第二章燃燒與大氣污染

1、第二章第二章 燃燒與大氣污染燃燒與大氣污染 第一節(jié)第一節(jié) 燃料與燃燒過程燃料與燃燒過程 第二節(jié)第二節(jié) 燃燒計算燃燒計算 第三節(jié)第三節(jié) 燃燒污染物的形成與控制燃燒污染物的形成與控制 重點：燃燒計算重點：燃燒計算 理論空氣量、空氣過剩系數(shù)；理論空氣量、空氣過剩系數(shù)； 煙氣量；煙氣量； 污染物排放量污染物排放量 1. 燃燃 料料 的的 性性 質(zhì)質(zhì) 燃料的定義： 指燃燒過程中能放出熱量，且經(jīng)濟 上可行的物質(zhì)。 燃料的分類燃料的分類： （1）常規(guī)燃料常規(guī)燃料 如煤（coal）、石油(petroleum)、天然氣 (natural gas)等。 （2）非常規(guī)燃料非常規(guī)燃料 如如生物燃料、合成油等。生物燃料

2、、合成油等。 按物理狀態(tài)又可分為：按物理狀態(tài)又可分為： （1）固體燃料）固體燃料：揮發(fā)分被蒸餾后以氣態(tài)燃燒； 留下的固定炭以固態(tài)燃燒。 （2）液體燃料：）液體燃料：由蒸發(fā)過程控制，氣態(tài)形式 燃燒。 (3) 氣態(tài)燃料氣態(tài)燃料：由擴散或混合控制。 幾種常規(guī)燃料 一、煤 定義：定義：是一種復雜的物質(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)：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。 分類：分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、 煙煤、無煙煤。 a.褐煤褐煤：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

3、木材結(jié)構(gòu)。 特點：特點：揮發(fā)分較高；燃燒熱值低，不能制 炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。 b.b.煙煤煙煤： 形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見 條紋。條紋。 揮發(fā)分揮發(fā)分2045%，C7590%。成焦性。成焦性 較強，氧含量低，水分及灰分含量不高，較強，氧含量低，水分及灰分含量不高， 適宜工業(yè)使用。適宜工業(yè)使用。 c.無煙煤： 碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有 明顯的黑色光澤，機械強度高。明顯的黑色光澤，機械強度高。 C含量含量93%, 無機物量無機物量1 3空燃比（空燃比（AF） 定義：單位質(zhì)量燃料燃燒

4、所需的空氣質(zhì)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。量，它可由燃燒方程直接求得。 4理論空氣量的經(jīng)驗理論空氣量的經(jīng)驗計算公式 0 a a V V a 例1：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%，水 分0.5%。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，則： 重量（g）摩爾數(shù) （mol） 需氧(O2)量 （mol） C88373.5873.58 H9547.5 以H2O計 23.75 S160.50.5 H2O0.50.02780 理論需氧量為： 73.58+2

5、3.75+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 67.465176. 383.97 43.10 1000 4 .22 67.465 2-3 煙氣體積及污染物排放量計算煙氣體積及污染物排放量計算 一煙氣體積計算一煙氣體積計算 . . 理論煙氣體積理論煙氣體積 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。 干煙氣干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣； 濕煙氣濕煙氣：包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣。 Vfg

6、0=V干煙氣+V水蒸氣 V理水蒸氣=V燃料中氫燃燒后的水蒸氣+V燃料中+V理論空氣量帶入的 2實際煙氣體積實際煙氣體積 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va0 3.煙氣體積和密度的校正煙氣體積和密度的校正 燃燒產(chǎn)生的煙氣其燃燒產(chǎn)生的煙氣其T、P總高于標態(tài)（總高于標態(tài)（273K、1atm）故需換）故需換 算成標態(tài)。算成標態(tài)。 大多數(shù)煙氣可視為理想氣體，故可應用理想氣體狀態(tài)方程。大多數(shù)煙氣可視為理想氣體，故可應用理想氣體狀態(tài)方程。 設觀測狀態(tài)下（設觀測狀態(tài)下（Ts、Ps）：煙氣的體積為）：煙氣的體積為Vs，密度為，密度為s 標態(tài)下（標態(tài)下（TN、PN）：）： 煙氣的體積為煙氣的體積為V

7、N，密度為，密度為N 標態(tài)下體積為：標態(tài)下體積為： 標態(tài)下密度為：標態(tài)下密度為： 應指出，美國、日本和國際全球監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)的標準態(tài)是應指出，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)比較時應注意。，在作數(shù)據(jù)比較時應注意。 S N N S SN T T P P VV N S S N SN T T P P 4. 過?？諝廨^正過?？諝廨^正 因為實際燃燒過程是有過?？諝獾?，所以燃燒 過程中的實際煙氣體積應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，可以確定燃燒設備在運行中煙氣成分 和空氣過剩系數(shù)。 空氣過剩系數(shù)為 a= m過剩空

8、氣中O2的過剩系數(shù) 設燃燒是完全燃燒，過剩空氣中的氧只以O2形 式存在，燃燒產(chǎn)物用下標P表示， m1 理論空氣量 實際空氣量 假設空氣只有O2、N2，分別為21%、79%，則空氣中總氧量 為(21/79)N2p=0.266N2p 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 此時 各組分的量均為奧氏分析儀所測得的百分數(shù)。 5 標況下煙氣量計算的經(jīng)驗式標況下煙氣量計算的經(jīng)驗式 PPP NOCONmOmC 22222 67.311 PP P ON O a 22 2 266. 0 1 PPP PP C

9、OON COO a 5 . 0266. 0 5 . 0 1 22 2 二污染物排放量的計算二污染物排放量的計算 例例2 對例1給定的重油，若燃料中硫轉(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x10-6表示，并計算此時煙氣中CO2的含 量，以干煙氣體積百分比干煙氣體積百分比表示。 解：解：由例1可知，理論空氣量條件下煙氣組成（mol）為： CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 SOX：0.5 NX： 理論煙氣量：理論煙氣量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=489.45mol/kg重油 即 10.

10、96Nm3/kg重油 空氣過剩系數(shù)a=1.2時，實際煙氣量為： 10.96+(1.2-1)*10.43=13.05Nm3 其中10.43為理論空氣量為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空 氣量。 76. 383.97 76. 383.97 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： 25.75/835.25=3.1% KgNm/0109. 0 1000 4 .2297. 05 . 0 3 KgNm/1036. 3 1000 4 .2203. 05 . 0 34 66 4 6-6 1075.2510 05.13 1036. 3 1025.83510

11、 05.13 0109. 0 3 2 SO SO C C 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： KgNm/985.112 . 043.10 1000 4 .22 0278. 05 .4745.489 3 重油KgNm/648.1 1000 4 .22 58.73 3 %75.13100 985.11 648.1 例例3：已知某電廠煙氣溫度為473K，壓力為 96.93kPa，濕煙氣量Q=10400m3/min，含水汽 6.25%（體積），奧薩特儀分析結(jié)果是：CO2占 10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的質(zhì) 量流量為22.7kg/mi

12、n。 （1） 污染物排放的質(zhì)量速率（以t/d表示） （2） 污染物在煙氣中濃度 （3） 煙氣中空氣過剩系數(shù) （4）校正至空氣過剩系數(shù)=1.8時污染物在煙 氣中的濃度。 解：解：（1）污染物排放的質(zhì)量流量為： （2）測定條件下的干空氣量為： 測定狀態(tài)下干煙氣中污染物的濃度： 標態(tài)下的濃度： dt Kg t d h h Kg /7.32 1000 24 min60 min 7.22 min/97500625.0110400 3 mQ d 36 /2 .232810 9750 7 .22 mmgC 3 /0 .4217 273 473 93.96 33.101 2 .2328Nmmg T T P P

13、 CC N N N （3）空氣過剩系數(shù)： N2p=100-10.7-8.2=81.1 （4）校正至=1.8條件下的濃度： 613. 1 2 . 81 .81268. 0 2 . 8 1 268. 0 1 22 2 PP P ON Q 3 /9 .3778 8 . 1 613. 1 0 .4217 8 . 1 NmmgC CC 校 實 實校 2-4 燃燒過程燃燒過程SOx的形成及控制的形成及控制 一、燃料中硫的氧化機理一、燃料中硫的氧化機理 燃料中的硫在燃燒過程中與氧反應，主要產(chǎn)物是SO2 和SO3，但SO3的濃度相當?shù)停词乖谪毴剂蠣顟B(tài)下，生 成的SO3也只占SO2生成量的百分之幾。在富燃料狀

14、態(tài)下， 除SO2外，還有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物 (SO)2，還有少量一氧化二硫S2O。這些產(chǎn)物化學反應能力 強，所以僅在各種氧化反應中以中間體形式出現(xiàn)。 故一般主要生成一般主要生成SO2，計算時可忽略，計算時可忽略SO3。 二、二、SOx的控制的控制 1 1. .重油脫硫重油脫硫 重油脫硫常用的方法：在鉬、鈷和鎳等的 金屬氧化物催化劑作用下，通過高壓加氫反應， 打斷碳與硫的化合鍵，氫與硫作用形成H2S， 從重油中分離出來。 重油脫硫的困難: (1)要徹底加工燃料，破壞了原來的組織。 (2)產(chǎn)生新的產(chǎn)物：固、液、氣態(tài)物。 2 燃料脫硫燃料脫硫 ） 煤炭的固態(tài)加工煤炭的固態(tài)加工 國外

15、要求用于發(fā)電、冶金、動力的煤質(zhì)標準是： 煉焦煤：硫分1%，灰分68%； 動力煤：硫分0.51%，灰分1520%。 故原煤必經(jīng)分選以除去煤中的礦物質(zhì)。 目前選煤工藝普遍應用的是重力分選法（可降低 4090%的S）,此法對有機硫含量較大的煤還不能達到環(huán)保 條例的要求。 正在研究的新脫硫法有：浮選法、氧化脫硫法、化學浸 出法、化學破碎法、細菌脫硫法、微波脫硫法、磁力脫硫 及溶劑精煉等，多處于研究階段，工業(yè)上應用的很少。 型煤固硫是控制SO2的一條經(jīng)濟有效途徑。 2） 煤炭的轉(zhuǎn)化煤炭的轉(zhuǎn)化 煤炭的轉(zhuǎn)化主要是氣化、液化。即對煤進行脫硫或加氫 改變其原有的碳氫比、使煤轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩稳剂稀?A.煤的氣化煤

16、的氣化 煤的氣化技術(shù)發(fā)展很快：“第一代”干式排灰的魯奈加 壓氣化（已商業(yè)化）和科柏斯托切克氣化；“第二代”液 態(tài)排渣氣化、Hygas氣化、Cogas氣化等未商業(yè)化；“第三 代”處于實驗階段的煤催化氣化。 煤氣主要是H2、CO、CH4等，硫以H2S形式存在。生產(chǎn) 出煤氣中H2S含量幾百到幾千mg/m3。 去除方法有干法、濕法。 B. 煤的液化煤的液化 直接液化 SRC-法 間接液化 魯奈氣化-弗托合成法 煤的液化時耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規(guī)模 水處理設施。 3. 煤燃燒二氧化硫的控制煤燃燒二氧化硫的控制 分為燃前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫和煤轉(zhuǎn)化過程中 脫硫，其中煙氣脫硫煙氣脫硫

17、被認為是最有效的脫硫方式。 燃前脫硫燃前脫硫 （1）跳汰選煤跳汰選煤 是各種密度、粒度和形狀的物料在不斷變化的 流體中運動過程的選煤。屬于物理選煤，主要利用煤中各種 成分比例不同，而去除部分灰份和黃鐵礦，不能去有機硫。 （2）重介質(zhì)選煤重介質(zhì)選煤 采用磁鐵礦和水配置的懸浮液作為選煤的介 質(zhì)，利用不同浮力進行選煤，屬于物理方法。 （3）浮選選煤浮選選煤 是氣、液、固三相界面的分選過程，包括水中 礦物顆粒粘附在氣泡，然后上浮到煤漿表面。因為煤的濕潤 性較好而礦物的濕潤性較差。 （4）高梯度強磁分離煤脫硫技術(shù)高梯度強磁分離煤脫硫技術(shù) 煤中有機硫為逆磁性而大部 分無機硫為順磁性，利用磁性不同分離。 （

18、5）微波輻射法微波輻射法 煤中黃鐵礦的硫最容易吸收微波，有機 硫次之，煤基質(zhì)基本不吸收微波。微波吸收后削弱化 學鍵，采用浸取液洗滌煤中硫，可以去無機硫，也可 以去有機硫，目前在實驗室狀態(tài)。 （6）化學處理法化學處理法 如在煤中加入堿溶液，在一定反應條件 下，脫去無機和有機硫，但該工藝成本高，對煤質(zhì)有 一定影響，在工程上應用少。 （7）生物脫硫生物脫硫 利用微生物破壞煤中無機硫和有機硫，可 以達到經(jīng)濟、有效的脫硫，但目前的難點是找到能破 壞煤中硫而不影響碳結(jié)構(gòu)的高效菌種。國外準備進行 半工業(yè)實驗，國內(nèi)目前處于起步階段。 （8）型煤固硫技術(shù)型煤固硫技術(shù) 將不同原料經(jīng)過篩分按照一定比例配 煤，粉碎后同經(jīng)過預處理的粘結(jié)劑和固硫劑混合，經(jīng) 過機械設備成型與干燥，得到具有一定形狀和成品的 工業(yè)固硫型煤。固硫劑按照化學形態(tài)分為鈣系、鈉系 及其他。 石灰石、大理石粉、電石渣是工業(yè)上較好的固硫劑， 應用廢液做粘結(jié)劑，如堿性紙漿黑液，也有一定的固 硫作用。鹽泥、糖泥、鈣渣、煙道灰等可以作為粘結(jié) 劑和脫硫劑。 型煤燃燒煙氣中粉塵、二氧化硫、CO濃度及煙氣黑度 明顯下降，但由于型煤增加