第02章 燃燒與大氣污染-2013-3

第二章燃燒與大氣污染1.燃料的性質(zhì)2.燃料的燃燒過(guò)程3.煙氣體積計(jì)算4.燃燒過(guò)程中硫氧化物的形成5.顆粒污染物的形成6.其他污染物的形成第一節(jié)燃料的性質(zhì)1.

燃料的分類(lèi)

按獲得方法分

按物態(tài)分

天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁(yè)巖

木炭、焦炭、煤粉等

液體燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油

氣體燃料

天然氣

高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣

3.

燃料組成對(duì)燃燒的影響4.煤的分類(lèi)和組成

煤的成分分析工業(yè)分析（

proximateanalysis）測(cè)定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。估測(cè)硫含量和熱值，是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)。元素分析（ultimateanalysis）用化學(xué)分析的方法測(cè)定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。4.煤的分類(lèi)和組成煤的工業(yè)分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內(nèi)318～323K溫度下干燥8h，取出冷卻，稱(chēng)重外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375～380K下，約2h后，稱(chēng)重內(nèi)部水分揮發(fā)分：失去水分的試樣密封在坩堝內(nèi)，放在1200K的馬弗爐中加熱7min，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱(chēng)重4.煤的分類(lèi)和組成煤的工業(yè)分析（續(xù)）固定碳失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的環(huán)境中灼燒到重量不再變化時(shí)，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳灰分：煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱(chēng)。4.煤的分類(lèi)和組成煤的元素分析碳和氫：通過(guò)燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測(cè)定氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉(zhuǎn)化為氨，堿液吸收，滴定硫：與氧化鎂和無(wú)水硫酸鈉混合物反應(yīng)，SSO42-，滴定4.煤的分類(lèi)和組成煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系

4.煤的分類(lèi)和組成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

4.煤的分類(lèi)和組成干燥基：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：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分4.煤的分類(lèi)和組成我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果

4.煤的分類(lèi)和組成我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果(續(xù)）

5.其他燃料

石油液體燃料的主要來(lái)源鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧氫含量增加時(shí)，比重減少，發(fā)熱量增加天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％5.其他燃料

非常規(guī)燃料城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農(nóng)產(chǎn)物和農(nóng)村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業(yè)和采礦廢物天然存在的含碳和含碳?xì)涞馁Y源合成燃料

非常規(guī)燃料通常需要專(zhuān)門(mén)技術(shù)轉(zhuǎn)化為易于利用的形式城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問(wèn)題6.燃料組成的表示方法:CxHySzOwNv

Sample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

燃料的最重要的兩個(gè)屬性熱值決定燃料的消耗量雜質(zhì)污染物產(chǎn)生的來(lái)源第二節(jié)燃料燃燒過(guò)程

1.影響燃燒過(guò)程的主要因素燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物

完全燃燒：CO2、H2O不完全燃燒：CO2、H2O&CO、黑煙及其他部分氧化產(chǎn)物如果燃料中含有S和N，則會(huì)生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx1.影響燃燒過(guò)程的主要因素燃料完全燃燒的條件（3T）空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過(guò)大，會(huì)降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達(dá)到燃料的著火溫度時(shí)間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需時(shí)間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合1.影響燃燒過(guò)程的主要因素典型燃料的著火溫度2.燃料燃燒的理論空氣量建立燃燒方程式的假定：空氣組成

20.9%O2和79.1%N2，兩者體積比為：N2/O2=3.78燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2不考慮NOX的生成燃料中的N在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學(xué)式為CxHySzOw2.燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：燃料重量

=12x+1.008y+32z+16w理論空氣量：煤

4~7m3/kg，液體燃料10~11m3/kg

2.燃料燃燒的理論空氣量例題：2.燃料燃燒的理論空氣量空氣過(guò)剩系數(shù)實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。以表示，通常>1部分爐型的空氣過(guò)剩系數(shù)2.燃料燃燒的理論空氣量空燃比單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量

例如：汽油（～C8H18）的完全燃燒：汽油的質(zhì)量：128+1.00818=114.14空氣的質(zhì)量：3212.5+283.7812.5=1723空燃比

AF=15.113.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物燃燒可能釋放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物的絕對(duì)量和相對(duì)量都有影響燃料種類(lèi)和燃燒方式對(duì)燃燒產(chǎn)物也有影響3.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物燃燒產(chǎn)物與溫度的關(guān)系：3.燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物燃料種類(lèi)對(duì)燃燒產(chǎn)物的影響（以1000MW電站為例）：4.熱化學(xué)關(guān)系式發(fā)熱量：?jiǎn)挝蝗剂贤耆紵龝r(shí)，所放出的熱量，即在反應(yīng)物開(kāi)始狀態(tài)和反應(yīng)產(chǎn)物終了狀態(tài)相同下的熱量變化（kJ/kgorkcal/kg）高位發(fā)熱量：包括燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱低位發(fā)熱量：燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時(shí)，完全燃燒過(guò)程所釋放的熱量4.熱化學(xué)關(guān)系式燃燒設(shè)備的熱損失排煙熱損失不完全燃燒熱損失散熱損失在充分混合的條件下，熱損失在理論空氣量條件下最低不充分混合時(shí)，熱損失最小值出現(xiàn)在空氣過(guò)剩一側(cè)4.熱化學(xué)關(guān)系式燃燒熱損失與空燃比的關(guān)系第三節(jié)煙氣體積及污染物排放量計(jì)算1.煙氣體積計(jì)算理論煙氣體積

CO2、SO2、N2和H2O干煙氣、標(biāo)準(zhǔn)干煙氣、濕煙氣?煙氣體積和密度的校正轉(zhuǎn)化為標(biāo)態(tài)下（273K、1atm）的體積和密度注意：美、日和全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)的標(biāo)態(tài)為298K、1atm。1.煙氣體積計(jì)算過(guò)剩空氣校正實(shí)際空氣量

=（1+）（O2+3.78N2）完全燃燒：與理論空氣量相比多（O2+3.78N2）

此時(shí)煙氣中，O2的量為O2P=O2，N2的量為N2P=3.78（1+）N2空氣中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即進(jìn)入燃燒系統(tǒng)的空氣總氧量為0.264N2P1.煙氣體積計(jì)算過(guò)?？諝庑Ｕ碚撔柩趿?0.264N2P-O2P，空氣過(guò)剩系數(shù)

=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃燒過(guò)程中產(chǎn)生CO，過(guò)剩氧量必須加以校正：O2P-0.5COP=1+（O2P-0.5COP

）/[0.264N2P-（O2P-0.5COP

）]

以上組分的量均可由煙氣分析儀測(cè)定。

2.污染物排放量計(jì)算?方法：根據(jù)實(shí)測(cè)的污染物濃度和排煙量根據(jù)燃燒設(shè)備的排污系數(shù)、燃料組成和燃燒狀況預(yù)測(cè)煙氣量和污染物濃度排放因子（EmissionFactor）第四節(jié)燃燒過(guò)程中硫氧化物的形成

zixue1.硫的氧化機(jī)理

有機(jī)硫的分解溫度較低無(wú)機(jī)硫的分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍(lán)色，由于反應(yīng)：在所有的情況下，它都作為一種重要的反應(yīng)中間體1.硫的氧化機(jī)理H2S的氧化1.硫的氧化機(jī)理CS2和COS的氧化1.硫的氧化機(jī)理元素S的氧化1.硫的氧化機(jī)理有機(jī)硫化物的氧化

2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化

反應(yīng)方程式SO2+O+MSO3+M（1）SO3+OSO2+O2

（2）SO3+HSO2+OH（3）SO3+MSO2+O+M（4）

在熾熱反應(yīng)區(qū)

，[O]

濃度很高，反應(yīng)（1）和（2）起支配作用

2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO3生成速率

當(dāng)d[SO3]/dt=0時(shí)，SO3濃度達(dá)到最大在富燃料條件下，[O]濃度低得多，SO3的去除反應(yīng)主要為反應(yīng)（3），SO3的最大濃度：2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結(jié)合生成H2SO4，轉(zhuǎn)化率:轉(zhuǎn)化率與溫度密切相關(guān)H2SO4濃度越高，酸露點(diǎn)越高煙氣露點(diǎn)升高極易引起管道和空氣凈化設(shè)施的腐蝕2.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO3的轉(zhuǎn)化率/%第五節(jié)燃燒過(guò)程中顆粒物的形成1.碳粒子的生成積炭的生成核化過(guò)程：氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳核表面上發(fā)生非均質(zhì)反應(yīng)較為緩慢的聚團(tuán)和凝聚過(guò)程燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素積炭的生成與火焰的結(jié)構(gòu)有關(guān)提高氧氣量可以防止積炭生成壓力越低則積炭的生成趨勢(shì)越小1.碳粒子的生成火焰的結(jié)構(gòu)預(yù)混火焰：氣體燃料和空氣在燃燒前充分混合（bursenburner,meekerburner）擴(kuò)散火焰：燃料和空氣分別進(jìn)入燃燒區(qū)，混合然后發(fā)生反應(yīng)（實(shí)際中應(yīng)用最多），不同的區(qū)域有不同的

(0～)值1.碳粒子的生成火焰的結(jié)構(gòu)（續(xù)）層流火焰：Re<2200，分子擴(kuò)散和傳導(dǎo)是控制過(guò)程湍流火焰：Re>2200，強(qiáng)烈的湍流作用，但分子擴(kuò)散仍然起作用Laminar transition developedturbulent heightJetvelocity1.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反應(yīng)過(guò)程1.碳粒子的生成石油焦和煤胞的生成燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發(fā)生液相裂化和高溫分解，出現(xiàn)結(jié)焦多組分重殘油的燃燒后期會(huì)生成煤胞，難以燃燒。焦粒生成反應(yīng)的順序：烷烴烯烴帶支鏈芳烴凝聚環(huán)系瀝青半園體瀝青瀝青焦焦炭

2.燃煤煙塵的形成煙塵：固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質(zhì)微粒煤粉燃燒過(guò)程碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴(kuò)散離開(kāi)表面并與O2反應(yīng)灰層碳層外擴(kuò)散2.燃煤煙塵的形成煤粉燃燒過(guò)程理論上碳與氧的摩爾比近1.0時(shí)最易形成黑煙在預(yù)混火焰中，C/O大約為0.5時(shí)最易形成黑煙易燃燒又少出現(xiàn)黑煙的燃料順序?yàn)椋簾o(wú)煙煤焦炭褐煤低揮發(fā)分煙煤高灰發(fā)分煙煤碳粒子燃盡的時(shí)間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃度等有關(guān)2.燃煤煙塵的形成燃燒碳層中成分和溫度分布2.燃煤煙塵的形成高灰分燃料的擴(kuò)散燃燒2.燃煤煙塵的形成飛灰的形成過(guò)程2.燃煤煙塵的形成影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素煤質(zhì)燃燒方式煙氣流速爐排和爐膛的熱負(fù)荷鍋爐運(yùn)行負(fù)荷鍋爐結(jié)構(gòu)2.燃煤煙塵的形成影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素——煤質(zhì)2.燃煤煙塵的形成幾種燃燒方式的煙塵百分比2.燃煤煙塵的形成幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)本標(biāo)準(zhǔn)將火電廠按年限劃分為以下三個(gè)時(shí)段：Ⅰ時(shí)段－1992年8月1日之前建成投產(chǎn)或初步設(shè)計(jì)已通過(guò)審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠；Ⅱ時(shí)段－1992年8月1日起至1996年12月31日期間環(huán)境影響報(bào)告書(shū)通過(guò)審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠，包括1992年8月1日之前環(huán)境影響報(bào)告書(shū)通過(guò)審查批準(zhǔn)、初步設(shè)計(jì)待審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠；Ⅲ時(shí)段－1997年1月1日起環(huán)境影響報(bào)告書(shū)待審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)煙塵最高允許排放濃度（mg/m3）在縣及縣以上城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的火電廠鍋爐200在縣規(guī)劃區(qū)以外地區(qū)的火電廠鍋爐500第I時(shí)段的在縣及縣以上城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)內(nèi)、1997年1月1日后還有10年及以上剩余壽命的火電廠鍋爐600第Ⅲ時(shí)段的火電廠鍋爐最高允許煙塵排放濃度火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)第Ⅲ時(shí)段火電廠各煙囪SO2最高允許排放濃度燃料收到基硫分（％）≤1.0>1.0最高允許排放濃度（mg/m3）21001200鍋爐額定蒸發(fā)量煤粉鍋爐

液態(tài)排渣固態(tài)排渣≥1000t/h1000650第Ⅲ時(shí)段的火電廠鍋爐氮氧化物最高允許排放濃度（mg/m3）2.燃煤煙塵的形成影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素——運(yùn)行負(fù)荷第六節(jié)燃燒過(guò)程中其他污染物的形成1.有機(jī)污染物的形成形成歷程鏈烴分子氧化脫氫形成乙烯和乙炔延長(zhǎng)乙炔的鏈形成各種不飽和基不飽和基進(jìn)一步