內(nèi)蒙科大大氣污染控制工程課件第02章 燃燒與大氣污染

1、第二章 燃燒與大氣污染1. 燃料的性質(zhì)2. 燃料的燃燒過程3. 煙氣體積計(jì)算4. 燃燒過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2.1 燃料的性質(zhì)一.燃料的分類 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 二.煤的分類和組成 1.煤的基本分類褐煤最低品味的煤，形成年代最短，熱值較低煙煤形成年代較褐煤長，碳含量75%90。成焦性較強(qiáng)，適宜工業(yè)一般應(yīng)用無煙煤煤化時(shí)間最長，含碳量最高（高于93），成焦性差,發(fā)熱量大煤的詳細(xì)分類2.煤的成分分析

2、工業(yè)分析（ proximate analysis ） 測定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱值，是評價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)。元素分析（ ultimate analysis ） 用化學(xué)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。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)318323K溫度下干燥8h，取出冷卻，稱重 外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375380K下，約2h后，稱重 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重 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

3、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：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(zhuǎn)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(yīng)，S SO42-，滴定煤中硫的形態(tài)煤的成分的表示方法 要確切說明煤的特性，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%

4、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 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%的成分煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系 我國部分煤種的分析結(jié)果 我國部分煤種的分析結(jié)果(續(xù)） 三.其他燃料 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(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3四、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

5、碳和含碳?xì)涞馁Y源合成燃料 非常規(guī)燃料通常需要專門技術(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題2.2 燃料燃燒過程 一、影響燃燒過程的主要因素燃燒過程及燃燒產(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.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(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)超過燃料燃燒所需時(shí)間燃料與空氣的混合條件（Turbule

6、nce）：燃料與氧充分混合典型燃料的著火溫度燃燒火焰溫度與燃料混合比的關(guān)系（以CH4為例）典型鍋爐熱損失與過?？諝饬康年P(guān)系燃?xì)獗群突旌铣潭葘θ紵a(chǎn)物的影響二.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(shí)轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學(xué)式為CxHySzOw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/kg例題：2.空氣過剩系數(shù)實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。以表

7、示，通常1部分爐型的空氣過剩系數(shù)3.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=15.11三、燃燒過程中產(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燃燒產(chǎn)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(chǎn)物也有影響燃燒產(chǎn)物與溫度的關(guān)系：燃料種類對燃燒產(chǎn)物的影響（以1000MW電站為例）：典型固態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物：四.熱化學(xué)關(guān)系式1.發(fā)熱量：單位燃料完全燃燒時(shí)，所放出的熱量，即在反

8、應(yīng)物開始狀態(tài)和反應(yīng)產(chǎn)物終了狀態(tài)相同下的熱量變化（kJ/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(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時(shí)，完全燃燒過程所釋放的熱量2.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)在空氣過剩一側(cè)燃燒熱損失與空燃比的關(guān)系2.3 煙氣體積及污染物排放量計(jì)算 一.煙氣體積計(jì)算 1.理論煙氣體積 CO2、SO2、N2和H2O干煙氣、標(biāo)準(zhǔn)干煙氣、濕煙2.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)測系統(tǒng)網(wǎng)的標(biāo)態(tài)為29

9、8K、1atm。3.過?？諝庑Ｕ龑?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 0.264N2P過?？諝庑Ｕ碚撔柩趿?= 0.264 N2P - O2P，空氣過剩系數(shù) = 1 + O2P /（ 0.264 N2P - O2P ）假如燃燒過程中產(chǎn)生CO，過剩氧量必須加以校正： O2P - 0.5 COP = 1 + （ O2P - 0.5 COP ）/ 0.264 N2P

10、- （ O2P - 0.5 COP ） 以上組分的量均可由煙氣分析儀測定。 二.污染物排放量計(jì)算方法：根據(jù)實(shí)測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)測煙氣量和污染物濃度排放因子（Emission Factor）第二章 燃燒與大氣污染(2)1. 燃料的性質(zhì)2. 燃料的燃燒過程3. 煙氣體積計(jì)算4. 燃燒過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四節(jié) 燃燒過程中硫氧化物的形成 1.硫的氧化機(jī)理 有機(jī)硫的分解溫度較低無機(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

11、.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 + 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(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)dSO3 /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

12、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/%SO2排放因子舉例-from AP-42第五節(jié) 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(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（ bursen burner, meeker bu

13、rner）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：Re2200，強(qiáng)烈的湍流作用，但分子擴(kuò)散仍然起作用Laminartransitiondeveloped turbulentheightJet velocity1. 碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反應(yīng)過程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.

14、 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)微粒煤粉燃燒過程碳表面的燃燒產(chǎn)物為CO，它擴(kuò)散離開表面并與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. 燃煤煙塵的形成黑煙形成的化學(xué)過程2. 燃煤煙塵的形成高灰分燃料的擴(kuò)散燃燒2. 燃煤煙塵的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb

15、、Cu、Zn等污染元素2. 燃煤煙塵的形成飛灰的形成過程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. 燃煤煙塵的形成燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響2. 燃煤煙塵的形成影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素燃燒方式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：時(shí)段1992年8月1日之前建成投產(chǎn)或初步設(shè)計(jì)已通過審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠；時(shí)段1992年8月1日起至1996年

16、12月31日期間環(huán)境影響報(bào)告書通過審查批準(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)告書通過審查批準(zhǔn)、初步設(shè)計(jì)待審查批準(zhǔn)的新、擴(kuò)、改建火電廠；時(shí)段1997年1月1日起環(huán)境影響報(bào)告書待審查批準(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（

17、）1.01.0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乙炔的鏈形成各種不飽和基不飽和基進(jìn)一步脫氫形成聚乙炔不飽和基通過環(huán)化反應(yīng)形成C6C2型芳香族化合物C6C2基逐步合成為多環(huán)有機(jī)物1.有機(jī)污染物的形成比較活潑的碳?xì)浠衔锟赡苁钱a(chǎn)生光化學(xué)煙霧的直接原因碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生量與燃料組成密切相關(guān)燃料中高分子碳?xì)浠衔餄舛扰c

18、POM排放水平具有相關(guān)性燃料與空氣的充分混合可降低有機(jī)物的含量，但不利于NOx的控制同時(shí)減少CH和NOx的排放需要仔細(xì)控制混合的型式、溫度水平和整個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間2. CO的形成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(jìn)一步氧化在火焰溫度下有足夠的氧并且停留時(shí)間足夠長，可以降低CO含量。CO的形成和破壞都由動(dòng)力學(xué)控制，反應(yīng)路線： RH R RCHO RCO CO2. CO的形成3. Hg的形成與排放Hg對人的腎和神經(jīng)系統(tǒng)有危害煤碳燃燒是Hg的一大來源煤中Hg的析出率與燃燒條件有關(guān)燃燒溫度900oC時(shí)，析出率90還原性氣氛的析出率低于氧化性氣氛Hg排放控