大氣污染控制工程 2 燃料與燃料燃燒專業(yè)課教材

2.4潔凈燃燒技術(shù)2燃料與燃料燃燒大氣污染控制技術(shù)12燃料及燃燒2.1燃料的分類燃料指燃燒過程中能放出熱量且經(jīng)濟上可行的物質(zhì)。按來源：天然燃料和加工燃料；按物態(tài)：固體燃料、液體燃料和氣體燃料；按使用多少：常規(guī)燃料和非常規(guī)燃料；2.1.1固體燃料天然固體燃料：礦物燃料(煤)、生物質(zhì)燃料(林木)。煤的主要組成和元素：C、H、O、N、S及一些非可燃性礦物如灰分和水分等。碳是煤發(fā)熱主要來源，32700kJ/kg碳。煤含氫3%～5%，結(jié)合氫和氧結(jié)合成穩(wěn)定化合物不能燃燒，可燃氫與碳、硫結(jié)合成有機物?；曳质敲褐械奶妓猁}、黏土及微量稀土元素。大氣污染控制技術(shù)22燃料及燃燒煤中的硫分有無機硫（硫鐵礦和硫酸鹽）和有機硫（硫醇、硫醚等）兩種形態(tài)。分為低硫煤（<1.5%）、中硫煤（<1.5%～2.4%）、高硫煤（<2.4%～4%）和富硫煤（>4%）。2.1.2液體燃料天然液體燃料主要指石油，人工液體燃料指汽油、煤油、柴油和重油（經(jīng)石油的直餾和裂化作用得到）等。燃料乙醇是替代（部分汽油）能源，又能有效解決玉米等陳化糧的轉(zhuǎn)化問題。乙醇幾乎能夠完全燃燒，不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，降低汽車尾氣有害物質(zhì)的排放。水煤漿由70%的煤、30%水及少量化學添加劑制成。漿體燃料，可以像油一樣泵送、霧化、貯存和穩(wěn)定燃燒，具有燃燒效率高、減少環(huán)境污染等優(yōu)點。大氣污染控制技術(shù)32燃料及燃燒2.1.3氣體燃料氣體燃料屬于清潔燃料，主要包括天然氣、液化石油氣(LPG)、裂化石油氣和焦爐煤氣。天然氣的主要成分是甲烷，其次為乙烷等飽和烴，還有少量的CO2、N2、O2、H2S和CO等。液化石油氣的主要成分是C2、C3

和C4組分，輸送和貯存是液體狀態(tài)，燃燒是氣體狀態(tài)，廣泛用于居民生活和汽車等燃料。裂化石油氣是用水蒸氣、空氣或氧氣等作氣化劑，將石油和重油等油類裂化而得，一般作民用燃料。焦爐煤氣是煉焦生產(chǎn)的副產(chǎn)物，主要成分是H2、CH4和CO，還有少量的N2、CO2，廣泛用作工業(yè)和民用燃料。大氣污染控制技術(shù)42燃料及燃燒2.2燃料的燃燒過程2.2.1燃燒及燃燒產(chǎn)物燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉(zhuǎn)化成相應的氧化物。多數(shù)化石燃料完全燃燒的產(chǎn)物是CO2、水蒸汽；不完全燃燒過程將產(chǎn)生黑煙、CO等。若燃料中含S、N會生成SO2和NOx。燃燒產(chǎn)生的污染物：硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、煙塵、金屬氧化物、碳氫化合物及多環(huán)有機物。大氣污染控制技術(shù)52燃料及燃燒2.2.2燃燒產(chǎn)生污染物的機制2.2.2.1硫氧化物的形成機制硫氧化物是指SO2和SO3。當燃料中的可燃性硫進行燃燒時，就生成了SO2。元素硫燃燒S+O2=SO2

硫化物硫燃燒SO2+1/2O2=SO34FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2SO2+1/2O2=SO3（1%～5%）有機硫CH3CH2SCH2CH3→H2S+2H2+2C+C2H4H2S+3O2=2SO2+2H2OSO2+1/2O2=SO3一般主要生成SO2，SO3可忽略。大氣污染控制技術(shù)62燃料及燃燒2.2.2.2氮氧化物的形成機制大氣中的NOx90%以上產(chǎn)生于燃燒過程。1.熱力型NOx熱力型NOx是高溫燃燒時N2和O2反應生成的NOx；與燃燒溫度、氧氣的濃度及氣體在高溫區(qū)的停留時間有關(guān)。燃燒溫度低于1300℃時，只有少量NO生成，燃燒溫度高于1500℃時，NO的生成量顯著增加。

N2+O2=2NO2NO+O2=2NO2減少熱力型NOx的生成量措施：降低燃燒溫度，減少過量空氣，縮短氣體在高溫區(qū)停留的時間。大氣污染控制技術(shù)72燃料及燃燒2.燃料型NOx燃料型NOx燃料中有機氮經(jīng)過化學反應生成的NOx。燃料型NOx的發(fā)生機制：一般認為，燃料中的氮化合物首先發(fā)生熱分解形成中間產(chǎn)物，然后再經(jīng)氧化生成NO。燃料中的氮經(jīng)過燃燒約有20%～70%轉(zhuǎn)化成燃料型NOx，主要是NO，在一般鍋爐煙道氣中只有不到10%的NO氧化成NO2。旋風燃燒爐因爐溫高，使燃料中的氮大部分轉(zhuǎn)化為NOx，熱力型NOx生成量也增加，限制了使用。大氣污染控制技術(shù)82燃料及燃燒2.2.2.3顆粒污染物的形成機制燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒污染物主要是燃燒不完全形成的炭黑、結(jié)構(gòu)復雜的有機物、煙塵和飛灰等。1.燃煤粉塵的形成煤在非常理想的燃燒條件下，可以完全燃燒，即揮發(fā)分和固定炭都被氧化成二氧化碳，余下灰分。燃燒條件不夠理想，在高溫時會發(fā)生熱解作用，形成多環(huán)化合物而產(chǎn)生黑煙。隨煙氣一起排出的固體顆粒物一般都稱為飛灰，包括未燃盡的煤粒、燃盡后余下的灰粒及燃燒過程中形成的炭黑等。2.氣、液燃料燃燒形成的碳粒子氣態(tài)燃料燃燒的顆粒污染物為積碳，液態(tài)燃料高溫分解形成顆粒污染物為結(jié)焦和煤胞。大氣污染控制技術(shù)92燃料及燃燒2.2.3燃料完全燃燒的條件1）空氣條件：按燃燒不同階段供給相適應的空氣量。2）溫度條件：只有達到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。著火溫度：在氧存在下可燃質(zhì)開始燃燒必須達到的最低溫度。各種燃燒的著火溫度見表2-2，P26。3）時間條件燃料在燃燒室中的停留時間影響燃燒完全的程度。反應速度隨溫度升高而加快，T↑——t↓。4）燃燒與空氣的混合條件燃料與空氣中氧的充分混合是有效燃燒的基本條件。在大氣污染物排放量最低條件下實現(xiàn)有效燃燒的四個因素：空氣與燃料之比、溫度(temperature)、時間(time)和湍流(torrent)，后三者通常稱為燃燒過程的“三T”。大氣污染控制技術(shù)102燃料及燃燒2.2.3發(fā)熱量與熱損失

1.發(fā)熱量單位質(zhì)量燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量，在燃燒前后狀態(tài)相同情況下(通常指298K和101325Pa)的熱量變化值，稱為燃料的發(fā)熱量，單位是kJ／kg，或KJ／m3。2.熱損失(1)排煙熱損失排煙帶走部分熱量，一般鍋爐排煙熱損失為6%～12%。減少措施：設置省煤器和空氣預熱器。一般工業(yè)鍋爐排煙溫度取433～473K，大中型鍋爐取383～453K。(2)不完全燃燒熱損失化學不完全燃燒熱損失：煙氣中殘留的CO及少量的H2、CH4等可燃氣體。機械不完全燃燒熱損失：灰渣未燃盡的碳、漏煤和飛灰?guī)ё叩奶籍a(chǎn)生的熱損失。大氣污染控制技術(shù)112燃料及燃燒2.3燃燒設備簡介根據(jù)燃料在爐內(nèi)的燃燒方式不同分四種：火床燃燒、火室燃燒、沸騰燃燒和旋風燃燒。大氣污染控制技術(shù)122燃料及燃燒鏈條爐示意圖大氣污染控制技術(shù)132燃料及燃燒

振動爐排爐示意圖

大氣污染控制技術(shù)142燃料及燃燒旋風燃燒爐示意圖大氣污染控制技術(shù)152燃料及燃燒2.4潔凈燃燒技術(shù)燃煤脫硫技術(shù)可劃分為：1.燃燒前脫硫原煤在投入使用前，用物理、物理化學、化學及微生物等方法，將煤中的硫份脫除掉。爐前脫硫能除去灰分，減輕運輸量，減輕鍋爐的粘污和磨損，減少灰渣處理量，還可回收部分硫。煤的洗選技術(shù)、煤的轉(zhuǎn)化。2.燃燒中脫硫在燃燒過程中，在爐內(nèi)加入固硫劑，使煤中硫分轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，隨爐渣排除。型煤固硫及流化床燃燒脫硫。3.燃燒后脫硫煙氣脫硫。大氣污染控制技術(shù)162燃料及燃燒2.4.1燃燒前脫硫1.洗煤技術(shù)■洗煤又稱選煤，是通過物理或物理化學方法將煤中的含硫礦物和矸石等雜質(zhì)去除，來提高煤的質(zhì)量。是燃前除去煤中礦物質(zhì)，降低硫含量的主要手段。■煤炭經(jīng)洗選后，可使原煤中的含硫量降低40％一90％，含灰分降低50％一80％?！瞿壳皬V泛采用的選煤工藝仍是重力洗選法。

重力洗選：利用煤與雜質(zhì)密度不同進行機械分離。硫的凈化效率取決于煤中黃鐵礦的顆粒大小及無機硫含量。有機硫含量大，或煤中黃鐵礦嵌布很細時，僅用重力脫硫法，精煤硫分很難達到要求。大氣污染控制技術(shù)172燃料及燃燒淘汰分選原理圖大氣污染控制技術(shù)182燃料及燃燒跳汰式洗煤機入洗粒度≤30mm；篩板槽框?qū)?8mm；跳汰面積：3.6m2；水壓：0.8-1公斤/平方厘米；用水量150噸/小時大氣污染控制技術(shù)192燃料及燃燒處理煤泥設備和壓濾機配套使用濃縮機，即可提高洗煤機產(chǎn)量、又解決了環(huán)保問題。

大氣污染控制技術(shù)202燃料及燃燒新的脫硫方法————浮選法：用于處理粒徑小于0.5mm的煤粉，利用煤與矸石、含硫礦物的性質(zhì)不同進行分離。高梯度磁分離法：利用煤與黃鐵礦的磁性不同(黃鐵礦是順磁性物質(zhì)，煤是反磁性物質(zhì))，將黃鐵礦分離去除，脫硫效率約60％。化學氧化脫硫法：將煤破碎后與硫酸鐵溶液混合，在反應器中加熱至120℃左右，硫酸鐵與黃鐵礦反應生成硫酸亞鐵和S，通人O2將硫酸亞鐵氧化為硫酸鐵。微波輻射法：煤中黃鐵礦的硫最容易吸收微波，有機硫次之，煤基質(zhì)基本不吸收微波。微波吸收后削弱化學鍵，用浸取液洗滌煤中硫，可以去無機硫和有機硫，還沒在工業(yè)上應用。大氣污染控制技術(shù)212燃料及燃燒2.煤的轉(zhuǎn)化◆煤炭的轉(zhuǎn)化主要是氣化、液化，對煤進行脫硫或加氫改變其原有的碳氫比、使煤轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩稳剂?。A.煤的氣化煤的氣化是以煤為原料，采用空氣、氧氣、CO2和水蒸氣為氣化劑，在氣化爐內(nèi)進行煤的氣化反應，可以產(chǎn)出不同組分、不同熱值的煤氣。煤的氣化技術(shù)發(fā)展很快：第一代干式排灰氣化；第二代液態(tài)排渣氣化；第三代實驗階段的煤催化氣化。原理：在氧氣不足時，C與O2反應可以生成CO。若將熾熱的煤與水蒸氣反應，就生成中熱值焦爐煤氣，即所謂的水煤氣。煤氣化系統(tǒng)由煤的預處理、氣化、清洗和優(yōu)化組成。大氣污染控制技術(shù)222燃料及燃燒煤氣主要是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。大型煤氣廠先用濕法洗滌脫除大部分H2S，再用干法吸附和催化轉(zhuǎn)化去除其余部分。小型煤氣廠一般用氧化鐵法脫除H2S。B.煤的液化煤的液化指在一定條件下使煤轉(zhuǎn)化為有機液體燃料。直接液化：對煤進行高溫高壓加氫直接得到液體產(chǎn)品。間接液化：煤氣化轉(zhuǎn)化成合成氣（CO+H2），再催化合成液體燃料。煤的液化時耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規(guī)模水處理設施。

大氣污染控制技術(shù)232燃料及燃燒3.型煤固硫型煤：使用外力將粉煤擠壓制成具有一定強度且塊度均勻的固體型塊。型煤固硫：選用不同煤種、以無粘結(jié)劑法或以瀝青等粘結(jié)劑，用廉價的鈣系固硫劑，經(jīng)干餾成型或直接壓制成型。美國型煤加石灰固硫率達87%，煙塵減少60%；日本蒸汽機車用石灰使型煤固硫率達70%~80%，脫硫費用僅為選煤的8%。民用蜂窩煤和煤球加石灰固硫率可達50%以上，工業(yè)鍋爐型煤加石灰固硫意義重大。固硫劑一般有石灰粉及堿性工業(yè)廢渣（電石渣）。成型設備多采用單螺桿擠壓成型機和對輥成型機。大氣污染控制技術(shù)242燃料及燃燒壓球機大氣污染控制技術(shù)252燃料及燃燒蜂窩煤機大氣污染控制技術(shù)262燃料及燃燒4.重油脫硫常用方法：在鉬、鈷和鎳等的金屬氧化物催化劑作用下，通過高壓加氫反應，加斷碳與硫的化合鍵，以氫置換出碳，同時氫與硫作用形成H2S，從重油中分離出來。重油脫硫的困難:（1）要徹底加工燃料，破壞了原來的組織。（2）產(chǎn)生新的產(chǎn)物：固、液、氣態(tài)物。大氣污染控制技術(shù)272燃料及燃燒2.4.2燃燒中脫硫在我國主要采用的技術(shù)有兩種：爐內(nèi)噴鈣技術(shù)和循環(huán)流化床燃燒脫硫技術(shù)。1.爐內(nèi)噴鈣脫硫爐內(nèi)噴鈣脫硫：煤的燃燒過程中加入鈣基固硫劑而達到脫除煙氣中二氧化硫目的。特點：投資小、工藝簡單、易操作、占地省。（1）爐內(nèi)噴鈣技術(shù)原理鈣基脫硫劑：主要為石灰石(CaCO3)、熟石灰(Ca(OH)2)、白云石(CaCO3-MgCO3)。煅燒反應為：

CaCO3→CaO+CO2↑大氣污染控制技術(shù)282燃料及燃燒影響煅燒反應和脫硫率的主要因素——微孔結(jié)構(gòu)比表面積、孔容積、空隙率、孔徑分布；比表面積及空隙率：白云石最大，Ca(OH)2次之，CaCO3為最小。煅燒產(chǎn)物CaO與SO2

可發(fā)生如下的反應：

CaO+SO2→CaSO3CaSO3+1/2CaO2→CaSO4CaO對SO2的吸收包括如下幾個過程：1）SO2

從主氣流向顆粒外表面轉(zhuǎn)移的氣相傳質(zhì)；2）SO2在多孔介質(zhì)內(nèi)的擴散；3）SO2在孔壁上的吸附；4）SO2與CaO的化學反應以及產(chǎn)物層的形成；5）SO2通過產(chǎn)物層向未反應CaO表面的擴散。大氣污染控制技術(shù)292燃料及燃燒（2）爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)的現(xiàn)狀爐內(nèi)噴鈣脫硫在煤粉爐未廣泛應用的原因：爐內(nèi)噴入的脫硫劑容易發(fā)生燒結(jié)，表面積快速減少，反應活性和反應速率降低；當溫度超過1300℃時，所產(chǎn)生的產(chǎn)物CaSO4

易于分解成CaO和SO2；脫硫率較低((10~30)%)新的研究進展提高吸收劑的活性，改善SO2的擴散過程；以有機鈣鹽代替石灰石；以有機固體廢棄物和石灰制備有機鈣混合物。優(yōu)點：有機鈣具有一定的熱值，能降低鍋爐的煤耗；改變吸收劑噴入位置，避免吸收劑的燒結(jié)失活。大氣污染控制技術(shù)302燃料及燃燒2.流化床燃燒脫硫當氣流速度達到使升力和煤粒的重力相當?shù)呐R界速度時，煤粒將開始浮動。流化床燃燒脫硫具有爐內(nèi)脫硝脫硫的優(yōu)點，故普遍受到重視。原理：流化床燃燒是一低溫燃燒過程。爐內(nèi)存在局部還原氣氛，熱型Nox基本上不產(chǎn)生，因而NOx生成量減少。流化床燃燒脫硫常用的脫硫劑是石灰石或白云石。石灰石粉碎至與煤同樣的粒度（2mm左右）與煤同時加入爐內(nèi)。在1073—1173K下燃燒，CaO為多孔，達固硫目的。大氣污染控制技術(shù)312燃料及燃燒流化鍋爐分為鼓泡流化床鍋爐（FBC）和循環(huán)流化床鍋爐（CFB）。鼓泡流化床鍋爐：在分布板區(qū)有較大的空隙率和細小氣泡，氣泡上升過程中反復發(fā)生聚并和分裂，泡徑隨之增大，直到床面破裂。循環(huán)流化床鍋爐：無明顯的氣泡，斷面空隙率大，高溫除塵器使飛出的物料又返回爐膛內(nèi)循環(huán)利用。大氣污染控制技術(shù)322燃料