1、1,第二章 燃燒與大氣污染,教學內(nèi)容 燃料的性質(zhì) 燃料燃燒過程 煙氣體積及污染物排放計算 燃燒過程中硫氧化物的形成 燃燒過程中顆粒物的形成 燃燒過程中其他污染物的形成,2,2 燃燒與大氣污染,1.教學要求 了解常見民用及工業(yè)燃料的組成和性質(zhì)； 掌握氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒過程，學會 分析影響燃燒過程的因素； 學會計算燃燒過程產(chǎn)生的煙氣量和污染物濃度； 掌握顆粒物、硫氧化物和氮氧化物的產(chǎn)生機理， 理解通過改變?nèi)紵龡l件減少污染物生成的途徑。 2、教學重點 重點理解燃燒的基本原理和相關(guān)污染物形成機 理，重點掌握燃燒過程污染物排放計算。 3、教學難點 燃燒過程污染物排放計算。,3,焚燒秸稈,4,30

2、0MW、600MWW形火焰燃 低揮發(fā)份無煙煤鍋爐 該鍋爐的主要技術(shù)特點：分級送風的雙拱爐膛；旋風分離式煤 粉濃縮型燃燒器；雙進雙出球磨機正壓直吹式燃燒系統(tǒng)。,5,600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對沖燃燒中間再熱鍋爐,6,600MW及以上超臨界本生直流機組鍋爐,7,8,1 燃料的性質(zhì),燃料的分類,燃料的定義：指用于產(chǎn)生熱量或動力的可燃物質(zhì)。,9,1 燃料的性質(zhì),一、煤 煤定義：是一種復(fù)雜的物質(zhì)聚集體。主要可燃成 分是C、H及少量O、N、S等一起構(gòu)成的有機聚合物。 性質(zhì)：煤中有機成分和無機成分的含量因種類、 產(chǎn)地不同而異。 煤的形成：煤是由大約三億年前的沼澤洼地生長的植物 轉(zhuǎn)變而來。古代茂盛的植物被

3、埋在地下，經(jīng)過長期的地熱、 高壓和細菌的作用而腐解變質(zhì)，使纖維素、木質(zhì)素脫去水、 二氧化碳、甲烷等氣體后，逐漸變?yōu)楹刑钾S富的可燃性巖 石煤。,10,1 燃料的性質(zhì),煤的分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無煙煤。 褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是 煤中等級最低的一類，形成年代最短。呈 黑色、褐色、泥土色，象木材結(jié)構(gòu)。 特點：揮發(fā)分較高，析出溫度低； 燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量 6075%，O含量2025%。,11,1 燃料的性質(zhì),煙煤：形成歷史較褐煤長。黑色，外形 有可見條紋。揮發(fā)分2045%，C含量75 90%。成焦性較強，氧含量低，水分及灰分 含量不高，適宜工業(yè)使用。

4、 無煙煤：碳含量最高，煤化時間最長的 煤，具有明顯的黑色光澤，機械強度高。 C含量93%, 無機物量10%, 著火難，不易 自燃，成焦性差。,12,燃料組成對燃燒的影響,碳：可燃元素。1 kg純碳完全燃燒時，放出7850kcal 的熱量。當不完全燃燒生成CO時，放出2214kcal的熱量。 純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰也短。煤中的碳不 是單質(zhì)狀態(tài)存在，而是與氫、氮、硫等組成有機化合物。 煤形成的地質(zhì)年代越長，其揮發(fā)性成分含量越少，而含 碳量則相對增加。例如，無煙煤含碳量約90-98%，一般 煤的含碳量約50-95%。 氫：是燃料中發(fā)熱量最高的元素。固體燃料中氫的含 量為2-10%，以碳氫化

5、合物的形式存在，1kg氫完全燃燒 時能放出28780 kcal的熱量。,13,氧：氧在燃料中與碳和氫生成化合物，降低了燃料的 發(fā)熱量。 氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5-1.5%。 硫：以三種形態(tài)存在：有機硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。 前兩種能放出熱量，稱之為揮發(fā)硫。硫燃燒生成產(chǎn)物為 SO2和SO3，其中SO2占95%以上。 水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少。煤 中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內(nèi)部水分） 組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內(nèi)部水分要 放在干燥箱中加熱到102-105C，保持2h后才能除掉。 灰分：是燃料中不可燃礦物質(zhì)，為燃料中有害成分。,燃料組成對燃燒的影

6、響,14,煤的成分分析,工業(yè)分析（proximate analysis） 測定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳，以 及估測硫含量和熱量，是評價工業(yè)用煤的主要 指標。 元素分析（ultimate analysis） 用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中 主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。,15,煤的工業(yè)分析,水分： 一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內(nèi)318-323K溫度下干燥8小時，取出冷卻，稱重 外部水分； 將失去外部水分的煤樣保持在375-380K下，約2h后，稱重內(nèi)部水分； 外部水分內(nèi)部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使熱值降低，影響燃燒穩(wěn)定，一般控制煤中水分在10%-13%。,1

7、6,揮發(fā)分： 失去水分的試樣密封在坩堝內(nèi)，放在1200K的馬弗爐中加熱7分鐘，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重。 固定碳： 從煤中扣除水分、灰分以及揮發(fā)分后剩余的部分為固定碳，是煤的主要可燃物質(zhì)。 灰分： 灰分是煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱。高灰分、低熔點的煤極易結(jié)渣，從而影響熱效率。,煤的工業(yè)分析,17,煤中灰分的組成： 我國煤炭的平均灰分含量為25。 灰分的存在降低了煤的熱值，也增加了煙塵污染和出渣量。,煤的工業(yè)分析,18,煤的元素分析,碳和氫： 通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定。 氮： 在催化劑作用下使煤中的氮轉(zhuǎn)化為氨，堿液吸收，滴定。 硫： 與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應(yīng)，滴定。

8、,19,煤中硫的形態(tài),20,硫化鐵硫：是主要的含硫成分，常見形態(tài)是黃鐵 礦硫。黃鐵礦硬度：66.5, 比重：4.75.2，本 無磁性，但在強磁場感應(yīng)下能轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕?，?收微波能力較強，據(jù)此，可把其從煤中脫除。 硫酸鹽硫: 硫酸鹽硫在燃燒時不參加燃燒，留在 灰渣里，是灰分的一部分，其它形態(tài)的硫能燃燒放 出熱量。通常所說的SOx污染物只包括有機硫、硫 化物，不包括MeSO4。 有機硫：以各種官能團形式存在。如噻吩、芳香 基硫化物、硫醇等。不易用重力分選的方法除去， 需采用化學方法脫硫。,煤中硫的形態(tài),21,煤的成分的表示方法,要確切說明煤的特性，必須同時指明百分比的 基準，常用的基準有以下四種

9、： 收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分。 空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實驗室內(nèi)進行燃料分析時的試樣成分。,22,干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少。 干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分。,煤的成分的表示方法,23,煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系,煤的成分的表示方法,ad,ar,d,daf,24,我國部分煤種的分析結(jié)果,煤的成分的表示方法,25,我國部分煤種的分析結(jié)果,煤的成分的表示方法,26,二、石油,石油是液體燃料的主要來源。原油是天然存在的易流動液體，比重0.781.00之間，主要由鏈烷

10、烴、環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物；主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧，氫含量增加時，比重減少，發(fā)熱量增加，此外，含有微量金屬（釩、鎳）、砷、鉛、氯等，10ppm左右。 原油中的硫大部分以有機硫形式存在，形成非碳氫化合物的巨大分子團，其含硫量變化范圍較大，一般為0.17%。 原油通過蒸餾、裂化和重整過程生產(chǎn)出各種產(chǎn)品。原油中的S約有8090%留于重餾分中。硫以復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在，而需去除的僅是硫原子，故不能用物理方法分離硫化物。采用高壓下的催化加氫破壞CSC鍵形成H2S氣體， 可達目的，但費用很高。,27,三、天然氣,天然氣是典型的氣體燃料。一般組成為： CH4：85%, 乙烷：10%，

11、 丙烷：3%， 此外還有：H2O、CO2、N2、He、H2S等。 天然氣中的H2S具有腐蝕性，它的燃燒 產(chǎn)物為硫的氧化物，因此許多國家規(guī)定了天 然氣中總硫和H2S含量的最大允許子值。,28,四、燃料最重要的兩個屬性,熱值 決定燃料的消耗量 雜質(zhì) 污染物產(chǎn)生的來源,29,五、其他燃料,非常規(guī)燃料 城市固體廢棄物 商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物 農(nóng)產(chǎn)物和農(nóng)村廢物 水生植物和水生廢物 污泥處理廠廢物 可燃性工業(yè)和采礦廢物 天然存在的含碳和含碳氫的資源 合成燃料 非常規(guī)燃料通常需要專門技術(shù)轉(zhuǎn)化為易于利用的形式； 城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問題。,30,2 燃料燃燒過程,一.影響燃燒過程的主要因素 燃

12、燒過程及燃燒產(chǎn)物 完全燃燒：CO2、H2O 不完全燃燒：CO2、H2O 液體燃料（燃料油）為：10-11m3/kg。,35,例題：,二、燃料燃燒的理論空氣量,36,空氣過剩系數(shù) 實際空氣量與理論空氣量之比。以表示，通常1 部分爐型的空氣過剩系數(shù),二、燃料燃燒的理論空氣量,37,空燃比（AF） 定義：單位質(zhì)量燃料燃燒所需的空氣質(zhì)量，它 可由燃燒方程直接求得。 例如，甲烷在理想空氣量下的完全燃燒： CH42O27.56N2CO27.56N2 則空燃比： AF=（2327.5628）/（116）=17.2 汽油（C8H18）的理論空燃比為15。 純碳的理論空燃比約為11.5。,二、燃料燃燒的理論空氣

13、量,38,三、燃燒過程中產(chǎn)生的污染物,燃燒過程并不像化學方程式里表示的那么簡單， 它還有分解、其他的氧化、聚合等過程。燃燒煙 氣主要由懸浮的少量顆粒物、燃燒產(chǎn)物、未燃燒 和部分燃燒的燃料、氧化劑及惰性氣體（主要是 N2）等組成。 燃燒可能釋放的污染物： CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬 及其氧化物、金屬鹽、醛、酮和稠環(huán)碳氫化合物等。,39,三、燃燒過程中產(chǎn)生的污染物,燃燒過程并不像化學方程式里表示的那么簡單， 它還有分解、其他的氧化、聚合等過程。燃燒煙 氣主要由懸浮的少量顆粒物、燃燒產(chǎn)物、未燃燒 和部分燃燒的燃料、氧化劑及惰性氣體（主要是 N2）等組成。 燃燒可能釋放的污染物

14、： CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬 及其氧化物、金屬鹽、醛、酮和稠環(huán)碳氫化合物 等。,40,3 煙氣體積及污染物排放量計算,一、煙氣體積計算 理論煙氣體積 在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙 氣體積稱為理論煙氣體積。以Vfg0表示，煙氣成分 主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣。 干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣； 濕煙氣：包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣。 Vfg0=V干煙氣+V水蒸氣 V理論水蒸氣=V燃料中氫燃燒后的水蒸氣+V燃料中所含的水蒸氣 +V由供給理論空氣量帶入的水蒸氣,41,煙氣體積和密度的校正 燃燒產(chǎn)生的煙氣其T、P總高于標態(tài)（273K、 1atm）故需換算成標態(tài)

15、。大多數(shù)煙氣可視為理氣， 故可應(yīng)用理氣方程。 設(shè)觀測狀態(tài)下（Ts、Ps下）：煙氣的體積為Vs，密度為 s。在標態(tài)下（Tn、Pn下）： 煙氣的體積為Vn，密度為 n。則： 標態(tài)下煙氣體積為： 標態(tài)下煙氣密度為： 應(yīng)指出，美國、日本和國際全球監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)的標準態(tài) 是298K、1atm，在作數(shù)據(jù)比較時應(yīng)注意。,42,過?？諝廨^正 因為實際燃燒過程是有過?？諝獾模匀?燒過程中的實際煙氣體積應(yīng)為理論煙氣體積與過 ?？諝饬恐?。 用奧氏煙氣分析儀測定煙氣中的CO2、O2和CO 的含量，可以確定燃燒設(shè)備在運行中煙氣成分和 空氣過剩系數(shù)。 空氣過剩系數(shù)= a-過剩空氣中O2的物質(zhì)的量。,43,假設(shè)空氣只有O

16、2、N2,分別為20.9%、79.1%，則空氣中 總氧量為：(20.9/79.1)(N2P)=0.264(N2P)，則理論需氧 量： 0.266N2P-O2P 所以（燃燒完全時） 若燃燒不完全會產(chǎn)生CO，須校正。即從測得 的過剩氧中減去CO氧化為CO2所需的O2，因此， 各組分的量均為奧氏分析儀所測得的百分數(shù)。 考慮過?？諝庑Ｕ螅瑢嶋H煙氣體積 Vfg = Vfg0 +(-1)Va,若燃燒是完全的，過剩空氣中的O僅能夠以的O2形式存在，假定燃燒產(chǎn)物以下標p表示：,44,二、污染物排放量計算,方法： 根據(jù)實測的污染物濃度和排煙量 根據(jù)燃燒設(shè)備的排污系數(shù)、燃料組成和燃燒狀況預(yù)測煙氣量和污染物濃度,

17、45,例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油 成分分析結(jié)果如下（按質(zhì)量）C：88.3%，H ：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。若此重油 中硫轉(zhuǎn)化為SOX（其中SO2占97%），試計算 空氣過剩系數(shù)a=1.20時煙氣中SO2及SO3的濃 度，以ppm表示，并計算此時煙氣中CO2的含 量，以體積百分比表示。,二、污染物排放量計算,46,解：以1kg重油為基礎(chǔ)，則：,二、污染物排放量計算,假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.78(體積比), 則1kg 重油完全燃燒所需要的理論空氣量為： mol/kg重油，即 m3N/kg重油,47,理論煙氣量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(

18、97.833.78)= 491.4mol/kg重油 即，491.422.4/1000=10.01m3/kg重油 空氣過剩系數(shù)a=1.2時，實際煙氣量為： 11.01+10.47（1.2-1）=13.10m3/kg重油 其中10.47為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空氣量。,二、污染物排放量計算,48,煙氣中SO2的體積為 煙氣中SO3的體積為 所以，煙氣中SO2、SO3的濃度分別為：,二、污染物排放量計算,49,當=1.2時，干煙氣量為：,CO2體積為：,所以干煙氣中CO2的含量（以體積計）為：,二、污染物排放量計算,50,4 燃燒過程中硫氧化物的形成,一、燃料中硫的氧化機理 燃料中

19、硫的氧化 煤受熱后，在熱解釋放揮發(fā)成分的同時，煤中 有機硫與無機硫也揮發(fā)出來。松散結(jié)合的有機硫 在低溫下分解，緊密結(jié)合的有機硫在較高溫度下 分解釋放。遇到氧氣，它們?nèi)垦趸蒘O2和少 量的SO3；在還原氣氛下，揮發(fā)出來的主要是H2S 和COS，在燃燒過程中也會被氧化成SO2 。,51,4 燃燒過程中硫氧化物的形成,一、燃料中硫的氧化機理 燃料中硫的氧化 無機硫的分解速度較慢，在還原氣氛、溫度小于 800K，以足夠停留時間的條件下，無機硫?qū)⒎纸鉃?FeS、S2和H2S。生成的FeS在更高的溫度和時間下才 能分解成Fe、 S2和COS，它們再氧化成SO2和SO3， 有一部分FeS殘留在焦炭中。

20、含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍色，由于反應(yīng)： 在所有的情況下，它都作為一種重要的反應(yīng)中 間體。,52,H2S的氧化,53,CS2和COS的氧化,54,元素S的氧化,55,有機硫化物的氧化,56,二、SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化,反應(yīng)方程式 SO2+O+MSO3+M （1） SO3+OSO2+O2 （2） SO3+HSO2+OH （3） SO3+MSO2+O+M （4） 在熾熱反應(yīng)區(qū)，O濃度很高，反應(yīng)（1）和 （2）起支配作用。,57,SO3生成速率 當dSO3/dt =0時，SO3濃度達到最大 在富燃料條件下，O濃度低得多，SO3的去除 反應(yīng)主要為反應(yīng)（3），SO3的最大濃度：,二、SO2和SO3之

21、間的轉(zhuǎn)化,58,燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結(jié)合生成H2SO4，轉(zhuǎn)化率: 轉(zhuǎn)化率與溫度密切相關(guān)； H2SO4濃度越高，酸露點越高； 煙氣露點升高極易引起管道和空氣凈化設(shè)施的腐蝕。,二、SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化,59,SO3的轉(zhuǎn)化率/%,二、SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化,60,5 燃燒過程中顆粒物的形成,一、碳粒子的生成 核化過程：氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳 核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應(yīng) 較為緩慢的聚團和凝聚過程 燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素； 積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)； 提高氧氣量可以防止積炭生成； 壓力越低則積炭的生成趨勢越小。,61,二、燃煤煙塵的形成,煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物

22、，包括： 黑煙：未燃盡的碳粒 飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒 煤粉燃燒過程 碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴散離開表面并與O2反應(yīng),62,煤粉燃燒過程 理論上碳與氧的摩爾比近1.0時最易形成黑煙 在預(yù)混火焰中，C/O大約為0.5時最易形成黑煙 易燃燒又少出現(xiàn)黑煙的燃料順序為：無煙煤 焦炭 褐煤 低揮發(fā)分煙煤 高灰發(fā)分煙煤 碳粒子燃盡的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃度等有關(guān),二、燃煤煙塵的形成,63,燃燒碳層中成分和溫度分布,二、燃煤煙塵的形成,64,影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素 煤質(zhì) 燃燒方式 煙氣流速 爐排和爐膛的熱負荷 鍋爐運行負荷 鍋爐結(jié)構(gòu),二、燃煤煙塵的形成,65,6 燃燒過程中其他污

23、染物的形成,一、有機污染物的形成 形成歷程 鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔 延長乙炔的鏈形成各種不飽和基 不飽和基進一步脫氫形成聚乙炔 不飽和基通過環(huán)化反應(yīng)形成C6C2型芳香族化合物 C6C2基逐步合成為多環(huán)有機物,66,二、CO的形成,CO是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種 CO的全球排放量為200106t/a 燃料中的碳都先形成CO，然后進一步氧化 在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以降低CO含量。 CO的形成和破壞都由動力學控制，反應(yīng)路線： RH R RCHO RCO CO,67,三、Hg的形成與排放,Hg對人的腎和神經(jīng)系統(tǒng)有危害； 煤碳燃燒是Hg的一大來源； 煤中Hg的

24、析出率與燃燒條件有關(guān)； 燃燒溫度900oC時，析出率90； 還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛； Hg排放控制是燃煤污染控制的新課題之一；,68,四、NOx的形成,NOx的形成機理 燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的NOx 熱力型NOx： 高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx 瞬時NOx：低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx,69,五、二惡英的形成機理,二惡英(Dioxin)是一種無色無味的脂溶性物質(zhì)，二惡英實際上是一個簡稱，它指的并不是一種單一物質(zhì)，而是結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都很相似的包含眾多同類物或異構(gòu)體的兩大類有機化合物，全稱分別叫多氯二苯并-對-二惡英（簡稱PCDDs）和多氯二苯并呋喃（簡稱PCDFs），我國的環(huán)境標準中把它們統(tǒng)稱為二惡英類。多氯二苯并-對-二惡英（PCDDs）由2個氧原子聯(lián)結(jié)2個被氯原子取代的苯環(huán)；為多氯二苯并呋喃（PCDFs）由1個氧原子聯(lián)結(jié)2個被氯原子取代