1、第二章 燃烧与大气污染(1),1. 燃料 2. 燃料的燃烧 3. 燃烧过程污染物排放量计算 4. 燃烧过程中污染物的生产与控制 5. 机动车污染与控制,一、能源结构与大气污染随着经济的发展和社会的进步，燃料的消耗也在逐年增加，能源的不合理利用是造成大气污染的主要原因。大气污染物中的主要成分是由燃料燃烧造成的，要控制大气污染，就要研究燃料燃烧与大气污染的关系，以制定相应的污染治理措施。,能源生产总量及构成,第一节 燃料 1.1 燃料的分类,1.3 燃料组成对燃烧的影响,碳：可燃元素。缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在， 1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当不完全燃烧生成C
2、O时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高。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120500 kJ的热量。,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。,水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水
3、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。,煤的分类和组成 煤的基本分类,褐煤 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 烟煤 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 煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差,发热量大,煤的成分分析,煤的成分分析方法工业分析（ 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
4、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。,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温再称重,煤的工业分析（续）,灰分 灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。固定碳从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳。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
5、炭所失去的重量为固定碳。,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,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转化为SO42-，再以重量法测定硫酸钡沉淀而测定。,煤中硫的形态,1.5 其他燃料 1.5.1 其它常规燃料,石油 液体燃料的主要来源 链烷烃、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3,1.
6、5.2 其他非常规燃料,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,1.7 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 燃料的燃烧,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,燃料完全燃烧的条件（3T）,空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热
7、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）：燃料与氧充分混合,2.1.3 典型燃料的着火温度,不同燃料的燃烧过程 气体燃料的燃烧过程,气体燃料的燃烧过程可分为三个阶段： 气体燃料与空气的混合阶段气体燃料与空气的混合是一个物理过程，两种气体之间的混合需要一定的时间，还要消耗一定的能量。 混合后可燃气的加热和着火阶段 可燃气燃烧反应阶段燃烧反应是一个激烈的化学氧化过程，在瞬间即可完成。 前两个阶段对整个燃料燃烧过程起控制作用。,液体燃料的燃烧过程,液体燃料包括各种燃料油
8、及酒精等. 燃料油的燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。它包括四个过程： 燃料油的雾化 油雾粒子中的可燃组分的蒸发与扩散 可燃气体与空气的混合 可燃气体的氧化燃烧 与气体燃料的燃烧过程类似，前三个阶段对整个燃料燃烧过程起着控制作用。,粉煤的燃烧过程,粉煤的燃烧过程比气体或液体燃料燃烧更为复杂。粉煤的燃烧是将磨成一定细度的煤粉与空气一同喷入炉内后进行燃烧。在燃烧过程中，不仅发生气体与气体之间的同相燃烧，而且还发生气体与固体之间的异相燃烧。 同相燃烧气体与气体之间的燃烧 异相燃烧气体与固体之间的燃烧,块状固体燃料的燃烧过程,块状固体燃料的燃烧与气体燃料、液体燃料、煤粉的燃烧方法不同。块状固体燃料的燃
9、烧是将块状固体燃料置于炉栅上或随炉栅移动而燃烧的。由于块状固体燃料燃烧时不随气体流动，因而空气流经煤块表面时的相对速度较大，包围在煤块表面外围的燃烧产物气层较薄，有利于氧气分子与煤块进行扩散燃烧。 煤块在炉栅上燃烧，也是先干馏出挥发分而残留焦炭，因此，煤块燃烧过程也可看作是由挥发分气体与及焦炭两种燃烧过程所组成 。,燃烧计算 燃料燃烧的理论空气量计算,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
10、.3.2 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,例题,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,空燃比,单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例如：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,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
11、烧方式对燃烧产物也有影响,燃烧产物与温度的关系,燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）,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,标准煤,我国标准煤低位发热量为:29309KJ/kg即7000kcal/kg。在能源利用方面，常使用标准煤进行比较。,例题,甲厂用煤量1300kg/h,其低位发热量为16748KJ/kg,乙厂用煤量900kg/h,其低位发热量为272
12、15.5KJ/kg,丙厂用煤量800kg/h,其低位发热量为29309KJ/kg,试求三个厂的煤耗，并比较其燃料利用率。,甲厂标准煤耗：,丙厂标准煤耗：,乙厂标准煤耗：,甲厂标准煤耗最低，燃料利用率高,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,燃烧热损失与空燃比的关系,第三节 燃烧过程污染物排放量的计算,（1）理论烟气体积燃料在供给理论空气量下完全燃烧，且生成的烟气中只有CO2、SO2、H2O、N2这四种气体，此时烟气所具有的体积为理论烟气体积（又称湿烟气体积），以Vfo表示。干烟气= Vfo V H2O,（2）烟气的实际体积由于实际燃烧过程存在着过量的空气，因此燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过量空气的体积之和。 Vf=Vfo+0.21（1）Vao+0.79 （1）Vao+0.01611 （1）Vao Vf= Vfo+1.0161 （1）Vao Vf烟气的实际体积, Nm3/kg.,3、2污染物排放量的计算（1）实测法： 通过测定烟气中的污染物浓度，根据实际排烟量，很容易计算出污染物的排放量。 （2）预测法：根据同类燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧情况，预测烟气量和污染物浓度。,
