阶段能源结构主要是煤，决定了大气污染以煤烟型为主，主要污染物是二氧化硫和烟尘。2009年，我国二氧化硫排放总量高达2549万吨，比2000年增加了27%。居世界第一位；二氧化碳排放量仅次于美国，居世界第二位。酸雨问题日益严重，目前已有80年代的西南少数地区，扩展到长江以南、青藏高原以东和四川盆地的大部分地区，酸雨面积已占国土面积的40%左右，经济损失每年高达上千亿元。•此外，近年来机动车拥有量的迅速增加，也使汽车尾气排放的氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物排放总量逐年上升。•§2.1.2燃料•1.燃料及其分类•燃料——用于燃烧并产生热量的物质。•按来源分：•天然——一次能源（煤、石油、天然气）•人工——二次能源（焦炭、汽油、煤气）•按物态分：•固体，液体，气体•2.主要燃料的性质•（1）煤——有不同结构的C,H,O,N,S的有机聚合物粒子、矿物杂质及水分等结合成整体的混合物。其可燃成分主要是C和H•1）煤的分类•泥煤：形成时间最短，质地疏松、可燃性好、可用作锅炉燃料或化工原料，当地使用。•褐煤：形成时间较短，黑、褐色，含炭量较高，氢、氧含量较低；水分和灰分含量较高，热值较低；易碎，当地使用。•烟煤：形成时间较长，含碳量高；密度较大，燃烧易粘结；品种多（长烟煤、气煤、肥煤、瘦煤、结焦煤等），使用范围广（制煤气、炼焦、动力等）•无烟煤：形成时间最长，含碳量高，灰分及挥发分少；质地密实，热值高、灰分少、含硫低、污染轻。可燃性差，多用作民用燃料。•2）煤的组成•煤的化学组成极其复杂，其主要组分是有机化合物，其分子结构的核心部分是沥青或树脂类的高分子化合物。•煤的主要可燃物质是碳元素，其次是氢，还有氧、氮、硫与碳和氢构成的少量可燃性化合物。此外、煤中还含有一些非可燃性物质，如灰分（SiO2,AI2O3,Fe2O3,CaO等）和水分。•3）煤中硫的形态•煤中硫以三种形态存在：有机硫、黄铁矿硫、硫酸盐硫。•有机硫和黄铁矿硫都能参与燃烧反应，因而称为可燃硫；硫酸盐硫不能参与燃烧反应，故称为非可燃硫。可燃硫燃烧后会生成SO2等有害气体污染大气。•（2）石油（原油）•石油是一种液体燃料，为黑褐色的粘稠液体。原油由不同族和不同分子链的碳氢化合物组成，其中主要是烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃。此外，还有少量的硫化物、氧化物、氮化物、水分和矿物杂质。其中含硫较高的称为高硫原油，含硫较低的称为低硫原油。•根据原油中所含碳氢化合物种类比例的多少，可将原油分为石蜡基、芳香基、中间基及烯基原油。石油炼制后得到的产品主要有：汽油、煤油、柴油、重油及沥青等。••石油中的硫大部分以有机硫的形式存在，其含量约为0.1%~7%，绝大部分存在于重馏份（重油）中。•（3）天然气•天然气是蕴藏在油气地质构造中的可燃碳氢化合物气体。其组成成分以甲烷为主，其次为乙烷、丙烷、丁烷的气态烃类，此外还有少量的氮、氢、二氧化硫、硫化氢等气体。•天然气含硫很少，也没有灰分，属清洁燃料，是防止大气污染最理想的燃料，所以正在我国大力推广。•§2.2燃料的燃烧•§2.2.1燃烧•燃烧是燃料中可燃组分与空气或氧气发生反应并伴有光和热产生的过程。化石燃料燃烧的产物主要是二氧化碳和水，及其他氧化物。但燃烧不完全时，会有烟黑、一氧化碳等大气污染物出现。•§2.2.2燃烧的基本条件•1.温度燃料只有在达到着火温度，才能与氧发生反应而燃烧。当燃料不同时，其着火温度亦各不相同。•2.氧气•氧气是燃烧过程必不可少的因素。燃烧过程的氧一般由空气供给。若空（氧）气供给不足，燃烧不会完全；若空气供给过量，则会增加废气热量损失。•3.时间•达到燃烧温度后，燃料燃烧需要一定的时间（如固体燃料：吸附、反应、解吸）才能完成整个燃烧过程。通常，反应速度随温度的提高而加快，反应时间相应缩短。•4.空气和燃料的混合程度•燃料能否充分燃烧，还取决于燃料与空气的混合程度。混合越快，燃烧越快。若混合不充分，会产生不完全燃烧产物。对加入的空气人为地产生湍流运动，是提高燃烧效率的有效措施。•§2.2.3燃料燃烧所需空气量•1.理论空气量•理论空气量指1kg燃料完全燃烧所需要的空气量，可根据燃烧方程式进行计算。•燃烧化学方程式给予下述假设：•1）空气仅由氮和氧组成，其体积比为79/21=3.76；•2）燃料中的固态氧可用于燃烧；•3)燃料中的硫主要被氧化为二氧化硫；•4）热力型氮氧化物生成量较小，可忽略不计；•5）空气和烟气所含各种组分，均按理想气体计算。•根据计算，每千克燃料完全燃烧时需要外界供应的理论氧气量为：•空气中氧的体积百分比为21%，所以1kg燃料完全燃烧所需要的理论空气量为：1007.010055.51007.0100866.12yyyyKOOHSCVyyyyyyyyOkOHSCOHSCV033.0265.0)37.0(0889.0)1007.010055.51007.0100866.1(21.01•若燃料的化学式为CxHySzOw•则燃烧方程式为：•CxHySzOw+(x+y/4+z-w/2)O2+3.76(x+y/4+z-w/2)N2=xCO2+y/2H2O+zSO2+3.76(x+y/4+z-w/2)N2+Q•燃料重量=12x+1.008y+32z+16w•炉子的过剩空气系数•燃烧方式烟煤无烟煤重油煤气•手烧炉1.3～1.51.3～2.0•链条炉1.3～1.41.3～1.5•悬燃炉1.21.251.15～1.21.05～1.1okkaVV•2.实际空气量•为了保证充分燃烧，往往需要多供应一些空气，则实际空气量为：•式中：α——炉膛出口处的空气过剩系数•3.空燃比AF•——单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。可由燃烧方程式直接求得.•例如：汽油（～C8H18）的完全燃烧：•C8H18+（8+18/4）O2+3.762（8+18/4）N2→8CO2+9H2O+3.76×12.5N2•汽油的质量：128+1.00818=114.14•空气的质量：3212.5+283.7612.5=1723•空燃比AF=15.11•§2.2.燃烧产生的污染物•燃烧烟其主要有颗粒物、氧化物、氧化剂及惰性气体组成。主要物按物有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物、飞灰等。其形成与燃料种类、燃烧条件等有关。•§2.3燃烧过程污染物排放量计算•§2.3.1烟气体积计算•1.理论烟气体积•若供给燃料以理论空气量，燃料完全燃烧，烟气中只含二氧化碳、二氧化硫、水蒸气及氮气四种气体，这时的烟气体积称为理论烟气体积。通常把烟气除了水蒸气以外的部分称为干烟气、包括水蒸气在内的烟气称为湿烟气。•——理论干烟气量，mN3/mN3干燃气。——燃气中任一组分i的碳原子数;——燃气中组分i的体积分数。——燃气中氮的体积分数。——燃气中H2S的体积分数。1．气体燃料的理论烟气量理论干烟气量为2200dfaNHS1V0.79Vniiix式中：V0dfxii2N2HS•V0f—理论湿烟气量，mN3/mN3干燃气。•yi一燃气中任一组分i的氢原子数；•dg—燃气的湿含量，kg/mN3干燃气；•da—空气的湿含量，kg/mN3干空气；•1.24—1kg水蒸气在标准状态下的体积，mN3/kg水蒸气；理论湿烟气量为22222200000fCOHONSO00gaaaNHS11VVVVVdVd0.79V2nniiiiiiyx式中：•式中：V0f—理论湿烟气量，mN3/kg燃料。•Wy—燃料中水的质量分数。2．固体和液体燃料理论干烟气量为：式中：V0df—理论干烟气量，mN3/kg燃料。理论湿烟气量为yayyaayyfNVSWdVHCV799.079.0699.0)(24.1111.11866.1000•2.烟气实际体积的计算•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。okoyyVaVV)1(016.1okoOHoNoSOoCOyVaVVVVV)1(016.12222okokokoyyVaVaVaVV)1(016.0)1(79.0)1(21.0•§2.3.1污染物排放量的计算•通过测定烟气中污染物的浓度，根据实际排烟量，很容易计算污染物排放量。但在很多情况下，需要根据同类燃烧设备的排污系数，燃料组成和燃烧情况，预测烟气量和污染物浓度。22SOOS2322282114SOOFeOFeS32212SOOSO•§2.4燃烧过程硫氧化物的形成与控制•§2.4.1硫氧化物发生机制•单体硫的燃烧：燃料燃烧过程中硫氧化物生成的主要化学反应为•硫铁矿的燃烧32212SOOSO•硫醚等有机硫的燃烧•CH3CH2•S——H2S+H2+C2H4•CH3CH2•2H2S+3O2=2SO2+2H2O•可燃性硫在燃烧时主要生成二氧化硫，只有1~5%氧化为三氧化硫，因此，硫氧化物的控制主要是指二氧化硫的控制。•§2.4.2硫氧化物形成的控制•目前控制燃烧过程二氧化硫生成的主要途径有：按料脱硫、使用低硫燃料和清洁燃烧技术。•1．燃料脱硫•（1）煤炭脱硫：煤的燃前脱硫方法按基本原理可分为物理脱硫、化学脱硫和生物脱硫。•当前常用的物理法工艺简单，效率低。脱硫工艺有：重力脱硫法、浮选法脱硫、磁电脱硫法。•化学法脱硫是通过氧化剂把硫氧化，或者是把硫置换而达到脱硫目的。•微生物脱硫是利用微生物能够选择性地氧化硫的特点，除去煤中的硫元素。•2.煤炭转化•煤炭转化主要是气化和液化，即对煤进行脱碳或加氢改变其原来的碳氢比，把煤转化为清洁的二次燃料。•（1）煤的气化•（2）煤的液化•3．燃烧中固硫•固硫剂的添加方式有掺入燃料、加入型煤和喷入炉膛等几种。•（1）掺入燃料：对层燃炉，将固硫剂掺入燃料是很简便的方法，但固硫率不高，当β=2～3时，固硫率仅为50%左右，如要达到90%的固硫率，则β要大于5，显然成本高，灰渣量大。•（2）型煤固硫：在小型锅炉和民用炉灶燃用的型煤中加入固硫剂，可以减少SO2排放量50%以上，减少烟尘排放量60%，节煤10%～15%。•（3）向炉膛喷入固硫剂：炉内燃烧过程中脱去燃料中的硫，所采用的燃烧炉有沸腾炉和循环流化床。采用循环流化床工艺可使脱硫剂反应时间长并对锅炉负荷变化的适应性强。炉内喷钙尾部烟道增湿脱硫技术•§2.5燃烧过程氮氧化物的形成与控制•§2.5.1氮氧化物的形成•氮氧化物主要指一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物中的氮来源于燃料中含有的氮，以及燃烧过程助燃空气中的氮。前者由于在燃烧过程中生成的氮氧化物，所以称为燃料型氮氧化物；后者是空气中的氮在高温下氧化而成，故称为热力型或温度型氮氧化物。•1.燃料型氮氧化物的生成•燃料中氮烟化物生成机理，目前尚未完全研究清楚。燃料中所含氮化物转化为一氧化氮的过程主要包括以下过程：•1）氮化物分解，同时生成中间产物；•2）中间生成物之间的反应；•3）中间生成物变成一氧化氮；•4）一氧化氮的分解。•`其主要反应有：NO+2C--N2+2CO•NH3+NO--N2+OH•NO+H2O--NO2+OH••燃料中含有一定量氮时，氮氧化物主要由燃料氮产生，并取决于燃料含氮量。•2.热力型氮氧化物的生成•热力型氮氧化物生成模式可概括为:•O+N2=NO+N•N+O2=NO+O•一般在温度为1573-1773K时，热力型一氧化氮才会出现。随着温度的上升，其生成量迅速增加。一般锅炉的温度，难以生成大量的一氧化氮。一氧化氮在向大气排放