第二章 燃燒與大氣污染.ppt

1、第二章 燃燒與大氣污染,第一節(jié) 燃料與燃燒過(guò)程 第二節(jié) 燃燒計(jì)算 第三節(jié) 燃燒污染物的形成與控制 重點(diǎn)：（二）燃燒計(jì)算 理論空氣量、空氣過(guò)剩系數(shù) 煙氣量 污染物排放量,1. 燃 料 的 性 質(zhì),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)。,燃料的分類： （1）常規(guī)燃料 如煤（coal）、石油(petroleum)、天然氣(rude gas)等。 （2）非常規(guī)燃料 按物理狀態(tài)又可分為： （1）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：由蒸發(fā)過(guò)程控制，氣態(tài)形式燃燒。 (3) 氣態(tài)燃料：由擴(kuò)散或混合控制。,幾種常規(guī)燃料 一、煤,定義：是一種復(fù)雜的物質(zhì)

2、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(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。,分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。 a.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；燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。,b.煙煤： 形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見條紋。 揮發(fā)分2045%，C7590%。成焦性較強(qiáng)，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業(yè)使用。 c.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。

3、C含量93%, 無(wú)機(jī)物量10%, 著火難，不易自燃，成焦性差。,2.煤的組成 煤的組成按測(cè)定方法分為工業(yè)分析、元素分析兩大類。 a.工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、S含量、熱值。 b. 元素分析：用化學(xué)法測(cè)定的去除掉外部水分的主要組分。C、H、N、S、O等。,C. 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。,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

4、水分和灰分的燃料作為100%的成分。,3.煤中硫的形態(tài),黃鐵礦(愚人金 )： 具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)。 成分相同而屬于正交（斜方）晶系的稱為白鐵礦。 一般將黃鐵礦作為生產(chǎn)硫磺和硫酸的原料，而不是用作提煉鐵的原料，因?yàn)樘釤掕F有更好的鐵礦石。,白鐵礦： 白鐵礦往往呈雞冠狀或束狀，因此它還被稱為雞冠狀黃鐵礦或矛狀黃鐵礦。,砷黃鐵礦(毒砂 )： 中國(guó)從毒砂（舊稱白砒石）中制取砒霜（As2O3）歷史悠久。單斜或三斜晶系。晶體呈柱狀，集合體成粒狀或致密塊狀。錫白色，金屬光澤。敲擊時(shí)發(fā)出蒜臭味。,a. 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

5、SOx污染物不包括MeSO4。 b. 硫化鐵硫：是主要的含硫成分，常見形態(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。 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。,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、H及少量的S、N、O，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

6、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。,三、天然氣,一般組成為CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外還有H2O、CO2、N2、He、H2S等。,2-2 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 2燃料完全燃燒的條件 3發(fā)熱量及熱損失 4. 燃燒產(chǎn)生的污染物,1燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物 燃燒是可燃混合物的快速氧化過(guò)程，并伴有能量的釋放，同時(shí)使燃料的組成元素轉(zhuǎn)化

7、成相應(yīng)的氧化物。 多數(shù)化石燃料完全燃燒的產(chǎn)物是CO2、水蒸汽；不完全燃燒過(guò)程將產(chǎn)生黑煙、CO和其它部分氧化產(chǎn)物等。 若燃料中含S、N，則會(huì)生成SO2和NOx，燃燒溫度較高時(shí)，空氣中的部分氮會(huì)被氧化成NOx。 Fuel NOx(燃料型NOx)燃料中的N； NOx生成量 Thermal NOx(熱力型NOx)高溫時(shí)空氣中的N。,2燃料完全燃燒的條件 燃料完全燃燒的條件是適量的空氣、足夠的溫度、必要的燃燒時(shí)間、燃料與空氣的充分混合(湍流)。 （1） 空氣條件：按燃燒不同階段供給相適應(yīng)的空氣量。 （2）溫度條件：只有達(dá)到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。,（3）時(shí)間條件： 燃料在燃燒室中的停留時(shí)間是影響燃

8、燒完全程度的另一基本因素。 燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需時(shí)間。 （4）燃燒與空氣的混合條件： 燃料與空氣中氧的充分混合是有效燃燒的基本條件。在大氣污染物排放量最低條件下,實(shí)現(xiàn)有效燃燒的四個(gè)因素：空氣與燃料之比、溫度、時(shí)間、湍流度(三T) 。,3發(fā)熱量及熱損失,（1） 發(fā)熱量 單位燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量。即反應(yīng)物開始狀態(tài)和反應(yīng)物終了狀態(tài)相同情況下（常溫298K,101325Pa）的熱量變化值，稱為燃料的發(fā)熱量，單位是KJ/Kg（固體），KJ/m3(氣體)。發(fā)熱量有高位、低位之分。 高位：包括燃料燃燒生成物中水蒸汽的汽化潛熱，Qh 低位：指燃料燃燒生成物中水蒸汽仍以氣態(tài)存在時(shí)，完全燃燒

9、釋放的熱量。Q1 發(fā)熱量可用氧彈式量熱計(jì)測(cè)定，也可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。,（2） 熱損失 排煙熱損失：熱損失為612%。 不完全燃燒熱損失：化學(xué)不完全燃燒、機(jī)械不完全燃燒。 散熱損失：由于設(shè)備管道溫度高于周圍空氣溫度造成熱損失。,4燃燒產(chǎn)生的污染物 硫氧化物SOx： 隨溫度變化不大，主要是煤中S。 粉塵：隨燃燒溫度而變化(增高、不變、降低均有變化)。 CO及HC化合物：隨燃燒溫度而變化(增高、不變、降低均有變化)。 NOx：隨燃燒溫度而變化(增高、不變、降低均有變化)。,二、燃料燃燒的理論空氣量,1理論空氣量（ Va0 ） 單位量燃料按燃燒反應(yīng)方程式完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。 理論空氣量獲

10、得: （1）可由燃燒反應(yīng)方程式 （2）經(jīng)驗(yàn)公式（由熱值） 固體燃料 液體燃料 氣體燃料 天然氣,建立燃燒化學(xué)方程式時(shí)，假定： 1.空氣僅由N2和O2組成，其體積比為79/21=3.76； .燃料中的固態(tài)氧可用于燃燒； . 燃料中的硫被氧化成SO2； .計(jì)算理論空氣量時(shí)忽略NOX的生成量； .燃料的化學(xué)式為CxHySzOw，其中下標(biāo)x、y、z、w分別代表C、H、S、O的原子數(shù)。,完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式：,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 干: 8.849.01 天然氣 濕：11.412.1,2空氣過(guò)剩系數(shù)a 實(shí)際空氣

11、量Va與理論空氣量Va0之比為空氣過(guò)剩系數(shù)a： 通常a1 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。 4理論空氣量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,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(chǔ)，則：,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,2-3 煙氣體積及污染物排放量計(jì)

12、算,一煙氣體積計(jì)算 . 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。以Vfg0表示，煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣。 干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣； 濕煙氣：包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣。 Vfg0=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(shí)際煙氣體積 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va0 3.煙氣體積和密度的校正 燃燒產(chǎn)生的煙氣其T、P總高于標(biāo)態(tài)（273K、1atm）故需換算成標(biāo)態(tài)。 大多數(shù)煙氣可視為理想氣體，故可應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程。 設(shè)觀測(cè)狀態(tài)下（Ts、Ps）：煙氣的體積為Vs，密

13、度為s 標(biāo)態(tài)下（TN、PN）： 煙氣的體積為VN，密度為N 標(biāo)態(tài)下體積為： 標(biāo)態(tài)下密度為： 應(yīng)指出，美國(guó)、日本和國(guó)際全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是298K、1atm，在作數(shù)據(jù)比較時(shí)應(yīng)注意。,4.過(guò)剩空氣較正 因?yàn)閷?shí)際燃燒過(guò)程是有過(guò)?？諝獾?，所以燃燒過(guò)程中的實(shí)際煙氣體積應(yīng)為理論煙氣體積與過(guò)?？諝饬恐?。 用奧氏煙氣分析儀測(cè)定煙氣中的CO2、O2和CO的含量，可以確定燃燒設(shè)備在運(yùn)行中煙氣成分和空氣過(guò)剩系數(shù)。 空氣過(guò)剩系數(shù)為 a= m-過(guò)?？諝庵蠴2的過(guò)剩系數(shù) 設(shè)燃燒是完全燃燒，過(guò)?？諝庵械难踔灰設(shè)2形式存在，燃燒產(chǎn)物用下標(biāo)P表示，,假設(shè)空氣只有O2、N2，分別為21%、79%，則空氣中總氧量為(21/7

14、9)N2p=0.266N2p 理論需氧量： 0.266N2P-O2P 所以 （燃燒完全時(shí)） 若燃燒不完全會(huì)產(chǎn)生CO，須校正。即從測(cè)得的過(guò)剩氧中減去CO氧化為CO2所需的O2 此時(shí) 各組分的量均為奧氏分析儀所測(cè)得的百分?jǐn)?shù)。 5 標(biāo)況下煙氣量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)式,二污染物排放量的計(jì)算,例2 對(duì)例1給定的重油，若燃料中硫轉(zhuǎn)化為SOX（其中SO2占97%），試計(jì)算空氣過(guò)剩系數(shù)a=1.20時(shí)煙氣中SO2及SO3的濃度，以x10-6表示，并計(jì)算此時(shí)煙氣中CO2的含量，以干煙氣體積百分比表示。,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

15、 NX： 理論煙氣量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=489.45mol/kg重油 即 10.96Nm3/kg重油 空氣過(guò)剩系數(shù)a=1.2時(shí)，實(shí)際煙氣量為： 10.96+(1.2-1)*10.43=13.05Nm3 其中10.43為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空氣量。,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%,當(dāng)=1.2時(shí)，干煙氣量為： CO2體積為： 所以干煙氣中CO2的含量（以體積計(jì)）為：,例3：已知某電廠煙氣溫度為473K，壓力為96.93kPa，濕煙氣量Q=10400m

16、3/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/min。 （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(guò)剩系數(shù) （4）校正至空氣過(guò)剩系數(shù)=1.8時(shí)污染物在煙氣中的濃度。,解：（1）污染物排放的質(zhì)量流量為： （2）測(cè)定條件下的干空氣量為： 測(cè)定狀態(tài)下干煙氣中污染物的濃度： 標(biāo)態(tài)下的濃度：,（3）空氣過(guò)剩系數(shù)： N2p=100-10.7-8.2=81.1 （4）校正至=1.8條件下的濃度：,2-4 燃燒過(guò)程SOx的形成及控制,一、燃料中硫的氧化機(jī)理 燃料中的硫

17、在燃燒過(guò)程中與氧反應(yīng)，主要產(chǎn)物是SO2和SO3，但SO3的濃度相當(dāng)?shù)?，即使在貧燃料狀態(tài)下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之幾。在富燃料狀態(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(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)，所以僅在各種氧化反應(yīng)中以中間體形式出現(xiàn)。 故一般主要生成SO2,計(jì)算時(shí)可忽略SO3。,二、SOx的控制 1.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(guò)高壓加氫反應(yīng)，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(lái)。 重油脫硫的困難: (1)要徹底加工燃料，破壞了原來(lái)的組織。 (2)產(chǎn)生新的產(chǎn)物：

18、固、液、氣態(tài)物。,2燃料脫硫 ）煤炭的固態(tài)加工 國(guó)外要求用于發(fā)電、冶金、動(dòng)力的煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是： 煉焦煤：硫分1%，灰分68%； 動(dòng)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(yīng)用的是重力分選法（可降低4090%的S）,此法對(duì)有機(jī)硫含量較大的煤還不能達(dá)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(xué)浸出法、化學(xué)破碎法、細(xì)菌脫硫法、微波脫硫法、磁力脫硫及溶劑精煉等，工業(yè)上應(yīng)用的很少。 型煤固硫是控制SO2的一條經(jīng)濟(jì)有效途徑。,2）煤炭的轉(zhuǎn)化 煤炭的轉(zhuǎn)化主要是氣化、液化。即對(duì)煤進(jìn)行脫硫或加氫改變其原有的碳?xì)浔?、使煤轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩稳剂稀?

19、A.煤的氣化 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(shí)驗(yàn)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 直接液化 SRC-法 間接液化 魯奈氣化-弗托合成法 煤的液化時(shí)耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規(guī)模水處理設(shè)施。,3. 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(guò)程中脫硫，其中煙氣脫硫被認(rèn)為是最有效的脫硫方式。 燃前脫硫: 1）逃汰選煤 是各種密度、粒度和形狀的物料在不斷變化的流體中運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jī)硫。 2）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(jìn)行選煤，屬于物理方法。 3）浮選選煤 是氣、液、固三相界面的分選過(guò)程，包括水中礦物顆粒粘附在氣泡，然后上浮到煤漿表面。因?yàn)槊旱臐駶?rùn)性較好而礦物的濕潤(rùn)性較差。 4）高梯度強(qiáng)磁分離煤脫硫技術(shù) 煤中有機(jī)硫?yàn)槟娲判远蟛糠譄o(wú)機(jī)硫?yàn)轫槾判?，利用磁性不同分離。,5）微波輻射法 煤中黃鐵礦的硫最容易吸收微波，有機(jī)硫次之，煤基質(zhì)基