大氣污染控制工程：第三周 大氣污染控制基礎（2）

1、第二章 大氣污染控制基礎（2）南京師范大學環(huán)境科學與工程系2015年3月今天的任務復習上節(jié)課關于“燃料性質的內容”繼續(xù)講第二章內容本章學習要點與復習重點習題上節(jié)課內容（復習要點）燃料及分類氣、液、固三種燃料燃燒特點燃料的主要化學成分，哪種化學成分熱值最高煤的分類（褐煤、煙煤、無煙煤），哪種煤熱值最高，為什么？煤的兩種分析方法（工業(yè)和元素），工業(yè)分析分析哪些成分？煤的四種基準及相互間的關系燃料的表示方法（CxHyOzNuSv）本章教學大綱燃燒與大氣污染燃料的性質燃料的燃燒過程煙氣體積及污染物排放量計算燃燒過程中污染物的生成燃燒過程中SO2的生成燃燒過程中NOx的生成燃燒過程中其他污染物的生成4第

2、二節(jié) 燃料燃燒過程 燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨著能量（光和熱）的釋放，同時使燃料的組成元素轉化為相應的氧化物。2.1 影響燃燒過程的主要因素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NOx5影響燃燒過程的主要因素燃料完全燃燒的條件（三T）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（Turbule

3、nce湍流， t:bjlns）：燃料與氧充分混合，混合程度取決于空氣的湍流度把溫度、時間和湍流稱為燃燒過程的“三T”62.2 燃料燃燒的理論空氣量定義：單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需要的空氣量。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燃料的化學式為CxHySzOw7 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 47 m3/kg，液體燃料1011 m3/kg8例題9 燃料燃燒的

4、理論空氣量空氣過剩系數（重要）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10空燃比（重要）單位質量燃料燃燒所需要的空氣質量 例如：汽油（C8H18）的完全燃燒：汽油的質量：128+1.00818 = 114.14 空氣的質量：3212.5+283.7812.5 = 1723空燃比 AF=15.1111 燃料燃燒的理論空氣量2.3 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12燃燒產物與溫度的關系13燃料種類對燃燒產物的影響142.4 熱

5、量損失發(fā)熱量：單位燃料完全燃燒時，所放出的熱量，即在反應物開始狀態(tài)和反應產物終了狀態(tài)相同下的熱量變化（kJ/kg or kcal/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：燃燒產物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時，完全燃燒過程所釋放的熱量15燃燒設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，熱損失最小值出現在空氣過剩一側16燃燒熱損失與空燃比的關系17例題: 已知重油元素分析結果為：C：85.5% H：11.3% O：2.0% N：0.2% S：1.0% 試計算：燃燒1kg重油所需的理論空氣量和產生的理論煙氣量；干煙氣中

6、SO2的質量濃度和CO2的最大質量濃度；當空氣的過剩量為10%時，所需的空氣量及產生的煙氣量。 18 解： 已知1kg重油中各成分的含量如下： 質量/g 摩爾數/mol（按原子數計） 需氧數/mol C 855 71.25 71.25 H 113 112.10 28.25 N 2 0.143 0 S 10 0.3125 0.3125 O 20 1.25 -0.625 所需理論氧氣量為： 71.25+28.25+0.3125-0.625 =99.188mol/kg重油 需要的理論空氣量為：19 99.188（1 + 3.7）=472.13mol/kg重油 即： 472.1322.4/1000 =

7、10.58m3/kg重油（標態(tài)） 理論空氣量條件下的煙氣組成（mol）為： CO2：71.25 H2O：56.5 SOx：0.3125 N2：99.1883.76 理論煙氣量為：71.25+56.5+0.3125+99.1883.76 =501.01mol/kg重油501.0122.4 10-3=11.22m3/kg重油 20干煙氣量為：501.01-56.5=444.51mol/kg重油 即： 444.5122.410-3 =9.96m3/kg重油。 SO2量為：0.31250.97 =0.3031mol/kg重油（認為S的生成物中SO2占97%） 干煙氣中SO2的質量濃度為： 0.3031

8、10-6/444.51 =681.87(64/22.4) =1948mg/m3 假設C全部生成CO2，則CO2的量為71.25mol/kg重油。CO2的最大質量濃度為：( 71.25/444.51) 103 (44/22.4)=314.8g/m3 21 當空氣過剩10%時，空氣過剩系數=1.1 則實際的空氣量為：10.581.1=11.64m3/kg重油 實際煙氣量為：=11.22+(1.1-1) 10.58=12.28m3/kg重油22第三節(jié) 煙氣體積及污染物排放量計算3.1 煙氣體積計算理論煙氣體積 CO2、SO2、N2和H2O干煙氣、濕煙氣煙氣體積和密度的校正轉化為標態(tài)下（273K、1a

9、tm）的體積和密度注意：美、日和全球監(jiān)測系統網的標態(tài)為298K、1atm。23煙氣體積計算過?？諝庑Ｕ龑嶋H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，即進入燃燒系統的空氣總氧量為 0.264N2P24過剩空氣校正理論需氧量 = 0.264 N2P - O2P，空氣過剩系數 = 實際需氧量/理論需氧量=1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ）假如燃燒過程中產生CO，過剩氧量必須加以校正：

10、O2P - 0.5 COP = 1 + （ O2P - 0.5 COP ）/ 0.264 N2P - （ O2P - 0.5 COP ） 以上組分的量均可由煙氣分析儀測定。 考慮過?？諝庑Ｕ髮嶋H煙氣體積：25煙氣體積計算3.2 污染物排放量計算方法：根據實測的污染物濃度和排煙量根據燃燒設備的排污系數、燃料組成和燃燒狀況預測煙氣量和污染物濃度26污染物排放量計算例題: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%;H2O:0.05%;灰分:0.1%.試確定燃燒1kg重油所需要的理論空氣量.解:以1kg重油燃燒為基礎,則所以理論需氧量為73.5

11、+23.75+0.5=97.83mol/kg重油干空氣中氧和氮的摩爾比(體積比)為3.78,則1kg重油完全燃燒所需要的理論空氣量為:重油(g)Mol數需氧量(mol)C88373.5873.58H9547.523.5S160.50.5H2O50.278027污染物排放量計算97.83（3.78+1)=467.63mol/kg重油即467.63 (22.4/1000) =10.47mN3/kg重油28例題：某鍋爐燃用煤氣成分體積比為：H2S0.2%、CO25%、O20.2%、CO28.5%、H213.0%、CH40.7%、N252.4%?？諝夂瑵窳繛?2g/m3(標態(tài))，=1.2時，試求實際所

12、需空氣量和燃燒時產生的實際煙氣量。 解：以1kmol煤氣計，則 摩爾數/mol 需氧量/mol 煙氣量/kmol H2S 2 3 4(H2O+SO2) CO2 50 0 50 O2 2.0 -2 0 CO 285 142.5 285(CO2) H2 130 65 130(H2O) CH4 7 14 21(CO2+H2O) N2 524 0 524(N2) 29 1）由上表可知理論需氧量為： 3-2+142.5+65+14=222.5mol/kmol煤氣 =0.2225mN3/（mN3煤氣） 實際需要的干空氣量： 222.5(1+3.78) 1.2mol/kmol(煤氣) =1276.3 mol

13、/kmol(煤氣) =1.276 mN3/（mN3煤氣） 轉化為濕空氣: Va=1.276/(1-0.0149) mN3/（mN3煤氣） =1.296 mN3/（mN3煤氣） 30 2）燃燒后產生的煙氣量： Vf =(4+50+285+130+21+524) 10-3+1.296-0.2225 =2.087 mN3/（mN3煤氣） 31第三節(jié) 燃燒過程中污染物的生成燃燒過程中硫氧化物的生成1.硫的氧化機理 有機硫分解需要的溫度較低無機硫分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍色，由于反應：在所有的情況下，它都作為一種重要的反應中間體1.硫的氧化機理H2S的氧化1.硫的氧化機理CS2和COS的氧

14、化1.硫的氧化機理元素S的氧化1.硫的氧化機理有機硫化物的氧化 2. SO2和SO3之間的轉化 反應方程式（SO3的生成與消耗）SO2 + O + M SO3 + M （1）SO3 + O SO2 + O2 （2）SO3 + H SO2 + OH （3）SO3 + M SO2 + O + M （4）在熾熱反應區(qū) ，O 濃度很高，反應（1）和（2）起支配作用 2. SO2和SO3之間的轉化SO3生成速率 當dSO3 /dt = 0 時，SO3濃度達到最大 在富燃料條件下，O濃度低得多，SO3的去除反應主要為反應（3）， SO3的最大濃度：SO3的生產量與O成正比，一般燃燒條件下SO2向SO3轉化

15、率為1-5%，含硫量2%的重油，煙氣中SO3濃度2-6*10-5影響SO3生成的主要因素含硫量：含硫量越大SO2和SO3都越多空氣過剩系數：越大SO3生成量越多火焰中心溫度：越高生成SO3越多煙氣停留時間：越長生成SO3越多2. SO2和SO3之間的轉化燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結合生成H2SO4，轉化率:轉化率與溫度密切相關H2SO4濃度越高，酸露點越高煙氣露點升高極易引起管道和空氣凈化設施的腐蝕硫酸的生成2. SO2和SO3之間的轉化SO3的轉化率/%2、燃燒過程中顆粒物的形成1.碳粒子的生成積炭的生成核化過程：氣相脫氫反應并產生凝聚相固體碳核表面上發(fā)生非均質反應較為緩慢的聚團和凝聚

16、過程燃料的分子結構是影響積炭的主導因素提高氧氣量可以防止積炭生成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，出現結焦多組分重殘油的燃燒后期會生成焦粒狀的煤胞，難以燃燒。焦粒生成反應的順序：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：固體燃料燃燒產生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質微粒煤粉燃燒過程碳表面的燃燒產物為CO，它擴散離開表面并與O2反應灰層碳層外擴散2. 燃煤煙塵的形成煤粉燃燒過程理論上碳與氧的摩爾比近1.0時最易形成黑煙易燃燒又少出現黑煙的燃料順序為：無煙煤

17、 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間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃度等有關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燃燒方式煙氣流速爐排和爐膛的熱負荷鍋爐運行負荷鍋爐結構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2. 燃煤煙塵的形成燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響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行負荷3、燃燒過程中其他污染物的形成1.有機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乙炔的鏈形成各種不飽和基不飽和基進一步脫氫形成

18、聚乙炔不飽和基通過環(huán)化反應形成C6C2型芳香族化合物C6C2基逐步合成為多環(huán)有機物1.有機污染物的形成比較活潑的碳氫化合物可能是產生光化學煙霧的直接原因碳氫化合物的產生量與燃料組成密切相關燃料中高分子碳氫化合物濃度與POM排放水平具有相關性燃料與空氣的充分混合可降低有機物的含量，但不利于NOx的控制同時減少CH和NOx的排放需要仔細控制混合的型式、溫度水平和整個系統的停留時間2. CO的形成2、CO形成CO是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種CO的全球排放量為200106t/a燃料中的碳都先形成CO，然后進一步氧化在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時間足夠長，可以降低CO含量。3. Hg的形成與排放3、Hg的生成Hg對人的腎和神經系統有危害煤碳燃燒是H