1、北京城市学院 2011年7月,第二章 燃烧与大气污染,第二章 燃烧与大气污染,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. 颗粒污染物的形成 6. 其他污染物的形成,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,1.硫的氧化机理 有机硫的分解温度较低 无机硫的分解速度较慢 含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，由于反应：在所有的情况下，它都作为一种重要的反应中间体,1.硫的氧化机理,H2S的氧化,阶段一,阶段二,阶段三,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,OH浓度最大 SO2浓度最终值,H浓度最大 H2O浓度最终值,1.硫的氧化机理,CS2和COS的氧化CS2的
2、氧化,起始反应,COS生成反应，中间体,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,CS2和COS的氧化COS的氧化-可燃性很差,1.硫的氧化机理,光解诱发反应,COS火焰一区：产生CO和SO2,CO + O CO2 CO + O2 CO2 + O,COS火焰二区：CO转化为CO2,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,1.硫的氧化机理,元素S的氧化,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,SO3百分比 比通常情况大得多,1.硫的氧化机理,有机硫化物的氧化,二硫化物,硫醇,二氧化硫,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,2. SO2和SO3之间的转化,反应方程式SO2 + O + M SO3 + M （1） SO3
3、+ O SO2 + O2 （2） SO3 + H SO2 + OH （3） SO3 + M SO2 + O + M （4）在炽热反应区 ，O 浓度很高，反应（1）和（2）起支配作用,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,SO3生成速率 当dSO3 /dt = 0 时，SO3浓度达到最大 在富燃料条件下，O浓度低得多，SO3的去除反应主要为反应（3）， SO3的最大浓度：,2. SO2和SO3之间的转化,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,2. SO2和SO3之间的转化,燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率:转化率与温度密切相关 H2SO4浓度越高，酸露点越高 烟气露点升高极易引
4、起管道和空气净化设施的腐蚀,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,2. SO2和SO3之间的转化,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,1.碳粒子的生成 积碳：气态燃料生成；石油焦和煤胞：液态燃料生成 积碳的生成 积炭的生成的三个阶段： 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 较为缓慢的凝团和凝聚过程 影响因素： 燃料的分子结构是影响积炭的主导因素 积炭的生成与火焰的结构有关 提高氧气量可以防止积炭生成 压力越低则积炭的生成趋势越小,1.碳粒子的生成,石油焦和煤胞的生成燃料油滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相裂化和高温分解，出现结焦
5、多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。 煤胞焦粒生成反应的顺序：烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环系 沥青 半园体沥青 沥青焦 焦炭,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：黑烟：未燃尽的碳粒 飞灰：不可燃矿物质微粒煤粉燃烧过程 碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,碳层表面生成的是CO,碳层,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO,CO2离散
6、核表面方向扩散,CO2向核表面方向扩散,碳层表面发生反应：CO2+C=CO,因此，碳主要消耗在使CO2还原成CO上,煤粉燃烧过程,燃烧条件非常理想，煤可以完全燃烧，即生成CO2+灰分； 燃烧条件不够理想，煤燃烧不好，同时热解，生成环状化合物，冒黑烟 因此燃烧过程中的燃料与空气的摩尔数比值直接影响到生成物质的类型。,煤粉燃烧过程理论上碳与氧的摩尔比1.0时易形成黑烟；实践证明碳与氧的摩尔比接近1.0时易形成黑烟； 在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟； 出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤 焦炭 褐煤 低挥发分烟煤 高灰发分烟煤； 碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关。,
7、2. 燃煤烟尘的形成,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,燃烧碳层中成分和温度分析,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,黑烟形成的化学过程,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,高灰分燃料的扩散燃烧,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,飞灰的形成过程,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素 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 锅炉结构,第五节 燃
8、烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素燃烧方式,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,几种燃烧方式的烟尘百分比,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,几种燃烧方式的烟尘颗粒概况,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,2. 燃煤烟尘的形成,影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素热负荷,第五节 燃烧过程中颗粒物的形成,热负荷：每平方米炉排面积上每小时燃料燃烧所释放出来
9、的热量,锅炉运行负荷：指锅炉每小时蒸发量与该锅炉额定蒸发量的百分比,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,1.有机污染物的形成形成历程 链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔 延长乙炔的链形成各种不饱和基 不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔 不饱和基通过环化反应形成C6C2型芳香族化合物 C6C2基逐步合成为多环有机物,1.有机污染物的形成,比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接原因 碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关 燃料中高分子碳氢化合物浓度与多核有机化合物(POM)排放水平具有相关性 高空燃比和高燃烧温度可降低有机物的排放，但不利于NOx的控制 同时减少CH和NOx的排放需要仔细控制混合的型式
10、、温度水平和整个系统的停留时间(“三T”),第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,2. CO的形成,CO是所有大气污染物中量最大、分布最广的一种 CO的全球排放量为200t/a 燃料中的碳都先形成CO，然后进一步氧化控制CO的排放在于努力氧化CO，而不是企图阻止它的形成 在火焰温度下有足够的氧并且停留时间足够长，可以降低CO含量 CO的形成和破坏都由动力学控制，反应路线：RH R RCHO RCO CO CO2,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,2. CO的形成,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,3. Hg的形成与排放,Hg对人的肾和神经系统有危害 煤碳燃烧是Hg的一大来源 煤中Hg的析出率
11、与燃烧条件有关 燃烧温度900oC时，析出率90 还原性气氛的析出率低于氧化性气氛 Hg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,4. NOx的形成（自学）,NOx的形成机理燃料型NOx: 燃料中的固定氮生成的NOx 热力型NOx： 高温下N2与O2反应生成的NOx 瞬时NOx：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,4. NOx的形成,热力型NOx的形成产生NO和NO2的两个重要反应上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响 平衡时NO浓度随温度升高迅速增加,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,平衡
12、常数和平衡浓度,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,平衡常数和平衡浓度,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,上述数据说明：室温条件下，几乎没有NO和NO2生成，并且所有的NO都转化为NO2 800K左右，NO与NO2生成量仍然很小，但NO生成量已经超过NO2 常规燃烧温度（1500K)下，有可观的NO生成，但NO量仍然很小,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,烟气冷却过程中，根据热力学计算，NOx应主要以NO2的形式存在，但实际9095的NOx以NO的形式存在，主要原因在于动力学控制NO/NOx Ratioboiler vehicle
13、s nature gas 0.9-1.0 internal comb. engine 0.99-1.0coal 0.95-1.0 6# fuel oil 0.96-1.0 diesel engine 0.77-1.0,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,热力型NOx形成的动力学泽利多维奇(Zeldovich)模型NO生成的总速率,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,假定N原子的浓度保持不变得到由式(4)(5)可得,(k4/k-4)(k5/k-5) = (NOe2/N2O2)=Kp,NO,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,代入6式得,第六节 燃烧过程中其
14、他污染物的形成,热力型NOx的形成,假定O原子的浓度等于1/2O2O平衡时的平衡值Oe，则最终得,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,积分得NO的形成分数与时间t之间的关系,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,热力型NOx的形成,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,瞬时NOx的形成,碳氢化合物燃烧时，分解成CH、CH2和C2等基团，与N2发生如下反应火焰中存在大量O、OH基团，与上述产物反应,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,燃料型NOx的形成,燃料中的N通常以原子状态与HC结合，CN键的键能较N N小，燃烧时容易分解，经氧化形成NOx 火焰中燃料氮转化为NO的比例取决于火焰区NO/O2的比例 燃料中20-80的氮转化为NO,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,燃料型NOx的形成,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,4. NOx的形成,第六节 燃烧过程中其他污染物的形成,
