第二章 燃烧与大气污染

环境工程——大气污染控制工程谢绍东E-mail:[e-mail].:62755852教材郝吉明马广大主编大气污染控制工程第二版高等教育出版社蒲恩奇主编大气污染治理工程高等教育出版社NoeldeNeversAirPollutionControlEngineering(secondedition)McGraw-Hill教学大纲第一章概论第二章燃烧与大气污染第三章颗粒物污染物控制技术基础第四章除尘装置第五章气态污染物控制技术基础第六章硫氧化物的污染控制第七章固定源氮氧化物污染控制第八章挥发性有机物污染控制第九章城市机动车污染控制第十章大气污染和全球气候第二章燃烧与大气污染主要的大气污染物：烟尘、NOx和SO2源于燃料燃烧燃料燃烧过程的基本原理；污染物的生成机理；如何控制燃烧过程，以便减少污染物的排放量。第一节、燃料的性质一、煤煤是重要的固体燃料，是一种不均匀的有机燃料，主要是植物的部分分解和变质形成。煤的可燃成分主要是碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。各种聚合物之间由不同的碳氢支链相互连成更大的颗粒。煤中有机成分和无机成分的含量，因煤的种类和产地的不同而有很大差别。1煤的分类褐煤最低品位的煤，是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最短。呈黑色、褐色和泥土色，其结构类似木材。褐煤呈现出粘结状及带状，水分含量高，与高品位煤相比，其热值较低。烟煤形成年代较褐煤长，呈黑色，外形有可见条文，挥发分含量为20%-45%，碳含量为75%-90%。烟煤的成焦性较强，且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，适宜于工业上的一般应用。在空气中，它比褐煤更能抵抗风化。无烟煤无烟煤是碳含量最高、煤化时间最长的煤。它具有明显的黑色光泽，机械强度高。碳的含量一般高于93%，无机物含量低于10%，因而着火困难，储存时稳定，不易自燃。无烟煤的成焦性极差。2煤的工业分析水分:包括外部和内部水分灰分：煤中不可燃矿物物质的总称，其含量和组成因煤种及粗加工的不同而异，我国煤炭的平均灰分约25％。它的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染及出渣量。挥发分：煤在与空气隔绝的条件下加热分解出的可燃气体物质称为挥发分。固定碳：从煤中扣除水分、灰分及挥发分后剩余的部分就是固定碳，是煤的主要可燃物质。估测硫含量热值3煤的元素分析碳氢氮:在催化剂作用下使煤中氮转变为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。硫：将样品中放在MgO和无水Na2CO3的混合物上加热，使硫化物变为硫酸盐，再以重量法测定硫酸钡沉淀。氧通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量。4煤中硫的形态采用物理、化学和放射化学法测定结果证实，煤中含有四种形态的硫：黄铁矿硫(FeS2)、硫酸盐硫（MeSO4)、有机硫(CxHySz)和元素硫。煤中各种形态硫的比例，直接影响煤炭脱硫方法的选择。一般把硫分为硫化铁硫、有机硫和硫酸盐硫。前两种能燃烧放出热量称为挥发硫，硫酸盐硫不参加燃烧，是灰分的一部分。二、石油石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动的液体，比重在0.78-1.00之间。它是多种化合物的混合物，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。原油通过蒸馏、裂化和重整生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。原油中的硫大部分以有机硫的形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团。原油中硫的含量变化范围较大，一般为0.1％－7％。原油中的硫分约有80－90％留于重馏分中，一复杂的环状结构存在。三、天然气•天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外的其他组分，如H2O、CO2、N2、He和H2S等。•天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃烧产物为硫的氧化物，因此许多国家规定了天然气中总硫含量和硫化氢含量的最大允许值。四、非常规燃料城市固体废弃物；商业和工业固体废弃物；农产品及农村废物；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；合成染料。第二节燃料燃烧过程一、燃烧过程及其主要影响因素1燃烧过程及燃烧产物燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化成为相应的氧化物。多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2和H2O。然而，不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和其他部分氧化产物等大气污染物。若燃烧过程含有氮和硫，则会生成SO2和NO，以污染物形式存在在于烟气中。此外，当燃烧温室温度较高时，空气中的部分氮也会被氧化成为NOx，常称为热力型氮氧化物。2燃料完全燃烧的条件（1）空气条件燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气量。如果空气供应不足，燃烧就不安全。相反空气量过大，也会降低炉温，增加锅炉的排烟损失。因此，按燃烧不同阶段供给相适应的空气量是十分必要的。（2）温度条件燃料只有达到着火温度才能与氧化合燃烧。着火温度是在氧存在下可燃物质开始燃烧所必须达到的最低温度。各种燃料都具有自己特征的着火温度，按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺序上升。（3）时间条件（4）燃料与空气的混合条件燃料和空气中氧的充分混合也是有效燃烧的基本条件。混合程度取决于空气的湍流度。若混合不充分，将导致不完全燃烧产物的产生。对于蒸汽相的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发。对于固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层，从而提高表面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”二、燃料燃烧的理论空气量1理论空气量燃料燃烧所需要的氧气，一般是从空气中获得的；单位量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，由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。建立燃烧化学方程式时，通常假设：（1）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79.1:20.9=3.78；（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SO2；（4）热力型NOx的生成量较小，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可以忽略；（5）燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO，一般以N2为主；（6）燃料的化学式为CxHySzOw，其下标x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数于是，理论空气量Q)N2wz4y3.78(xzSOOH2yxCO)N2w4y3.78(x)O2wz4y(xOSHC222222wzyxzwzyxwzyx1632008.112)2wz4y(x1.1071632008.112)2wz4y4.78(x22.4V0a例1计算辛烷(C8H18)在理论空气量条件下燃烧时的燃料/空气质量比，并确定燃烧产物气体的组成。2222218847.25NO9H8CO)3.78N12.5(OHC显然，燃烧1mol辛烷需要12.5×4.78＝59.75mol空气。辛烷的摩尔质量为114，于是理论空气量下燃烧时燃料/空气的质量比为：0662.01723114)2878.332(5.12114mmsaf气体组成通常以摩尔百分比表示，它不随气体温度和压力变化。燃烧产物的总摩尔数为8＋9＋47.25＝64.25，因此烟气组成为：xCO2=8/64.25=0.125=12.5%xH2O=9/64.25=0.140=14.0%xN2=47.25/64.25=0.735=73.5%例2假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%，N:1.2％，S:2.6%，O:5.9%，灰分:7.9%。试计算这种煤燃烧时的理论空气量。解：首先确定煤的摩尔组成。为计算简便，相对于单一原子标准化其摩尔组成。％(以质量计)mol/100g(煤)mol/mol(碳)C77.2÷12＝6.43÷6.43＝1.00H5.2÷1＝5.2÷6.43＝0.808N1.2÷140.0857÷6.43＝0.013S2.6÷320.0812÷6.43＝0.013O5.9÷160.369÷6.43＝0.057灰分7.9÷6.43＝1.23对于该种煤，其组成可表示为:CH0.808N0.013S0.013O0.057燃料的摩尔质量，即相对于每摩尔碳的质量，包括灰分，为M=100g/6.43mol(碳)＝15.55g/mol（碳）/kg8.22m/molm1022.41kg1000g15.5g3.78)mol(11.19VV)10948.028)g/mol3.781.19(3215.55g/mol)mm(比：空气的质/空气条件下燃料因此，1.19＝20.057－0.013＋40.808＋1＝α其中0.0065)N(3.78α0.013SOO0.404HCO)3.78Nα(OOSNCH3330a0saf2222220.0570.0130.0130.808表示，则有需要空气的标准体积若以单位质量燃料（如量理论akg一般煤的理论空气量Va0＝4－9m3/kg，液体燃料的Va0=10-11m3/kg2空气过剩系数在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧；但实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想化的程度，因此为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数α，即通常α〉1，α值的大小取决于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素。0aaVV3、空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可以由燃烧方程式直接求得。例如，甲烷燃烧：空燃比：随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量的增加，理论空燃比随之减少。2222247.56NO2HCO7.56N2OCH2.171612856.7322AF三、燃烧产生的污染物燃料燃烧过程并不是那么简单，还有分解和其他的氧化、聚合过程。燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体（主要是N2）等组成。燃烧可能释放出的污染物有：CO2、CO、SOx、NOx、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和绸环碳氢化合物等。这些都是有害物质，它们的形成与燃烧条件有关。燃烧产物与温度的关系四、热化学关系式发热量燃料设备的热损失燃烧热损失与空然比的关系第三节烟气体积及污染物排放量计算一、烟气体积计算1.理论烟气量与实际烟气量在理论空气量下，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，通常分为干烟气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽）。理论烟气量＝干烟气量＋水蒸气体积理论水蒸气体积＝燃料中氢燃烧后生成的水蒸气体积＋燃料中所含的水蒸气体积＋由供给的理论空气量带入的水蒸气体积实际烟气量＝理论烟气量＋过剩空气量Vfg=Vfg0+(α-1)Va0理论烟气量可由燃烧方程计算，如CH4燃烧：1mol的CH4完全燃烧产生10.52mol的烟气。根据理想气体定律，近似认为烟气中各组分的摩尔比等于体积比，所以1m3的甲烷完全燃烧产生10.52m3的烟气，假设空气过剩系数为1.05，则Vfg=Vfg0+(α-1)Va0=10.52+(1.05-1)×9.52=10.9962222247.52NO2HCO7.52N2OCH燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准状态（273K、1atm），烟气体积和密度往往需要换算成为标准状态。假设烟气体积和密度可应用理想气体状态方程换算。于是，对于温度Ts、压力Ps的烟气，其体积Vs、密度ρs，在标准状态下（温度Tn、压力Pn）烟气的体积为Vn，密度为ρn，则标准状态下的烟气体积：2烟气体积和密度的校正snnssnTTppVV美国、日本和国际全球监测系统网的标准是指出298K和1atm，在作数据比较或校对时需要注意。标准状态下烟气的密度：snnssnTTpp3过剩空气校正实际燃烧过程是有过剩空气的，