關(guān)于大氣污染控制基礎(chǔ)一、燃燒與大氣污染

燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理活化分子碰撞理論鏈瑣反應(yīng)理論燃燒基本理論著火理論自燃著火理論點(diǎn)燃著火理論第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天有關(guān)燃燒的基本概念（1）燃燒燃燒是指一種物質(zhì)起劇烈的氧化反應(yīng)，同時發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象。（2）燃料用以產(chǎn)生熱量或動力的可燃性物質(zhì)，如煤、焦炭、木柴等。第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（3）理論空氣量、實(shí)際空氣量與空氣過剩系數(shù)。理論空氣量：按照燃料中各可燃質(zhì)氧化反應(yīng)方程來計算燃料燃燒過程所需的空氣量，用V0表示實(shí)際空氣量：實(shí)際供給的空氣量稱為實(shí)際空氣量。實(shí)際空氣量用Vk表示?？諝膺^剩系數(shù)：

第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1.機(jī)理①活化分子碰撞理論

反應(yīng)物

活化分子

生成物+放熱

分子能量>活化能原子間振動大原子間聯(lián)系小新產(chǎn)物第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天②鏈鎖反應(yīng)理論

活化分子碰撞理論在闡述溫度對反應(yīng)速度的影響時，能夠正確地反應(yīng)客觀規(guī)律。但是，不一定能解釋燃燒反應(yīng)過程中的某些現(xiàn)象。如干燥的CO和O2混合氣體，即使在700℃高溫下也幾乎不會發(fā)生反應(yīng)；若在其中加入微量的水蒸汽，就能大大加速這一反應(yīng)，甚至著火燃燒。其反應(yīng)式仍為2CO+O2→2CO2

，這就不能用有效碰撞理論來解釋了，需要有新的理論來解釋，如鏈鎖反應(yīng)理論。鏈鎖反應(yīng)理論認(rèn)為有很多化學(xué)反應(yīng)需要經(jīng)過若干中間基元反應(yīng)才能完成。在這些中間反應(yīng)中會產(chǎn)生一些活性很高的活性產(chǎn)物（活性中心），再由這些活性中心與原始反應(yīng)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這時除產(chǎn)生最終生成物外會再生出若干活性中心，使得化學(xué)反應(yīng)得以繼續(xù)?；钚灾行氖且恍┖懿环€(wěn)定的自由原子、自由基，它們與原始反應(yīng)物反應(yīng)時的活化能很低，能大大提高化學(xué)反應(yīng)速率。鏈鎖反應(yīng)有不分支鏈鎖反應(yīng)與分支鏈鎖反應(yīng)兩大類。第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天均相燃燒過程中的鏈鎖反應(yīng)

總反應(yīng):第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

2.著火理論

自燃

自燃點(diǎn)燃：依靠外熱能量強(qiáng)化局部可燃混合氣化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)速率急劇升高而達(dá)到爆炸式反應(yīng)，并向周圍未燃的可燃混合氣傳播的現(xiàn)象。

熱自燃：鏈鎖自燃自身化學(xué)反應(yīng)：活性中心迅速繁殖第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天氣體燃料的燃燒褶皺層流火焰的表面燃燒理論

微擴(kuò)散的容積燃燒理論液體燃料的燃燒（乳化油）微爆理論水煤氣反應(yīng)理論固體燃料的燃燒層燃式燃燒流化床燃燒懸浮式燃燒油滴的燃燒油霧的燃燒乳化油的燃燒3.燃料與燃燒方式

（紊流火焰）

紊流燃燒擴(kuò)散燃燒第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天①氣體燃料的燃燒

褶皺層流火焰的表面燃燒理論小尺度紊流

大尺度紊流

修正公式

第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天微擴(kuò)散的容積燃燒理論

紊流火焰的傳播速度增大不是由于火焰前鋒面面積的增加，而是由于紊流中熱傳遞和質(zhì)量（即活化中心）擴(kuò)散等紊流遷移性質(zhì)的加強(qiáng)，加速了火焰中的化學(xué)反應(yīng)、加大了燃燒區(qū)的寬度。第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天②液體燃料的燃燒

a.油滴的燃燒

油滴蒸發(fā)

油滴熱解和裂化

著火燃燒添圖第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天b.油霧的燃燒第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天c.乳化油的燃燒

燃料油乳化之后燃燒，既節(jié)約了燃料，又強(qiáng)化了燃燒過程，是一種較常用的燃燒方法。一般采用機(jī)械法、氣動法或超聲波法使水分散在油中，形成油包水型乳化液。有兩種理論對乳化油燃燒過程做出較好的解釋。

微爆理論水煤氣反應(yīng)理論第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天③固體燃料的燃燒

a.煤的燃燒階段特征揮發(fā)分燃燒階段

焦炭燃燒階段

燃燼階段

b.燃燒方式層燃式燃燒流化床燃燒

懸浮式燃燒

、第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天煤的有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖2-5揮發(fā)分燃燒階段

焦炭燃燒階段

燃燼階段

第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天層燃式燃燒主要的優(yōu)點(diǎn)是：能獲得最大的熱密度

可以較大地增加鼓風(fēng)

燃燒過程穩(wěn)定第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天流化床燃燒示意圖第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天流化床的料層溫度一般控制在850℃～1050℃，流化層的高度為1.0～1.5m.優(yōu)點(diǎn):很快升溫并著火燃燒熱負(fù)荷大,溫度分布比較均勻可實(shí)現(xiàn)低溫燃燒工況不穩(wěn)定時不完全燃燒煤氣質(zhì)量低缺點(diǎn)：第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天懸浮式燃燒懸浮式燃燒直流燃燒

渦流燃燒：燃燒強(qiáng)度大

優(yōu)點(diǎn)：容易調(diào)節(jié)爐溫，改善勞動條件缺點(diǎn)：大量的飛灰

第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天直流燃燒/火炬式

渦流燃燒/旋風(fēng)式第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天直流燃燒與層燃式相比，最大優(yōu)點(diǎn)是可以大量使用劣質(zhì)煤和煤屑，甚至還可以摻用一部分無煙煤和焦炭屑。用層燃式燃燒發(fā)熱量較低和灰分含量較高的劣質(zhì)煤時，爐溫只能達(dá)到1100℃，改用直流燃燒法時，爐溫可達(dá)到1300℃。第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天影響燃燒過程的因素：（1）燃料種類和性質(zhì)。包括燃料中所含的水分、揮發(fā)物灰量及其可熔性燃料的發(fā)熱量，燃料的粘結(jié)性和熱穩(wěn)定性（2）化學(xué)反應(yīng)速度和氧氣向燃料表面的擴(kuò)散速度。第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

燃燒與大氣污染物①煙塵：是指煤等固體燃料在燃燒過程中由煙囪排出的煙氣中所含的煙、煙黑、灰分、粒狀浮游物質(zhì)的混合物②硫氧化物：包括，有機(jī)硫和無機(jī)硫（如黃鐵礦、硫酸鹽類等）③氮氧化物：燃燒過程中的NOx主要來源于空氣和燃料中含有的氮④碳氧化物：主要來自燃料燃燒和機(jī)動車排氣。第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二.燃燒過程與污染控制CO與CO2的生成與控制煙塵的生成與控制硫氧化物的生成與控制NOX生成與控制碳?xì)浠衔锏纳膳c控制第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（1）CO與CO2的生成與控制CO與CO2的生成(最基本的反應(yīng))C＋O2CO2＋Q

2C＋O22CO＋QC＋CO22CO＋Q

2CO＋O22CO2＋Q

CO的控制方法充分的氧氣，停留時間足夠第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天水蒸氣含量較多時：

C＋2H2O→CO＋H2C＋2H2O→CO2＋2H2

3C＋4H2O→4H2＋CO＋2CO2C＋2H2→

CH4在固體表面的催化下，H2O容易與CO、CO2發(fā)生反應(yīng)：CO＋H2O→CO2

＋H22CO＋2H2→

CO2＋CH4CO＋3H2→

H2O＋CH4

CO2＋4H2→

2H2O＋CH42CO→CO2＋C第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（2）煙塵的生成與控制①生成原因：不完全燃燒氣體燃料碳黑液體燃料積碳+碳粒煤黑煙（主要含有苯、芘、蒽、苯并芘等）第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天碳煙的生成第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天②煙塵的控制改進(jìn)燃燒過程

控制特殊燃燒方法煙塵再燃燒法加入添加劑燃燒法第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天煤中的含硫量一般為0.5%~5%，以有機(jī)硫和黃鐵礦硫形式存在的硫在燃燒過程中全部參加反應(yīng)，氧化為SO2；而硫酸鹽硫則不參與燃燒，一部分留在底灰中，另一部分以飛灰形式排出。液體燃料的硫種類很多，以有機(jī)化合物的形式存在于燃料中，也有游離硫、硫化氫等形式。原油的含硫量因產(chǎn)地而異，一般為0.5%~2%，重油的含硫量較高，一般為原油含硫量的1.5倍。氣體燃料中硫以氣態(tài)硫化氫的形式存在，天然氣中含硫量一般小于1%。（3）硫氧化物的生成與控制第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天SO2的生成

S＋O2→SO2＋Q

含硫量和SO2的生成量的關(guān)系原因：部分SO2轉(zhuǎn)化為SO3第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天SO2生成量還可按理論計算式獲得：

式中GSO2——指由所計算的燃燒裝置排出的SO2質(zhì)量，kg/h；S——所用燃料含硫量，重量%；B——單位時間消耗的燃料量，kg/h。第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天②對流受熱面上的積灰和氧化膜的催化作用SO3的生成①火焰中生成的原子氧參與反應(yīng)平衡值V2O5Fe2O3第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天SO3的危害：鍋爐尾部受熱面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象影響SO3生成量的主要因素：燃料中的含硫量越多，SO2和SO3的生成量越多；空氣過剩系數(shù)越大，SO3的生成量越多；火焰中心溫度越高，生成的SO3也越多；煙氣停留時間越長，SO3生成量就越多。

第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天硫酸的生成控制硫氧化物的生成的燃燒技術(shù)低氧燃燒流化床燃燒脫硫第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（4）NOx據(jù)燃燒原因：

NOX熱機(jī)理型NOx瞬時機(jī)理型NOx

燃料型NOx

生成量相對少得多

第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天在鍋爐的燃燒溫度下，NO生成反應(yīng)尚未達(dá)到化學(xué)平衡，NO的生成量將隨著煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間的延長而增大。第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天氧氣的濃度越高，NO的生成量相應(yīng)越高。第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

控制NOx生成的燃燒技術(shù)

控制技術(shù)

低氧燃燒法煙氣再循環(huán)燃燒

噴水法低NOx的燃燒器其它二級燃燒

降低熱風(fēng)溫度

降低燃燒室的熱強(qiáng)度

增加爐膛的水冷程度

好的燃燒設(shè)備

乳化油燃燒技術(shù)

第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天低NOx的燃燒器第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（5）碳?xì)浠衔锏纳膳c控制碳?xì)浠衔锏纳蒖H+O2→R?+HO2R?+O2→RO2?RO2?+RH→ROOH+R?影響因素

①空燃比空燃比應(yīng)為14~15第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

②點(diǎn)火時間推遲點(diǎn)火時間，可使CmHn的濃度下降。但在汽車減速時推遲點(diǎn)火，使斷火的可能性增大，CmHn的濃度反而會增高。

③其他影響因素，包括：

殘余氣體；

冷卻水的溫度；汽車運(yùn)行情況。第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三.大氣污染控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算物料衡算煤液體燃料與氣體燃料燃燒所需空氣量的計算燃燒產(chǎn)生煙氣量的計算煙氣中CO含量的計算SO2的排放濃度與脫硫效率的計算第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三.大氣污染控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算1.物料衡算

∑F-∑D=A

其中，F(xiàn)為進(jìn)料量，D為出料量，A為積累量連續(xù)燃燒過程，A=0，上式演變?yōu)椤艶=∑D2.煤碳（C）：一般占煤成分的20%~70%第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天氫（H）：3%~5%

，以化合態(tài)形式存在氧（O）：無煙煤：1%~2%，泥炭中含量可達(dá)40%。硫（S）：分為可燃硫（Sr）和不可燃燒硫（Sly）。氮（N）：0.5%~2.5%。灰份（A）：不可燃燒雜質(zhì)

水分（W）：外在水分（Ww）和內(nèi)在水分第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.液體燃料與氣體燃料原油是優(yōu)良的液體燃料，但很少用作鍋爐燃料。原油在常壓和一定溫度下分餾，分離出汽油、煤油和柴油等輕質(zhì)油類，剩下的殘留物就是重油或渣油。重油再經(jīng)過減壓蒸餾，分離出重柴油和蠟油，殘余物為減壓重油。工業(yè)鍋爐與電廠鍋爐所使用的液體燃料，通常是重油或減壓重油。

第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第53頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4.燃燒所需空氣量的計算①碳燃燒時所需氧氣量

C+O2→CO2

若燃料中含碳量為[Cy]

kg/kg，則1kg燃料中碳燃燒所需的氧氣量為22.4/12[Cy]=1.886[Cy]②氫燃燒時所需氧氣量

2H2+O2

→2H2O

第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

若燃料中含氫量為[Hy

]kg/kg，則1kg燃料中氫燃燒所需的氧氣量為

22.4/(4x1.008)[Hy]=5.55[Hy]

③硫燃燒時所需氧氣量

S+O2→SO2

若燃料中含碳量為[Sy

]kg/kg，則1kg燃料中硫燃燒所需的氧氣量為

22.4/32[Sy]=0.7[Sy]

④燃料中氧的當(dāng)量若燃料中含氧量為[Oy]

kg/kg，則1kg燃料中氧的當(dāng)量為：第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

22.4/32[Oy]=0.7[Oy]因此，燃燒1kg燃料所需的氧氣量即為上述四項之和：

1.886[Cy]+5.55[Hy]+0.7[Sy]-0.7[Oy]燃燒1kg燃料所需的空氣量V0（單位為m3/kg）為：V0=8.89[Cy]+3.33[Sy]+26.5[Hy]-3.33[Oy]

若以質(zhì)量來表示，則理論空氣量為：L0=1.293V0空氣的密度第57頁,共65頁，2024年2月25日，星期天（2）燃燒產(chǎn)生煙氣量的計算

①理論煙氣量的計算理論煙氣量（Vyo）由Vco2、Vso2與理論水蒸氣量VH2O0以及理論空氣量中的氮?dú)饬縑N20所組成。

a.燃料含碳率為[Cy]kg/kg，，1kg燃料完全燃燒產(chǎn)生的CO2為：22.4/12[Cy]=1.886[Cy]

b.燃料含硫率為[Sy]kg/kg，1kg燃料完全燃燒產(chǎn)生的SO2為：

第58頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

22.4/32[Sy]=0.7[Sy]VRO2=Vco2+Vso2=1.886([Cy]+0.375[Sy])②理論氮?dú)饬縑N20理論氮?dú)饬坑袃蓚€來源：燃料中的的氮與空氣中的氮。理論VN20=0.8[Ny]+0.79V0③理論水蒸氣量VH2O0理論水蒸氣量有四個來源:燃料的水分[Wy]、燃料中氫燃燒產(chǎn)生[Hy]、理論空氣帶入V0

和采用蒸汽霧化重油燃燒時，隨同重油噴入的水蒸氣Gwh。理論蒸汽量VH2O0

=1.24[Wy]+1.11[Hy]