第二章燃燒與大氣污染

1、第二章第二章 燃燒與大氣污染燃燒與大氣污染 第一節(jié)第一節(jié) 燃料與燃燒過(guò)程燃料與燃燒過(guò)程 第二節(jié)第二節(jié) 燃燒計(jì)算燃燒計(jì)算 第三節(jié)第三節(jié) 燃燒污染物的形成與控制燃燒污染物的形成與控制 重點(diǎn)：燃燒計(jì)算重點(diǎn)：燃燒計(jì)算 理論空氣量、空氣過(guò)剩系數(shù)；理論空氣量、空氣過(guò)剩系數(shù)； 煙氣量；煙氣量； 污染物排放量污染物排放量1. 燃燃 料料 的的 性性 質(zhì)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)。 燃料的分類燃料的分類： （1）常規(guī)燃料常規(guī)燃料 如煤（coal）、石油(petroleum)、天然氣(natural gas)等。 （2）非常規(guī)燃料非常規(guī)燃料 如如生物燃料、合成油等。生物燃料、合成

2、油等。 按物理狀態(tài)又可分為：按物理狀態(tài)又可分為： （1）固體燃料）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：）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：定義：是一種復(fù)雜的物質(zhì)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)：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：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)：特點(diǎn)：

3、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.b.煙煤煙煤： 形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見(jiàn)形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見(jiàn)條紋。條紋。 揮發(fā)分揮發(fā)分2045%，C7590%。成焦性。成焦性較強(qiáng)，氧含量低，水分及灰分含量不高，較強(qiáng)，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業(yè)使用。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。明顯的黑色光澤，機(jī)械強(qiáng)度高。 C含量含量93%, 無(wú)機(jī)物量無(wú)機(jī)物量1 3空燃比（空燃比（AF） 定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量燃料燃燒所需的空氣質(zhì)定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量燃料燃燒所需

4、的空氣質(zhì)量，它可由燃燒方程直接求得。量，它可由燃燒方程直接求得。 4理論空氣量的經(jīng)驗(yàn)理論空氣量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式0aaVVa 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： 重量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧(O2)量（mol）C88373.5873.58H9547.5以H2O計(jì)23.75S160.50.5H2O0.50.02780 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

5、3.76(體積比) 則，理論空氣量為： mol/kg重油 即 Nm3/kg重油67.465176. 383.9743.1010004 .2267.4652-3 煙氣體積及污染物排放量計(jì)算煙氣體積及污染物排放量計(jì)算 一煙氣體積計(jì)算一煙氣體積計(jì)算 . . 理論煙氣體積理論煙氣體積 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。 干煙氣干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣； 濕煙氣濕煙氣：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

6、煙氣體積實(shí)際煙氣體積 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va03.煙氣體積和密度的校正煙氣體積和密度的校正燃燒產(chǎn)生的煙氣其燃燒產(chǎn)生的煙氣其T、P總高于標(biāo)態(tài)（總高于標(biāo)態(tài)（273K、1atm）故需換）故需換算成標(biāo)態(tài)。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。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（設(shè)觀測(cè)狀態(tài)下（Ts、Ps）：煙氣的體積為）：煙氣的體積為Vs，密度為，密度為s標(biāo)態(tài)下（標(biāo)態(tài)下（TN、PN）：）： 煙氣的體積為煙氣的體積為VN，密度為，密度為N標(biāo)態(tài)下體積為：標(biāo)態(tài)下體積為：標(biāo)態(tài)下密度為：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

7、統(tǒng)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是應(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。，在作數(shù)據(jù)比較時(shí)應(yīng)注意。SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPP 4. 過(guò)?？諝廨^正過(guò)?？諝廨^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)剩空氣中O2的過(guò)剩系數(shù) 設(shè)燃燒是完全燃燒，過(guò)剩空氣中的氧只以O(shè)2形式存在，燃燒產(chǎn)物用下標(biāo)P表示，m1理論空氣量實(shí)際空氣量假設(shè)空氣只有O2、N2，分別為21%、79%，則

8、空氣中總氧量為(21/79)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)式標(biāo)況下煙氣量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)式PPPNOCONmOmC2222267.311PPPONOa222266. 01PPPPPCOONCOOa5 . 0266. 05 . 01222二污染物排放量的計(jì)算二污染物排放量的計(jì)算 例例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S

9、O3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干煙氣體積百分比表示。 解：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 NX： 理論煙氣量：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為理論空氣量為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空氣量。76. 383.9776. 383.97

10、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% KgNm/0109. 010004 .2297. 05 . 03KgNm/1036. 310004 .2203. 05 . 0346646-61075.251005.131036. 31025.8351005.130109. 032SOSOCC 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： KgNm/985.112 . 043.1010004 .220278. 05 .4745.4893重油KgNm/648.110004 .2258.

11、733%75.13100985.11648.1 例例3：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(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：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： dtKgtdhhKg/7.32100

12、024min60min7.22min/97500625.01104003mQd36/2 .23281097507 .22mmgC3/0 .421727347393.9633.1012 .2328NmmgTTPPCCNNN （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：613. 12 . 81 .81268. 02 . 81268. 01222PPPONQ3/9 .37788 . 1613. 10 .42178 . 1NmmgCCC校實(shí)實(shí)校2-4 燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程SOx的形成及控制的形成及控制 一、燃料中硫的氧化機(jī)理一、燃料中硫的氧化機(jī)理 燃

13、料中的硫在燃燒過(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)。 故一般主要生成一般主要生成SO2，計(jì)算時(shí)可忽略，計(jì)算時(shí)可忽略SO3。 二、二、SOx的控制的控制 1 1. .重油脫硫重油脫硫 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: (

14、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：固、液、氣態(tài)物。 2 燃料脫硫燃料脫硫 ） 煤炭的固態(tài)加工煤炭的固態(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，多處于研究階段，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

15、的轉(zhuǎn)化煤炭的轉(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?A.煤的氣化煤的氣化 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

16、燃燒二氧化硫的控制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，其中煙氣脫硫煙氣脫硫被認(rèn)為是最有效的脫硫方式。燃前脫硫燃前脫硫（1）跳汰選煤跳汰選煤 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

17、技術(shù)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)基本不吸收微波。微波吸收后削弱化學(xué)鍵，采用浸取液洗滌煤中硫，可以去無(wú)機(jī)硫，也可以去有機(jī)硫，目前在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。（6）化學(xué)處理法化學(xué)處理法 如在煤中加入堿溶液，在一定反應(yīng)條件下，脫去無(wú)機(jī)和有機(jī)硫，但該工藝成本高，對(duì)煤質(zhì)有一定影響，在工程上應(yīng)用少。（7）生物脫硫生物脫硫 利用微生物破壞煤中無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫，可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、有效的脫硫，但目前的難點(diǎn)是找到能破壞煤中硫而不影響碳結(jié)構(gòu)的高效菌種。國(guó)外準(zhǔn)備進(jìn)行半工業(yè)實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)目前處于起步階段。（8）型煤固硫技術(shù)型煤固硫技術(shù) 將不同原料經(jīng)過(guò)篩分按照一定比例配煤，粉碎后同經(jīng)過(guò)預(yù)處理的粘結(jié)劑和固硫劑混合，經(jīng)過(guò)機(jī)械設(shè)備成型與干燥，得到具有一定形狀和成品的工業(yè)固硫型煤。固硫劑按照化學(xué)形態(tài)分為鈣系、鈉系及其他。 石灰石、大理石粉、電石渣是工業(yè)上較好的固硫劑，應(yīng)用廢液做粘結(jié)劑，如堿性紙漿黑液，也有一定的固硫作用。鹽泥、糖泥、鈣渣、煙道灰等可以作為粘結(jié)劑和脫硫劑。 型煤燃燒煙氣中粉塵、二氧化硫、CO濃度及煙氣黑度明顯下降，但由于型煤增加了原煤成本