【学习课件】第二章燃烧与大气污染.ppt

第二章 燃烧与大气污染,学习对象： 燃烧释放的能量是人类生活的主要能源主要大气污染物，例如NOx、SO2和颗粒物，大都来自燃料燃烧本章学习燃料性质、燃烧过程、烟气组成以及燃烧过程中硫氧化物、颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物的形成机理，并学习如何计算污染物排放量,第一节 燃料的性质,燃料的分类,燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质，主要是含碳物质或碳氢化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、天然气、发生炉煤气等水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成外部水分可以靠自然干燥方法除去内部水分要放在干燥箱中加热到102~105C，保持2h后才能除掉 灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分燃料组成对燃烧的影响,一、煤,煤是最重要的固体燃料它是由地质时代植物遗体(有时有少量浮游生物)堆积在大陆湖盆、沼泽盆地、封闭海湾等地方，经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的固体可燃矿产由植物变成煤的过程通常可分为四个阶段，根据煤化程度的不同，可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤等1、煤的基本分类,泥煤 最年轻的煤，由植物刚刚衍变而来，碳含量70％ 褐煤 比泥煤炭化程度大一些，基本完成了植物遗体的炭化过程，结构类似木材。

碳含量70~78％热值较低 烟煤 形成年代较褐煤长，碳含量75%~90％成焦性较强，适宜工业一般应用 无烟煤 煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），具有明亮的黑色光泽，机械强度高成焦性差,发热量大,,,燃料组成对燃烧的影响,碳：主要可燃元素1 kg纯碳完全燃烧放出32860 kJ的热量当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量 氢：燃料中发热量最高的元素1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热量 氧：与煤中的碳和氢生成化合物氧的存在减少燃烧需要的空气量，降低燃料的发热量 氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%~1.5%燃烧时大部分以N2的形式排放，少量转化成氮氧化物，是燃料型NOx的主要来源 硫：我国煤的平均含硫量约为1％煤中的硫主要以有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫的形式存在燃烧时大部分硫以SO2的形式排放，是大气污染物SO2的主要排放源水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成外部水分可以靠自然干燥方法除去内部水分要放在干燥箱中加热到102~105C，保持2h后才能除掉 灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分燃料组成对燃烧的影响,3、煤的成分分析 工业分析（ proximate analysis ） 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。

估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标 元素分析（ ultimate analysis ） 用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量煤的工业分析 水分： 一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318～323K温度下干燥8h，取出冷却，称重  外部水分（机械地附着在煤表面） 将失去外部水分的煤样保持在375～380K下，约2h后，称重  内部水分（化学吸附水和结晶水） 挥发分： 失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重 灰分： 煤中不可燃物质的总称①降低煤的发热量 ② 增加烟尘污染③灰分结渣，容易造成不完全燃烧，给设备的维护和操作带来困难 固定碳： 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳煤的元素分析 碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定 氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，滴定 硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，S SO42-，滴定,,,煤中硫的形态,,煤的成分的表示方法 要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的基准，常用的基准有以下四种： 收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分 空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分,干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少,干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,,其他燃料,石油 液体燃料的主要来源 链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物 主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧 氢含量增加时，比重减少，发热量增加 天然气 典型的气体燃料 一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％,非常规燃料 城市固体废弃物、商业和工业固体废弃物、农产物和农村废物、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、合成燃料,城市固体废弃物,垃圾焚烧站,第二节 燃料燃烧过程,燃烧是指某些物质(如煤、石油、天然气等)在较高温度时与空气中的氧气化合而发热、发光的剧烈氧化反应现象。

燃料从开始着火到完全燃尽、火焰熄灭的全过程称为燃烧过程 一.影响燃烧过程的主要因素 燃烧过程及燃烧产物 完全燃烧：CO2、H2O 不完全燃烧： CO2、H2O & CO、黑烟及其他部分氧化产物 如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NO 空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx,燃料完全燃烧的条件（3T） 空气条件：需要充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失 温度条件（Temperature）：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度，称为着火温度燃料只有达到着火温度才能开始燃烧着火温度：固体液体气体 时间条件（Time）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间 燃料与空气的混合条件（Turbulence）：混合条件即燃料与空气的混合程度，一般取决于空气的湍流度若混合不充分，部分燃料在富燃条件下燃烧，将产生较多未燃尽物质典型燃料的着火温度,,典型锅炉热损失与过剩空气量的关系,,,二.燃料燃烧的理论空气量,建立燃烧方程式的假定： 空气组成 20.9%O2和79.1%N2，两者体积比为：N2/ O2 = 3.78 燃料中固定氧可用于燃烧 燃料中硫主要被氧化为 SO2 不考虑NOX的生成 燃料中的N在燃烧时转化为N2 燃料的化学式为CxHySzOw,燃烧方程式： 燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w (kg/kmol) 理论需氧量： 理论空气量： 煤 4~7 m3/kg，液体燃料10~11 m3/kg,22.4×,例题：,,例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。

试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量解：以1kg重油燃烧为基础，则：,理论需氧量为： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 假定空气中N2与O2的摩尔比为3.78(体积比) 则，理论空气量为： mol/kg重油 即 m3N/kg重油,,,2.燃料燃烧的理论空气量,空气过剩系数 实际空气量与理论空气量之比以表示，通常1 部分炉型的空气过剩系数,,空燃比 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量 例如：汽油（～C8H18）的完全燃烧： 1mol汽油的质量：128+1.00818 = 114.14 g 所需空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723 g 空燃比 AF=15.11,三.燃烧过程中产生的污染物,燃烧可能释放的污染物： CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等 温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响 燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响,燃烧产物与温度的关系：,,燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：,,四.热化学关系式,发热量： 单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下的热量变化（kJ/kg or kJ/m3 ） 高位发热量：包括燃烧生成物中水蒸气的汽化潜热 低位发热量：燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量,燃烧设备的热损失 排烟热损失：烟温升高12~15K，排烟热损失增加1%。

但烟温过低会造成受热面的酸腐蚀 不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧和机械不完全燃烧 散热损失：由于设备管道温度高于周围空气温度造成热损失 在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低 不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧,燃烧热损失与空燃比的关系,在充分混合的条件下，热量总损失在理论空气量条件下最低；混合不充分时，热量总损失的最小值出现在空气过量一侧第三节 烟气体积及污染物排放量计算,一.烟气体积计算 理论烟气体积 CO2、SO2、N2和H2O 干烟气、湿烟气 烟气体积和密度的校正 转化为标态下（273K、1atm）的体积和密度 注意：美、日和全球监测系统网的标态为298K、1atmρN,实际空气量 = （1+ a）（O2 + 3.78N2） 完全燃烧：与理论空气量相比多a（O2+ 3.78N2） 此时烟气中，O2的量为O2P= a O2，N2的量为N2P = 3.78（1+a）N2 空气中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即进入燃烧系统的空气总氧量为 0.264N2P,过剩空气校正 理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数  = 1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ） 假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正： O2P - 0.5 COP  = 1 + （ O2P - 0.5 COP ）/ [ 0.264 N2P - （ O2P - 0.5 COP ）] 以上组分的量均可由烟气分析仪测定。

过剩空气较正 因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以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 用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数 以碳在空气中的完全燃烧为例： a为空气过剩系数 α= a -----过剩空气中O2的过剩系数 设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形式存在，燃烧产物用下标P表示， O2 P= a O2,,假设空气只有O2、N2,分别为20.9%、79.1%，则空气中总氧量为: 20.9/ 79.1N2P=0.264N2P 理论需氧量： 0.264N2P-O2P 所以 （燃烧完全时） 若燃烧不完全会产生CO，须校正即从测得的过剩氧中减去CO氧化为CO2所需的O2 此时 各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数二.污染物排放量计算,方法： 根据实测的污染物浓度和排烟量 根据燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度,,二．污染物排放量的计算,例 对例2-3给定的重油，若燃料中硫转化为SOX（其中SO2占97%），试计算空气过剩系数α=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。

解：由例2-3可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为： CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 SOX：0.5 NX： 理论烟气量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=491.4mol/kg重油 即 491.4×0.024=11.01m3/kg重油 空气过剩系数α=1.2时，实际烟气量为： 11.01+10.47×0.2=13.10m3/kg重油 其中10.47为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量烟气中SO2的体积为 烟气中SO3N的体积为 所以，烟气中SO2、、SO3的浓度分别为：,,,,当α=1.2时，干烟气量为： CO2体积为： 所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为：,,,,例3：已知某。