1、1,第2章 燃燒與大氣污染(1),教學(xué)內(nèi)容 1燃料的性質(zhì) 2燃料燃燒過(guò)程 3煙氣體積及污染物排放計(jì)算 4燃燒過(guò)程中硫氧化物的形成 5燃燒過(guò)程中顆粒物的形成 6燃燒過(guò)程中其他污染物的形成,2,2 燃燒與大氣污染(1),1.教學(xué)要求 了解常見(jiàn)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(guò)程，學(xué)會(huì)分析影響燃燒過(guò)程的因素； 學(xué)會(huì)計(jì)算燃燒過(guò)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(jī)理，理解通過(guò)改變?nèi)紵龡l件減少污染物生成的途徑 2、教學(xué)重點(diǎn) 重點(diǎn)理解燃燒的基本原理和相關(guān)污染物形成機(jī)理，重點(diǎn)掌握燃燒過(guò)程污染物排放計(jì)算。 3、教學(xué)難點(diǎn) 燃燒過(guò)程污染物排放計(jì)算。,3,焚

2、燒秸稈,4,5,300MW、600MWW形火焰燃低揮發(fā)份無(wú)煙煤鍋爐,6,600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐,600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐,7,300MW、600MW“W”形火焰燃低揮發(fā)份無(wú)煙煤鍋爐該鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)：分級(jí)送風(fēng)的雙拱爐膛；旋風(fēng)分離式煤粉濃縮型燃燒器；雙進(jìn)雙出球磨機(jī)正壓直吹式燃燒系統(tǒng)。,8,600MW及以上超臨界本生直流機(jī)組鍋爐,9,600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐,600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐,10,11,1燃料的性質(zhì),燃料的分類,燃料的定義：指燃燒過(guò)程中能放出熱量，且經(jīng)濟(jì)上可行的物質(zhì),12,1燃料的

3、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O2、N2、S等一起構(gòu)成的有機(jī)聚合物。 性質(zhì)：煤中有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分的含量因種類、產(chǎn)地不同而異。,13,1燃料的性質(zhì),1.煤的分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。 （1）褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級(jí)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(diǎn)：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%，O2含量2025%。,14,1燃料的性質(zhì),（2）煙煤：形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見(jiàn)條紋。 揮發(fā)分2045%，C 7590%。成焦性較強(qiáng)，氧含量低，水分及灰

4、分含量不高，適宜工業(yè)使用。 （3）無(wú)煙煤：碳含量最高，煤化時(shí)間最長(zhǎng)的煤，具有明顯的黑色光澤，機(jī)械強(qiáng)度高。 C含量93%, 無(wú)機(jī)物量10%, 著火難，不易自燃，成焦性差。,15,2. 燃料組成對(duì)燃燒的影響,碳：可燃元素。1 kg純碳完全燃燒時(shí)，放出7850 kcal的熱量。當(dāng)不完全燃燒生成CO時(shí)，放出2214 kcal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(jī)化合物。煤形成的地質(zhì)年代越長(zhǎng)，其揮發(fā)性成分含量越少，而含碳量則相對(duì)增加。例如，無(wú)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

5、量為2-10%，以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖冢? kg氫完全燃燒時(shí)能放出28780 kcal的熱量。,16,2. 燃料組成對(duì)燃燒的影響,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(jī)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。,17,2. 燃料組成對(duì)燃燒的影響,水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對(duì)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

6、。 灰分：是燃料中不可燃礦物質(zhì)，為燃料中有害成分。,18,3.煤的成分分析,工業(yè)分析（ proximate analysis ） 測(cè)定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。估測(cè)硫含量和熱量，是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)。 元素分析（ ultimate analysis ） 用化學(xué)分析的方法測(cè)定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。,19,（1）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(shí)，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

7、，影響燃燒穩(wěn)定，一般控制煤中水分在10%13%。 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 。,20,（1）煤的工業(yè)分析, 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)。 失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的環(huán)境中灼燒到重量不在變化時(shí)，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳。 灰分： 灰分是煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱。 高灰分、低熔點(diǎn)的煤極易結(jié)渣，從爾影響熱效率。,21,（1）煤的工業(yè)分析,煤中灰分的組成： 我國(guó)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

8、,22,（2）煤的元素分析,碳和氫：通過(guò)燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測(cè)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(wú)水硫酸鈉混合物反應(yīng)，S SO42-，滴定,23,（3）煤中硫的形態(tài),24,（3）煤中硫的形態(tài),a.硫化鐵硫：是主要的含硫成分，常見(jiàn)形態(tài)是黃鐵礦硫。 黃鐵礦：硬度 66.5 , 比重 4.75.2 本無(wú)磁性，但在強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)下能轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕?，吸收微波能力較強(qiáng)，據(jù)此，可把其從煤中脫除。 b. 硫酸鹽硫: 硫酸鹽硫在燃燒時(shí)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(shuō)的SOx污染物只包括有機(jī)硫、硫化物，不包括MeSO4

9、。 c.有機(jī)硫：以各種官能團(tuán)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(xué)方法脫硫。,25,（4）煤的成分的表示方法,要確切說(shuō)明煤的特性，必須同時(shí)指明百分比的基準(zhǔn)，常用的基準(zhǔn)有以下四種： 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(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時(shí)的試樣成分,26,（4）煤的成分的表示方法,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(wú)灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分,27,二、石油,液體燃料的主要來(lái)源 鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物

10、 主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧 氫含量增加時(shí)，比重減少，發(fā)熱量增加 天然氣 典型的氣體燃料 一般組成為甲烷85、乙烷10、丙烷3,28,二、石油,石油是液體燃料的主要來(lái)源。原油是天然存在的易流動(dòng)液體。比重0.781.00 主要含C、H2、少量的S、N2、O2，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(jī)硫形式存在，形成非碳?xì)浠衔锏木薮蠓肿訄F(tuán)，其含硫量變化范圍較大，一般為0.17%。 原油通過(guò)蒸餾、裂化和重整過(guò)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

11、的催化加氫破壞CSC鍵形成H2S氣體，可達(dá)目的，但費(fèi)用很高。,29,三、天然氣,典型的氣體燃料 一般組成為CH485%, 乙烷10%， 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(guó)家規(guī)定了天然氣中總硫和H2S含量的最大允許值。,30,四、燃料組成的表示方法: CxHySzOwNv,Sample: C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and ash: 7.9% by weight. Determine the normalized molar compositio

12、n. Element Wt % mol/100g mol/mol C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0.808 N 1.20 14 = 0.0857 6.43 = 0.013 S 2.60 32 = 0.0812 6.43 = 0.013 O 5.90 16 = 0.369 6.43 = 0.057 ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molC The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057,31,五、燃料的最重要的兩個(gè)屬性,熱值 決定燃料的消耗量

13、 雜質(zhì) 污染物產(chǎn)生的來(lái)源,32,六、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?xì)涞馁Y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(wèn)題,33,2 燃料燃燒過(guò)程,一.影響燃燒過(guò)程的主要因素 1.燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物 完全燃燒：CO2、H2O 不完全燃燒： CO2、H2O & CO、黑煙及其他部分氧化產(chǎn)物 如果燃料中含有S和N，則會(huì)生成SO2和NO 空氣中的部分N可能被氧化成NO熱力型NOx,34,一.影響燃燒過(guò)程的主要因素,2.燃料

14、完全燃燒的條件（3T） 空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過(guò)大，會(huì)降低爐溫，增加熱損失 溫度條件（Temperature）：達(dá)到燃料的著火溫度 時(shí)間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需時(shí)間 燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合,35,二.燃料燃燒的理論空氣量,1.理論空氣量 建立燃燒方程式的假定： 空氣組成 20.9%O2和79.1%N2，兩者體積比為：N2/ O2 = 3.78 燃料中固定氧可用于燃燒 燃料中硫主要被氧化為 SO2 不考慮NOX的生成 燃料中的N在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2 燃料的化學(xué)方程式為CxHySzOw,36,二.燃料燃燒的理論空氣

15、量,燃燒方程式： 燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w 煤 4-7 m3/kg，液體燃料10-11 m3/kg,37,二.燃料燃燒的理論空氣量,理論空氣量:,38,二.燃料燃燒的理論空氣量,3.66.0 褐煤 一般煤的理論空氣量 7.58.5 無(wú)煙煤 910 煙煤 液體燃料（燃料油）的 煤爐：4.55.5 煤氣 液化氣：2.97 高爐： 0.7 干: 8.849.01 天然氣 濕：11.412.1,39,二.燃料燃燒的理論空氣量,例題：,40,二.燃料燃燒的理論空氣量,2.空氣過(guò)剩系數(shù) 實(shí)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(guò)剩系數(shù),41,二.燃料燃燒的理論空

16、氣量,3空燃比（AF） 定義：?jiǎn)挝毁|(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 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11.5,42,二.燃料燃燒的理論空氣量,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%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。 解：以1kg重油燃燒為基礎(chǔ)，則：,43,二.燃料燃燒的理論空氣量,44,理論需氧量為： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比) 則，理論空氣量為： mol/kg重油 即 Nm3/kg重油,二.燃料燃燒的理論空氣量,45,三.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物,燃燒可能釋放的污染物： CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等 溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物的絕對(duì)量和相對(duì)量都有影響 燃料種類和燃燒方式對(duì)燃燒產(chǎn)物也有影響