燃烧与大气污染by phoenix课件.ppt

彭伟功phoenix第二章 燃烧与大气污染第二章第二章 燃烧与大气污染燃烧与大气污染1. 燃料的性质2. 燃料的燃烧过程3. 燃料燃烧产生的主要污染物4. 主要气态污染物的燃烧控制第一节 燃料的性质1. 燃料的分类按获获得方法分 按物态态分 天然燃料 人工燃料 固体燃料 木柴、煤、油页页岩 木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料 石油 汽油、煤油、柴油、 重油 气体燃料 天然气 高炉煤气、发发生炉煤 气、焦炉煤气 2. 燃料的化学组成典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分2. 燃料的化学组成典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）3. 燃料组成对燃烧的影响Ø 碳：可燃元素1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热 量当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短煤中的碳不是单质状态存 在，而是与氢、氮、硫等组成有机化合物煤形成的地质年代 越长，其挥发性成分含量越少，而含碳量则相对增加例如， 无烟煤含碳量约90%~98%，一般煤的含碳量约50%~95%Ø 氢：是燃料中发热量最高的元素固体燃料中氢的含量为 2%~10%，以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能 放出120500 kJ的热量。

3. 燃料组成对燃烧的影响Ø 氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热 量Ø 氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%~1.5%Ø 硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫前 两种能放出热量，称之为挥发硫硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上3. 燃料组成对燃烧的影响Ø 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Ø 灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分4.煤的分类和组成 Ø 煤的基本分类q褐煤 • 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 q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 q无烟煤 • 煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），成焦性差,发 热量大4.煤的分类和组成 Ø 煤的详细分类4.煤的分类和组成 Ø 煤的成分分析ü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ü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。

4.煤的分类和组成Ø 煤的工业分析 ü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 • 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ü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 4.煤的分类和组成Ø 煤的工业分析（续）ü固定碳 • 失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在80020C 的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却焦炭所失 去的重量为固定碳ü灰分： • 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定 碳4.煤的分类和组成Ø 煤中灰分的组成：Ø 我国煤炭的平均灰分含量为25％ Ø 灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量4.煤的分类和组成Ø 煤的元素分析ü 碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定ü 氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收 ，滴定ü 硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，S SO42-， 滴定4.煤的分类和组成Ø 煤中硫的形态4.煤的分类和组成Ø 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：ü 收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分 ü 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 4.煤的分类和组成ü 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 ü 干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成 分4.煤的分类和组成Ø 煤的成分的表示方法及其组成的相互关系 4.煤的分类和组成Ø 我国部分煤种的分析结果 4.煤的分类和组成Ø 我国部分煤种的分析结果(续） 5.其他燃料 Ø 石油ü 液体燃料的主要来源ü 链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物ü 主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧ü 氢含量增加时，比重减少，发热量增加Ø 天然气ü 典型的气体燃料ü 一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％5.其他燃料 Ø 非常规燃料ü 城市固体废弃物 ü 商业和工业固体废弃物 ü 农产物和农村废物 ü 水生植物和水生废物 ü 污泥处理厂废物 ü 可燃性工业和采矿废物 ü 天然存在的含碳和含碳氢的资源 ü 合成燃料非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题6.燃料组成的表示方法: CxHySzOwNv Ø 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 composition.Ø Element Wt % mol/100g mol/mol(碳)C 77.2  12 = 6.43  6.43 = 1.00H 5.20  1 = 5.20  6.43 = 0.808N 1.20  14 = 0.0857  6.43 = 0.013S 2.60  32 = 0.0812  6.43 = 0.013O 5.90  16 = 0.369  6.43 = 0.057ash 7.9  6.43 = 1.23 g/molC Ø The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057 燃料的最重要的两个属性v热值Ø决定燃料的消耗量v杂质Ø污染物产生的来源第二节 燃料燃烧过程 1.影响燃烧过程的主要因素Ø燃烧过程及燃烧产物 ü完全燃烧：CO2、H2Oü不完全燃烧： CO2、H2O & CO、黑烟及其他部分氧化产物ü如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NOü空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx1.影响燃烧过程的主要因素Ø 燃料完全燃烧的条件（3T）ü 空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失ü 温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度ü 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ü 燃料与空气的混合条件（Turbulence）：燃料与氧充分混合1.影响燃烧过程的主要因素Ø 典型燃料的着火温度1.影响燃烧过程的主要因素Ø 燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）1.影响燃烧过程的主要因素Ø 典型锅炉热损失与过剩空气量的关系1.影响燃烧过程的主要因素Ø 燃气比和混合程度对燃烧产物的影响2.燃料燃烧的理论空气量Ø建立燃烧方程式的假定： ü空气组成 20.9%O2和79.1%N2，两者体积比为：N2/ O2 = 3.78ü燃料中固定氧可用于燃烧 ü燃料中硫主要被氧化为 SO2 ü不考虑NOX的生成 ü燃料中的N在燃烧时转化为N2 ü燃料的化学式为CxHySzOw2.燃料燃烧的理论空气量ØØ 燃烧方程式：燃烧方程式：ØØ 燃料重量燃料重量 = 12= 12x x+1.008+1.008y y+32+32z z+ +1616wwØØ 理论空气量：理论空气量：ØØ 煤煤 4~7 m4~7 m3 3/kg/kg，，液体燃料液体燃料10~11 m10~11 m3 3/kg/kg2.燃料燃烧的理论空气量Ø 例题：2.燃料燃烧的理论空气量Ø 空气过剩系数 ü 实际空气量与理论空气量之比。

以表示，通常>1ü 部分炉型的空气过剩系数2.燃料燃烧的理论空气量Ø 空燃比 ü 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：• 汽油的质量：128+1.00818 = 114.14 • 空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723 • 空燃比 AF=15.113.燃料燃烧的理论烟气量Ø燃烧方程式：Ø 理论烟气量：上述式子右边的摩尔数乘以22.4×10-3是其标况下的体积，只需要转化为实际状况下的体积即可 4.烟气体积计算ü理论烟气体积 CO2、SO2、N2和H2O 干烟气、标准干烟气、湿烟气 ü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、1atm4.烟气体积计算ü 过剩空气校正Ø实际空气量 =  （O2 + 3.78N2）Ø完全燃烧：与理论空气量相比多(-1) （O2+ 3.78N2） Ø此时烟气中，O2的量为O2P= (-1)  O2，N2的量 为N2P = 3.78  N2Ø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 0.264N2Pü过剩空气校正Ø理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数  = 1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ）Ø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。

4.烟气体积计算第三节 燃烧过程中产生的污染物Ø燃烧可能释放的污染物： Ø固体颗粒物 Ø气态硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、 碳氢化合物Ø二氧化碳2.3.1 颗粒污染物Ø燃烧过程产生的颗粒污染物主要是燃烧不完全 形成的炭黑以及烟尘和飞灰 （1）碳粒子的生成 积炭是燃料气体分子在空气不足时发生热分解而形成的炭黑2）燃煤烟尘的形成 固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，包括黑烟和飞灰黑烟主 要是未燃尽炭粒，飞灰主要是燃料所含的不可燃矿物质微粒如果 然收条件不理想，高温下发生热解，形成多环化合物，就冒黑烟3）燃煤尾气中飞灰的产生 燃煤尾气中飞灰的浓度和粒度与煤质、燃烧方式、烟气流速、炉排和 炉膛的热负荷、锅炉运行负荷以及锅炉结构等因素有关一般灰分 越高，含水量越少，排沉浓度越高 1）碳粒子的生成Ø积炭的生成 • 核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳 • 核表面上发生非均质反应 • 较为缓慢的聚团和凝聚过程Ø燃料的分子结构是影响积炭的主导因素 Ø积炭的生成与火焰的结构有关 Ø提高氧气量可以防止积炭生成 Ø压力越低则积炭的生成趋势越小Ø 火焰的结构Ø预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合（ bursen burner, meeker burner）Ø扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然 后发生反应（实际中应用最多），不同的区域有 不同的 (0～) 值（ 1）碳粒子的生成Ø 火焰的结构（续）Ø 层流火焰：Re2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用Laminartransitiondeveloped t。