1、第二章 燃烧与大气污染(1),学习要求： 了解常见民用及工业燃料的组成和性质； 掌握气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧过程的因素； 学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度； 掌握颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径。,主要内容：,1. 燃料的性质 2. 燃料的燃烧过程 3. 烟气体积计算 4. 燃烧过程中硫氧化物的形成 5.燃烧过程中颗粒污染物的形成 6.燃烧过程中其他污染物的形成,第一节 燃料的性质,1. 燃料的分类定义：燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可以取得效益的物质。,按物理状态分气体、液体和固体燃料三大类。气体燃
2、料的优点是燃烧迅速，其燃烧状态可基本上由空气与燃料的扩散或混合所控制。液体燃料也是以气态形式燃烧，因此它的燃烧速度受其蒸发过程控制。固体燃料的燃烧则受这两种现象的控制：燃料中挥发性组分被蒸馏后以气态燃烧，而遗留下来的固定碳则以固态燃烧，后者的速率由氧向固体表面的扩散控制。,2. 燃料的化学组成,碳、氢、氧、氮、硫、水份、灰份 液体和气体燃料的组成：,固体燃料的组成：,2. 燃料的化学组成,液态燃料的挥发（以汽油为例）,3. 燃料组成对燃烧的影响,碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32，860 kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9，268kJ的热量。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰
3、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%。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120，500 kJ的热量。,3. 燃料组成对燃烧的影响,氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%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
4、. 燃料组成对燃烧的影响,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102105C，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。,4.煤的分类和组成,煤的基本分类褐煤（Ligite, Brown coal) 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 烟煤(Bituminous) 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(Anthracite) 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,煤的详
5、细分类,4.煤的分类和组成,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。,4.煤的分类和组成,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318323K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375380K下，约2h后，称重 内部水分挥发分： 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
6、温再称重,4.煤的分类和组成,煤的工业分析（续）固定碳 失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在80020C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,煤中灰分的组成：我国煤炭的平均灰分含量为25 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,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,4.煤的分类和组成,煤中硫的形态,4.煤的分类和组成,
7、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的燃料作为100%的成分空气干燥基：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,4.煤的分类和组成,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,4.煤的分类和组成,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,我国部分煤种的分析结果,4.煤的分类和组成,我国部分煤种的分析结果(续）,5.其他燃料,石油 液体燃料的主要来源 链烷烃、
8、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3,5.其他燃料,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,Sample: C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and
9、 ash: 7.9% by weight. Determine the normalized molar composition.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 The normalized molar composi
10、tion: CH0.808N0.013S0.013O0.057,燃料的最重要的两个属性,热值 决定燃料的消耗量杂质 污染物产生的来源,第二节 燃料燃烧过程,燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。 1.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,1.影响燃烧过程的主要因素,燃料完全燃烧的条件（三T） 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
11、热损失 温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度 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湍流）：燃料与氧充分混合，混合程度取决于空气的湍流度 把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”,1.影响燃烧过程的主要因素,典型燃料的着火温度,1.影响燃烧过程的主要因素,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,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,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,定义：单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量。
12、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,2.燃料燃烧的理论空气量,燃烧方程式：燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w 理论空气量：煤 47 m3/kg，液体燃料1011 m3/kg,2.燃料燃烧的理论空气量,例题：,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,2.燃料燃烧的理论空气量,空燃比 单位质量燃料燃烧所需要的空气
13、质量例如：汽油（C8H18）的完全燃烧：汽油的质量：128+1.00818 = 114.14 空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723 空燃比 AF=15.11,3.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,3.燃烧过程中产生的污染物,燃烧产物与温度的关系：,3.燃烧过程中产生的污染物,燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：,4.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
14、态相同下的热量变化（kJ/kg or kcal/kg） 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,4.热化学关系式,燃烧设备的热损失 排烟热损失 不完全燃烧热损失 散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,4.热化学关系式,燃烧热损失与空燃比的关系,习题:,已知重油元素分析结果为：C：85.5% H：11.3% O：2.0% N：0.2% S：1.0% 试计算：燃烧1kg重油所需的理论空气量和产生的理论烟气量；干烟气中SO2的质量浓度和CO2的最大质量浓度；
15、当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。,解： 已知1kg重油中各成分的含量如下：质量/g 摩尔数/mol（按原子数计） 需氧数/molC 855 71.25 71.25H 113 112.10 28.25N 2 0.143 0S 10 0.3125 0.3125O 20 1.25 -0.625所需理论氧气量为：71.25+28.25+0.3125-0.625=99.188mol/kg重油需要的理论空气量为：,99.188（1 + 3.7）=472.13mol/kg重油即： 472.1322.4/1000=10.58m3/kg重油（标态）理论空气量条件下的烟气组成（mol）为：C
16、O2：71.25 H2O：56.5SOx：0.3125 N2：99.1883.76理论烟气量为：71.25+56.5+0.3125+99.1883.76=501.01mol/kg重油501.0122.4 10-3=11.22m3/kg重油,干烟气量为：501.01-56.5=444.51mol/kg重油即： 444.5122.410-3=9.96m3/kg重油。SO2量为：0.31250.97=0.3031mol/kg重油（认为S的生成物中SO2占97%）干烟气中SO2的质量浓度为：0.303110-6/444.51=681.87(64/22.4) =1948mg/m3假设C全部生成CO2，则
17、CO2的量为71.25mol/kg重油。CO2的最大质量浓度为：( 71.25/444.51) 103 (44/22.4)=314.8g/m3,当空气过剩10%时，空气过剩系数=1.1则实际的空气量为：10.581.1=11.64m3/kg重油实际烟气量为：=11.22+(1.1-1) 10.58=12.28m3/kg重油,第三节 烟气体积及污染物排放量计算,1.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、1atm。,1.烟气体积计算,过剩空气校正实际空
18、气量 = （1+ ）（O2 + 3.78N2） 完全燃烧：与理论空气量相比多（O2+ 3.78N2） 此时烟气中，O2的量为O2P= O2，N2的量为N2P = 3.78（1+）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,1.烟气体积计算,过剩空气校正理论需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空气过剩系数 = 实际需氧量/理论需氧量=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 ）/ 0.26
19、4 N2P - （ O2P - 0.5 COP ）以上组分的量均可由烟气分析仪测定。考虑过剩空气校正后实际烟气体积：,2.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,2.污染物排放量计算,例题:例2-1.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%;H2O:0.05%;灰分:0.1%.试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量. 解:以1kg重油燃烧为基础,则所以理论需氧量为73.5+23.75+0.5=97.83mol/kg重油 干空气中氧和氮的摩尔比(体积比)为3.
20、78,则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为:,2.污染物排放量计算,97.83（3.78+1)=467.63mol/kg重油 即467.63 (22.4/1000) =10.47mN3/kg重油,2.污染物排放量计算,习题：某锅炉燃用煤气成分体积比为：H2S0.2%、CO25%、O20.2%、CO28.5%、H213.0%、CH40.7%、N252.4%。空气含湿量为12g/m3(标态)，=1.2时，试求实际所需空气量和燃烧时产生的实际烟气量。解：以1kmol煤气计，则摩尔数/mol 需氧量/mol 烟气量/kmolH2S 2 3 4(H2O+SO2)CO2 50 0 50O2 2.0 -
21、2 0CO 285 142.5 285(CO2)H2 130 65 130(H2O)CH4 7 14 21(CO2+H2O)N2 524 0 524(N2),1）由上表可知理论需氧量为：3-2+142.5+65+14=222.5mol/kmol煤气=0.2225mN3/（mN3煤气）实际需要的干空气量：222.5(1+3.78) 1.2mol/kmol(煤气)=1276.3 mol/kmol(煤气)=1.276 mN3/（mN3煤气）转化为湿空气:Va=1.276/(1-0.0149) mN3/（mN3煤气）=1.296 mN3/（mN3煤气）,2）燃烧后产生的烟气量：Vf =(4+50+285+130+21+524) 10-3+1.296-0.2225=2.087 mN3/（mN3煤气）,
