燃燒與大氣污染.ppt

1 2燃燒與大氣污染 1 1 教學要求了解常見民用及工業(yè)燃料的組成和性質 掌握氣態(tài) 液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒過程 學會分析影響燃燒過程的因素 學會計算燃燒過程產生的煙氣量和污染物濃度 掌握顆粒物 硫氧化物和氮氧化物的產生機理 理解通過改變燃燒條件減少污染物生成的途徑2 教學重點重點理解燃燒的基本原理和相關污染物形成機理 重點掌握燃燒過程污染物排放計算 3 教學難點燃燒過程污染物排放計算 建議學時數 4學時 2 焚燒秸稈 3 4 300MW 600MW W 形火焰燃低揮發(fā)份無煙煤鍋爐 5 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對沖燃燒中間再熱鍋爐 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對沖燃燒中間再熱鍋爐 6 300MW 600MW W 形火焰燃低揮發(fā)份無煙煤鍋爐該鍋爐的主要技術特點 分級送風的雙拱爐膛 旋風分離式煤粉濃縮型燃燒器 雙進雙出球磨機正壓直吹式燃燒系統(tǒng) 7 600MW及以上超臨界本生直流機組鍋爐 8 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對沖燃燒中間再熱鍋爐 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對沖燃燒中間再熱鍋爐 9 10 1燃料的性質 燃料的分類 燃料的定義 指燃燒過程中能放出熱量 且經濟上可行的物質 11 1燃料的性質 一 煤煤定義 是一種復雜的物質聚集體 主要可燃成分是C H及少量O2 N2 S等一起構成的有機聚合物 性質 煤中有機成分和無機成分的含量因種類 產地不同而異 12 13 14 1燃料的性質 1 煤的分類 按基于沉積年代的分類法分為褐煤 煙煤 無煙煤 1 褐煤 是由泥煤形成的初始煤化物 是煤中等級最低的一類 形成年代最短 呈黑色 褐色 泥土色 象木材結構 特點 揮發(fā)分較高 析出溫度低 燃燒熱值低 不能制炭 干燥后 C含量60 75 O2含量20 25 15 1燃料的性質 2 煙煤 形成歷史較褐煤長 黑色 外形有可見條紋 揮發(fā)分20 45 C75 90 成焦性較強 氧含量低 水分及灰分含量不高 適宜工業(yè)使用 3 無煙煤 碳含量最高 煤化時間最長的煤 具有明顯的黑色光澤 機械強度高 C含量 93 無機物量 10 著火難 不易自燃 成焦性差 16 2 燃料組成對燃燒的影響 碳 可燃元素 1kg純碳完全燃燒時 放出7850kcal的熱量 當不完全燃燒生成CO時 放出2214kcal的熱量 純碳起燃溫度很高 燃燒緩慢 火焰也短 煤中的碳不是單質狀態(tài)存在 而是與氫 氮 硫等組成有機化合物 煤形成的地質年代越長 其揮發(fā)性成分含量越少 而含碳量則相對增加 例如 無煙煤含碳量約90 98 一般煤的含碳量約50 95 氫 是燃料中發(fā)熱量最高的元素 固體燃料中氫的含量為2 10 以碳氫化合物的形式存在 1kg氫完全燃燒時能放出28780kcal的熱量 17 2 燃料組成對燃燒的影響 氧 氧在燃料中與碳和氫生成化合物 降低了燃料的發(fā)熱量氮 燃料中含氮量很少 一般為0 5 1 5 硫 以三種形態(tài)存在 有機硫 硫化鐵硫和硫酸鹽硫 前兩種能放出熱量 稱之為揮發(fā)硫 硫燃燒生成產物為SO2和SO3 其中SO2占95 以上 18 2 燃料組成對燃燒的影響 水分 水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少 煤中水分由表面水分 外部水分 和吸附水分 內部水分 組成 外部水分可以靠自然干燥方法除去 內部水分要放在干燥箱中加熱到102 105 C 保持2h后才能除掉 灰分 是燃料中不可燃礦物質 為燃料中有害成分 19 3 煤的成分分析 工業(yè)分析 proximateanalysis 測定煤中水分 揮發(fā)分 灰分和固定碳 估測硫含量和熱量 是評價工業(yè)用煤的主要指標 元素分析 ultimateanalysis 用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳 氫 氮 硫和氧的含量 20 1 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318 323K溫度下干燥8小時 取出冷卻 稱重 外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375 380K下 約2h后 稱重 內部水分外部水分 內部水分 煤所含的全水分 煤所含水分使熱值降低 影響燃燒穩(wěn)定 一般控制煤中水分在10 13 揮發(fā)分 失去水分的試樣密封在坩堝內 放在1200K的馬弗爐中加熱7分鐘 放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重 21 1 煤的工業(yè)分析 固定碳從煤中扣除水分 灰分以及揮發(fā)分后剩余的部分為固定碳 是煤的主要可燃物質 失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分 焦炭 放在800 20 C的環(huán)境中灼燒到重量不在變化時 取出冷卻 焦炭所失去的重量為固定碳 灰分 灰分是煤中不可燃礦物物質的總稱 高灰分 低熔點的煤極易結渣 從爾影響熱效率 22 1 煤的工業(yè)分析 煤中灰分的組成 我國煤炭的平均灰分含量為25 灰分的存在降低了煤的熱值 也增加了煙塵污染和出渣量 23 2 煤的元素分析 碳和氫 通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定氮 在催化劑作用下使煤中的氮轉化為氨 堿液吸收 滴定硫 與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應 SSO42 滴定 24 3 煤中硫的形態(tài) 25 3 煤中硫的形態(tài) a 硫化鐵硫 是主要的含硫成分 常見形態(tài)是黃鐵礦硫 黃鐵礦 硬度6 6 5 比重4 7 5 2本無磁性 但在強磁場感應下能轉變?yōu)轫槾判晕?吸收微波能力較強 據此 可把其從煤中脫除 b 硫酸鹽硫 硫酸鹽硫在燃燒時不參加燃燒 留在灰渣里 是灰分的一部分 其它形態(tài)的硫能燃燒放出熱量 通常所說的SOx污染物只包括有機硫 硫化物 不包括MeSO4 c 有機硫 以各種官能團形式存在 如噻吩 芳香基硫化物 硫醇等 不易用重力分選的方法除去 需采用化學方法脫硫 26 4 煤的成分的表示方法 要確切說明煤的特性 必須同時指明百分比的基準 常用的基準有以下四種 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 即在實驗室內進行燃料分析時的試樣成分 27 4 煤的成分的表示方法 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灰基 以去掉水分和灰分的燃料作為100 的成分 28 4 煤的成分的表示方法 煤的成分的表示方法及其組成的相互關系 29 4 煤的成分的表示方法 我國部分煤種的分析結果 30 4 煤的成分的表示方法 我國部分煤種的分析結果 續(xù) 31 二 石油 液體燃料的主要來源鏈烷烴 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 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 32 二 石油 石油是液體燃料的主要來源 原油是天然存在的易流動液體 比重0 78 1 00主要含C H2 少量的S N2 O2 此外 含有微量金屬 釩 鎳 砷 鉛 氯等 10ppm左右 原油中的硫大部分以有機硫形式存在 形成非碳氫化合物的巨大分子團 其含硫量變化范圍較大 一般為0 1 7 原油通過蒸餾 裂化和重整過程生產出各種產品 原油中的S約有80 90 留于重餾分中 硫以復雜的環(huán)狀結構存在 而需去除的僅是硫原子 故不能用物理方法分離硫化物 采用高壓下的催化加氫破壞C S C鍵形成H2S氣體 可達目的 但費用很高 33 三 天然氣 典型的氣體燃料一般組成為CH485 乙烷10 丙烷3 此外還有H2O CO2 N2 He H2S等 天然氣中的H2S具有腐蝕性 它的燃燒產物為硫的氧化物 因此許多國家規(guī)定了天然氣中總硫和H2S含量的最大允許子值 34 四 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 molC77 2 12 6 43 6 43 1 00H5 20 1 5 20 6 43 0 808N1 20 14 0 0857 6 43 0 013S2 60 32 0 0812 6 43 0 013O5 90 16 0 369 6 43 0 057ash7 9 6 43 1 23g molCThenormalizedmolarcomposition CH0 808N0 013S0 013O0 057 35 五 燃料的最重要的兩個屬性 熱值決定燃料的消耗量雜質污染物產生的來源 36 六 其他燃料 非常規(guī)燃料城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農產物和農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氫的資源合成燃料非常規(guī)燃料通常需要專門技術轉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題 37 2燃料燃燒過程 一 影響燃燒過程的主要因素1 燃燒過程及燃燒產物完全燃燒 CO2 H2O不完全燃燒 CO2 H2O CO 黑煙及其他部分氧化產物如果燃料中含有S和N 則會生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO 熱力型NOx 38 一 影響燃燒過程的主要因素 2 燃料完全燃燒的條件 3T 空氣條件 提供充足的空氣 但是空氣量過大 會降低爐溫 增加熱損失溫度條件 Temperature 達到燃料的著火溫度時間條件 Time 燃料在高溫區(qū)停留時間應超過燃料燃燒所需時間燃料與空氣的混合條件 Turbulence 燃料與氧充分混合 39 一 影響燃燒過程的主要因素 典型燃料的著火溫度 40 一 影響燃燒過程的主要因素 燃燒火焰溫度與燃料混合比的關系 以CH4為例 41 一 影響燃燒過程的主要因素 典型鍋爐熱損失與過剩空氣量的關系 42 一 影響燃燒過程的主要因素 燃氣比和混合程度對燃燒產物的影響 43 二 燃料燃燒的理論空氣量 1 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在燃燒時轉化為N2燃料的化學方程式為CxHySzOw 44 二 燃料燃燒的理論空氣量 燃燒方程式 燃料重量 12x 1 008y 32z 16w煤4 7m3 kg 液體燃料10 11m3 kg 45 二 燃料燃燒的理論空氣量 理論空氣量 46 二 燃料燃燒的理論空氣量 3 6 6 0褐煤一般煤的理論空氣量7 5 8 5無煙煤9 10煙煤液體燃料 燃料油 的煤爐 4 5 5 5煤氣液化氣 2 97高爐 0 7干 8 84 9 01天然氣濕 11 4 12 1 47 二 燃料燃燒的理論空氣量 例題 48 二 燃料燃燒的理論空氣量 2 空氣過剩系數實際空氣量與理論空氣量之比 以 表示 通常 1部分爐型的空氣過剩系數 49 二 燃料燃燒的理論空氣量 3 空燃比 AF 定義 單位質量燃料燃燒所需的空氣質量 它可由燃燒方程直接求得 例如 甲烷在理想空氣量下的完全燃燒 CH4 2O2 7 56N2 CO2 7 56N2空燃比 AF 2 32 7 56 28 1 16 17 2汽油 C8H18 的理論空燃比為15純碳的理論空燃比約為11 5 50 二 燃料燃燒的理論空氣量 例 某燃燒裝置采用重油作燃料 重油成分分析結果如下 按質量 C 88 3 H 9 5 S 1 6 灰分 0 10 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 則 51 二 燃料燃燒的理論空氣量 52 理論需氧量為 73 58 23 75 0 5 97 83mol kg重油假定空氣中N2與O2的摩爾比為3 76 體積比 則 理論空氣量為 mol kg重油即Nm3 kg重油 二 燃料燃燒的理論空氣量 53 三 燃燒過程中產生的污染物 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燃燒產物的絕對量和相對量都有影響燃料種類和燃燒方式對燃燒產物也有影響 54 三 燃燒過程中產生的污染物 燃燒產物與溫度的關系 55 三 燃燒過程中產生的污染物 燃料種類對燃燒產物的影響 以1000MW電站為例 56 三 燃燒過程中產生的污染物 典型固態(tài)燃料的燃燒產物 57 三 燃燒過程中產生的污染物 典型液態(tài)燃料的燃燒產物 58 三 燃燒過程中產生