第二章 燃燒與大氣污染

第二章

燃燒與大氣污染CombustionandAirpollution[目的]：大部分大氣污染物與燃燒有關，因此本章側重介紹燃料燃燒過程的計算、以及主要污染物的形成。［重點］：（一）燃料完全燃燒的條件（二）燃燒計算１．理論空氣量２．煙氣量３．污染物排放量2.1燃料的性質第二章燃燒與大氣污染

2.4燃燒過程污染物的形成和控制2.2燃料燃燒過程

2.3煙氣體積及污染物排放量計算2.1燃料的性質燃料：指在燃燒過程中，能夠放出熱量，且在經(jīng)濟上可行的物質。類別（按物理狀態(tài)分類）典型代表影響其燃燒的主要因素固體燃料煤燃料中揮發(fā)性組分被蒸餾后以氣態(tài)燃燒，而遺留下來的固定碳則以固態(tài)燃燒，后者的速率由氧向固體表面的擴散控制液體燃料汽油、柴油燃燒速度受其蒸發(fā)過程控制氣體燃料天然氣空氣與燃料的擴散或混合所控制表2-1.燃料的分類及其有關性質

煤——最重要的固體燃料，它是一種復雜的物質聚集體。煤的可燃成分主要是由碳、氫及少量氧、氮和硫等一起構成的有機聚合物。各種聚合物之間由不同的碳氫支鏈互相連接成更大的顆粒。2.1.1煤2.1.1.1分類

煤褐煤煙煤無煙煤沉積年代表2-2.褐煤、煙煤和無煙煤的

主要特征對比表特征褐煤煙煤無煙煤沉積年代最短較褐煤長最長顏色褐色、黑褐色黑色灰黑色光澤大多數(shù)暗有一定光澤金屬光澤成分C：60～75%O：20～25%C：75～90%揮發(fā)分：20～45%C：≥90%無機含量：≤10%燃燒現(xiàn)象有煙多煙無煙2.1.1.2煤的組成

煤中有機成分和無機成分的含量，因煤的種類和產(chǎn)地的不同而有很大差別。測定煤組成工業(yè)分析：測定煤中水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳以及估測硫含量和熱值，這是評價工業(yè)用煤的主要指標。元素分析：

元素分析是化學方法測定去掉外部水分的煤中主要成分碳、氫、氮、氧等的含量。表2-3.工業(yè)分析中主要指標的測定方法及其對煤燃燒特性和環(huán)境的影響指標測定方法影響水分外部水分稱取一定量的13mm以下粒度的煤樣，置于干燥箱內(nèi)，在318～323K溫度下干燥8h，取出冷卻。干燥后所失去的水分質量占煤樣原來質量的百分數(shù)就是煤的外部水分水分使熱值降低，影響燃燒的穩(wěn)定性，一般要求水分為10～13%內(nèi)部水分將上述失去外部水分的煤樣繼續(xù)在375～380K下干燥約2h，所失去的水分質量占試樣原來質量的百分數(shù)即內(nèi)部水分。全水分＝外部水分＋內(nèi)部水分指標測定方法影響灰分不可燃燒部分的總量降低燃燒的熱值，也增加了煙塵污染和出渣量揮發(fā)分將風干的煤樣在1200K的爐中加熱7min而測定揮發(fā)分高則越易燃著，火焰越長，越易燃燒完全；太高，則會使爐膛內(nèi)沒有充分的空間、時間，使O2與逸出的揮發(fā)分充分混合。從而所分解的產(chǎn)生的C與煙氣形成濃煙從煙囪冒出，污染環(huán)境固定碳從煤中扣除水分、灰分和揮發(fā)分后剩下的部分就是固定碳主要可燃物質續(xù)表2-3圖2-2.煤的有機化學模型

表2-4.煤的部分組分元素分析方法組分測定方法碳、氫通過燃燒后的尾氣分析中CO2和H2O的生成量而測定氮通過測定在催化劑作用下使煤中的氮轉變?yōu)榘?，繼而用堿吸收，最后用酸滴硫將樣品放在氧化鎂和無水碳酸鈉的混合物中加熱，使硫化物轉變?yōu)榱蛩猁}，再以硫酸鋇——重量法測定煤中全硫無機硫有機硫硫化鐵硫元素硫硫酸鹽硫黃鐵礦硫FeS2白鐵礦硫FeS2砷鐵礦硫石膏CaSO4.2H2O綠礬FeSO4.7H2O硫醇或醚基化合物R—SH硫醚R—S—R二硫醚疏R—S—S—R噻吩類雜環(huán)化合物硫醌化合物1.1.1.3煤中硫的形態(tài)及其脫除方法表2-4.煤中硫的脫除方法存在形態(tài)脫除方法黃鐵礦硫(FeS2)本身雖無磁性，但在強磁場感應下能夠轉變?yōu)轫槾判晕镔|；和煤炭相比有不同的微波效應，吸收微波能力較強。根據(jù)這些性質,可以采用的物理或化學方法,把黃鐵礦從煤中脫除有機硫(CxHySz)有機硫分與煤中有機質構成復雜的分子,不宜用一般重力分選的辦法除去，需要采用化學方法進行脫硫

2.1.2石油

2.1.2.1石油的定義與相關性質石油是液體燃料的主要來源。原油是天然存在的易流動的液體，是多種化合物的混合物。主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等碳氫化合物組成。這些化合物主要含碳和氫，還有少量的硫、氟和氧，它們的含量國產(chǎn)地而異。2.1.2.1石油中硫的形態(tài)及其脫除方法原油中硫的含量變化范圍較大，一般為0.1～0.7%（質量），大部分以有機硫的形式存在。

原油中硫輕餾份中硫分，約占全硫10～20％，以H2S，硫醇、一硫化物、二硫化物等形態(tài)存在；重餾分中硫分，約占全硫80～90%，以復雜的環(huán)狀結構存在。采用高壓下的催化加氫，以破壞C—S—C鍵，形成硫化氫氣體，可以達到降低硫分的目的，但費用很高。2.1.3天然氣

天然氣是典型的氣體燃料，它的組成一般為甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%；含碳更高的碳氫化合物也可能存在于天然氣中。天然氣還含有碳氫化合物以外的其它組分，如H2O、CO2、N2、He和H2S等。

天然氣脫硫脫碳工藝流程簡圖西安市天然氣組分及主要性質項目名稱體積（%）組分CH496.1C2H60.45C3H80.075iC40.02nC40.01CO23.20H2微量N2微量性質天然氣相對密度0.5799天然氣水露點≤-13℃天然氣烴露點-38℃天然氣低熱值33.24MJ/Nm3天然氣含硫量H2S≤20mg/m32.1.4非常規(guī)燃料根據(jù)來源，非常規(guī)燃料可分為如下幾類：

(1)城市固體廢棄物；

(2)商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物；

(3)農(nóng)產(chǎn)物及農(nóng)村廢物；

(4)水生植物和水生廢物；

(5)污泥處理廠廢物；

(6)可燃性工業(yè)和采礦廢物；

(7)天然存在的含碳和含碳氫的資源，

(8)合成燃料。（1）在某些領域代替日益減少的化石燃料的供應（2）處理廢物的有效方式非常規(guī)燃料的重要性非常規(guī)燃料常需要一些專門的制備技術，才能將其轉變?yōu)楦檬褂玫男问?，如使之便于加工或改善其燃燒特性等（P37表2-3）。應注意2.1燃料的性質

2.2燃料燃燒過程

2.3煙氣體積及污染物排放量計算

2.4燃燒過程污染物的形成和控制第二章燃燒與大氣污染

2.2燃料燃燒過程燃料+氧氣→燃燒產(chǎn)物+熱量+光2.2.1影響燃燒過程的主要因素

2.2.1.1燃燒過程及燃燒產(chǎn)物

燃燒——可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨著能量(光和熱)的釋放，同時使燃料的組成元素轉化為相應的氧化物。多數(shù)化石燃料完全燃燒的產(chǎn)物:CO2和H2O不完全燃燒過程:黑煙、CO和其它部分氧化產(chǎn)物等大氣污染物.燃燒產(chǎn)物若燃料中含有硫和氮:SO2和NO，以污染物形式存在于煙氣中；當燃燒室溫度較高時，空氣中的部分氮也會被氧化——熱型氮氧化物NOx（ThermalNOx）燃燒產(chǎn)物與溫度的關系圖空氣量空氣供應不足：燃燒就不完全空氣量合適：燃燒正?？諝饬窟^大：降低爐溫，增加鍋爐的排煙損失。2.1.2.1空氣條件

2.2.2燃料完全燃燒的條件燃料只有達到著火溫度．才能與氧化合而燃燒。

著火溫度——在氧存在下可燃質開始燃燒所必須達到的最低溫度。各種燃料都有自己特征的著火溫度（P39

表2-4）。2.1.2.2溫度條件溫度條件：當溫度高于著火溫度且dQ放/dt>dQ散/dt

從而能夠維持在較高的溫度下，才能使燃燒過程繼續(xù)進行。燃料在燃燒室中的停留時間是影響燃燒完全程度的另一基本因素。

燃料在高溫區(qū)的停留時間應超過燃料燃燒所需要的時間。

T↑、V↑，則t↓。2.1.2.3時間條件（t）為什么？溫度高氧氣多混合程度混合不充分：將導致不完全燃烷產(chǎn)物的產(chǎn)生混合充分

蒸氣相的燃燒，湍流可以加速液體燃料的蒸發(fā)固體燃料的燃燒，湍流有助于破壞燃燒產(chǎn)物在燃料顆粒表面形成的邊界層從而提高表面反應的氧利用率，并使燃燒過程加速2.1.2.4燃料與空氣的混合條件

適當?shù)乜刂瓶杖急?、溫度、時間和湍流度，是在大氣污染物排放量最低條件下實現(xiàn)有效燃燒所必須的，評價燃燒過程和燃燒設備時，必須認真地考慮這些因素。溫度（Tempreture)時間（Time）湍流（Turbulent)燃燒過程的“三T”

（1）理論空氣量理論空氣量(Vao)——單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需要的空氣量，它由燃料的組成決定，可根據(jù)燃燒方程式計算求得。2.2.3燃料燃燒的理論空氣量

空氣僅由N2和O2組成的，其體積比為79.1／20.9＝3.78；

燃料中的固定態(tài)O可用于燃燒：

燃料中的S主要被氧化為SO2；熱型NOx的生成量較小，燃料中含氮量也較低，計算理論空氣量時可以忽略；燃料的化學式為CxHySzOw，其下標x、y、z、w分別代表碳、氫、硫和氧的原子數(shù)。建立燃燒化學方程式的假定簡化計算式(2-1)燃燒化學方程式式(2-2)(2)空氣過剩系數(shù)完全保證→理論空氣量→完全燃燒“三T”的保證程度達不到理想化的程度→供給過量的空氣→完全燃燒空氣過剩系數(shù)

一般把超過理論空氣量多供給的空氣量稱為過?？諝饬俊？杖急龋ˋF）——單位質量燃料燃燒所需要的空氣質量，它可以由燃燒方程式直接求得。單位：Kg空氣／Kg燃料。（3）空燃比(AF)（4）熱化學關系式1）發(fā)熱量一般燃燒設備中的排煙溫度均遠遠超過水燕氣的凝結溫度，因此大部按低位發(fā)熱量計算燃料發(fā)熱量。

q1——單位為kJ/kgWH——燃料中氫的百分含量

WW——燃料中水的百分含量式2-3燃燒設備熱損失

散熱損失：由于鍋爐爐墻、爐筒等部分溫度高于周圍空氣溫度而散失的熱量

不完全燃燒熱損失

排煙熱損失：排煙帶走的一部分熱量所造成

化學不完全燃燒：煙氣中含有可燃氣體

機械不完全燃燒：灰中含有未燃盡的碳2)燃燒設備的熱損失圖2-9.燃燒熱損失與空燃比的關系防治大氣污染最有力的措施改進工藝(有效地利用資源,減少熱損失)減少污染物排放擴散稀釋2.1燃料的性質

2.2燃料燃燒過程

2.3煙氣體積及污染物排放量計算

2.4燃燒過程污染物的形成和控制第二章燃燒與大氣污染

2.3煙氣體積及污染物 排放量計算2.3.1煙氣體積計算

2.3.1.1理論煙氣體積

理論煙氣體積:理論空氣量下，燃料完全燃 燒所生成的煙氣體積，以V0fg表示。煙氣組成：主要CO2SO2N2

水蒸（H2O）干煙氣濕煙氣設觀測狀態(tài)下（Ts、Ps）：煙氣的體積為Vs，密度為ρs。標態(tài)下（Tn、Pn）：煙氣的體積為Vn，密度為ρn。2.3.1.2煙氣體積和密度的校正

標態(tài)下體積為：

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298K、1atm在作數(shù)據(jù)比較時應注意。實際燃燒過程是有過剩空氣的，燃燒過程中：2.3.1.3過剩空氣校正實際煙氣體積（Vs）=理論煙氣體積（Vt）+過?？諝饬浚╒g）如何校正？用奧氏煙氣分析儀測定煙氣中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)。例：以碳燃燒為例，煙氣中僅含有CO2和N2，空氣過量，其中a是過?？諝庵蠴2的過剩摩爾數(shù)，則燃燒方程式變?yōu)椋哼^?？諝庀禂?shù)

由式可以得知：要計算α，必須知道a。（1）假設完全燃燒：過剩氧的摩爾數(shù)其中：O2p=aO2；

N2p為實際空氣中所含的氮氣量

（2）若燃燒不完全，煙氣中有CO，則過剩氧量必須加以校正，即從測得的剩余氧中減去氧化CO為CO2的所需氧量2.3.1.4實際煙氣體積

實際煙氣體積（Vfg）=理論煙氣體積（Vfgo）+過剩空氣量（Vo×（α-1））理論空氣量例2-1：已知重油的元素分析結果如下：

C:85.5%H:11.3%O:2.0%N:0.2%S:1.0%

計算:（1）燃油1kg所需的理論空氣量和產(chǎn)生的 理論煙氣量；（2）干煙氣中SO2的濃度和CO2的最大濃度;

（3）但空氣過剩系數(shù)為10%時，所需的空氣 量和產(chǎn)生的氧氣量。2.3.2污染物排放量的計算

表2-5.例2-1計算表元素質量/g摩爾數(shù)/mol需O2量/mol產(chǎn)生的煙氣量/molC855855/12=71.2571.2571.25(CO2)H113113/1=113113/4=28.2556.5(H2O)O2020/16=1.25-0.6250N22/14=0.14300.0715(N2)S1010/32=0.3130.3130.313(SO2)解：(1)首先將重油的質量百分比轉化為摩爾組成，然后列出每種元素燃燒所需的理論空氣量和燃燒后產(chǎn)生的理論煙氣量。以1kg重油為基準，計算結果見表2-5。表2-5.例2-1計算表元素質量/g摩爾數(shù)/mol需O2量/mol產(chǎn)生的煙氣量/molC855855/12=71.2571.2571.25(CO2)H113113/1=11328.2556.5(H2O)O2020/16=1.25-0.6250N22/14=0.14300.0715(N2)S1010/32=0.3130.3130.313(SO2)燃燒1kg重油所需理論氧氣量＝71.25+28.25-0.625+0.313=99.19mol所需的理論空氣量=99.19×(1+3.78)=474.13mol標準狀態(tài)下的體積

Va=474.13×22.4×10-3=10.62mN3表2-5.例2-1計算表元素質量/g摩爾數(shù)/mol需O2量/mol產(chǎn)生的煙氣量/molC855855/12=71.2571.2571.25(CO2)H113113/1=11328.2556.5(H2O)O2020/16=1.25-0.6250N22/14=0.14300.0715(N2)S1010/32=0.3130.3130.313(SO2)產(chǎn)生的煙氣＝（71.25+56.50+0.0715+0.313）+99.19×3.78=503.07mol=11.27mN3理論需氧量(2)燃燒1kg重油產(chǎn)生的干煙氣量

=（503.07-56.5）=446.57mol燃料中的S完全轉化為SO2時，干煙氣中的SO2的濃度最大

燃料中的C完全燃燒轉化為CO2時，煙氣中的CO2的濃度最大（3）當α=10%時，燃燒1kg重油所需的空氣量=10.62×(1+10%)=11.68mN3

產(chǎn)生的煙氣量=11.25+10.62×10% =12.31mN3例2：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結果如下（按質量）C：88.3%，H：9.5%，S：1.6%，水分：0.5％，灰分：0.10%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。重量/g摩爾數(shù)/mol需氧量/mol產(chǎn)生的煙氣量/molC88373.5873.5873.58(CO2)H959523.7547.5(H2O)S160.50.50.5(SO2)H2O50.27800.278（H2O）灰分10解：以1kg重油燃燒為基礎，則：理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油理論空氣量為：mol/kg重油

即Nm3/kg重油重量/g摩爾數(shù)/mol需氧量/mol產(chǎn)生的煙氣量/molC88373.5873.5873.58(CO2)H959523.7547.5(H2O)S160.50.50.5(SO2)H2O50.27800.278（H2O）灰分10重量/g產(chǎn)生的煙氣量/mol煙氣組成含量／molC88373.58(CO2)CO273.58H9547.5(H2O)H2O47.5＋0.278S160.5(SO2)SO20.5H2O50.278（H2O）N297.83×3.78灰分1例3.對例2給定的重油，若燃料中硫轉化為SOX（其中SO2占97%），試計算空氣過剩系數(shù)α=1.20時煙氣中SO2及SO3的濃度，以ppm表示，并計算此時干煙氣中CO2的含量，以體積百分比表示。理論煙氣量：73.58+0.5+(47.5+0.278)+(97.83×3.78)=492.66mol/kg重油=11.04Nm3/kg重油煙氣中SO3的體積為空氣過剩系數(shù)a=1.2時，實際煙氣量為:11.04+10.47×(1.2-1)

=13.13Nm3煙氣中SO2的體積為所以，煙氣中SO2、SO3的濃度分別為：當α=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：

例4：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），奧薩特儀分析結果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的質量流量為22.7Kg/min。（1）

污染物排放的質量速率（以t/d表示）（2）污染物在干煙氣中濃度（3）煙氣中空氣過剩系數(shù)解：（1）污染物排放的質量流量為：

（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：（3）空氣過剩系數(shù)2.1燃料的性質

2.2燃料燃燒過程

2.3煙氣體積及污染物排放量計算

2.4燃燒過程污染物的形成和控制第二章燃燒與大氣污染

2.4燃燒過程主要污染物

的形成2.4.1燃燒中硫氧化產(chǎn)物的形成含硫化石燃料的燃燒是造成大氣SO2污染的主要原因，主要產(chǎn)物是SO2和SO3，但SO3的濃度相當?shù)?。含硫燃料燃燒的特征是火焰呈淺藍色，這種顏色是由于反應產(chǎn)生的。燃料中的硫在貧燃料狀態(tài)下，SO3=SO2生成量的百分之幾在富燃料狀態(tài)下，SO2為主

少量SO及其二聚物(SO)2，少量S2O在各種氧化反應中以中間體形式出現(xiàn)

人類活動排入大氣中的NOX，90%來自于燃料的燃燒過程。2.4.2氮氧化物的形成來源燃料型NOX:燃料中的固定氮(20～80%)生成熱力型NOX:大氣中的氮在高溫條件下被氧化生成NOX結構NONO290％10％燃燒溫度不太高時，排氣中主要是燃料型NOX；在高溫下，空氣中的氮也被氧化為NOX，反應式如下：另外，由于T↑，CNO↑；

T↓，CNO2↑，且高溫下生成的NO在低溫下轉化為NO2且煙氣在高溫下停留時間越長，則NO的生成量就越多，故降低燃燒溫度，減少煙氣在高溫區(qū)的停留時間，有利于降低煙氣中NOX濃度，減少NOX對大氣的污染。燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒污染物主要是煙塵（飛灰和黑煙）。煤在理想燃燒狀態(tài)下，可以完全燃燒，碳等元素被氧化為CO2等氣體。如果燃燒時空氣分配不均勻，則在空氣不足的地方會產(chǎn)生大量未燃燒的炭粒，在高溫下熱解生成多環(huán)化合物（黑煙）。黑煙中有芘、苝、蒽、苯并芘等有害物質，其產(chǎn)生量與煤種、爐型和燃燒條件等有關。2.4.3顆粒污染物的形成