第二章燃燒及大氣污染

表1－3美國(guó)1997年大氣污染物排放量估算污染源類型PM10SOxCONOxVOCPb合計(jì)比例/%交通運(yùn)輸0.631.2760.7810.526.980.0004680.1857.5燃料燃燒1.0015.694.369.710.820.0004531.5822.6工業(yè)生產(chǎn)1.181.545.530.828.890.0026317.96312.9混合源－0.08.710.270.73－9.717.0總計(jì)2.8118.5079.3821.3217.420.00354139.433100比例/%2.013.356.915.312.50.0100占1970年總量/%－6578116701.7－－注：①SOx指所有硫氧化物，主要是SO2；NOx指所有氮氧化物，主要是NO和NO2，其質(zhì)量以NO2計(jì)算。②對(duì)于大多數(shù)污染物來(lái)說(shuō)，森林火災(zāi)是混雜源的主要污染物來(lái)源。單位：106t/a第二章燃燒與大氣污染內(nèi)容簡(jiǎn)介:燃料的性質(zhì)燃料燃燒過(guò)程煙氣體積及污染物排放量計(jì)算燃燒過(guò)程污染物的形成第一節(jié)燃料的性質(zhì)用以產(chǎn)生熱量或動(dòng)力的可燃性物質(zhì)煤、石油和天然氣統(tǒng)稱為常規(guī)燃料燃料固體燃料液體燃料氣體燃料一.煤（一）煤的分類由植物的部分分解和變質(zhì)而形成的一種不均勻的有機(jī)燃料植物性原料變成煤的過(guò)程稱之為煤化過(guò)程1.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代短，呈黑色、褐色或泥土色，其結(jié)構(gòu)類似木材，呈現(xiàn)出黏結(jié)狀及帶狀，水分含量高，熱值較低，是最低品位的煤2.煙煤：形成年代較褐煤為長(zhǎng)，呈黑色，外形有可見(jiàn)條紋，揮發(fā)分含量為20-45％，碳含量為75-90％，成焦性較強(qiáng)，含氧量低，水分和灰分含量不高，比褐煤更能抵抗風(fēng)化3.無(wú)煙煤：含碳量最高，含碳量高于93％，煤化時(shí)間最長(zhǎng)，具有明亮的黑色光澤，機(jī)械強(qiáng)度高，無(wú)機(jī)物含量低于10％，著火困難，儲(chǔ)存時(shí)穩(wěn)定，不易自燃，成焦性極差（二）煤的工業(yè)分析1.水分（1）外部水分：稱取一定量的13mm以下粒度的煤樣，置于干燥箱內(nèi)，在318-323K溫度下干燥8h，取出冷卻，干燥后所失去的水分質(zhì)量占煤樣原有質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)就是煤的外部水分(ww)（2）內(nèi)部水分：將上述失去外部水分的煤樣繼續(xù)在375-380K下干燥約2h，所失去的水分質(zhì)量占試樣原來(lái)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)即為內(nèi)部水分(wn)2.灰分：煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱3.揮發(fā)分：煤在與空氣隔絕的條件下加熱分解出的可燃?xì)怏w物質(zhì)，通過(guò)將風(fēng)干的煤樣在1200K的爐中加熱7min而測(cè)定4.固定碳：從煤中扣除水分、灰分及揮發(fā)分后剩下的部分表2-1煤的灰分的組成成分含量/％成分含量/％SiO220-60MgO0.3-4Al2O310-35TiO20.5-2.5Fe2O35-35Na2O和K2O1-4CaO1-20SO30.1-12（三）煤的元素分析用化學(xué)方法測(cè)定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧等的含量1.煤中碳和氫的測(cè)定：碳和氫是通過(guò)燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量而測(cè)定的。3.煤中氮的測(cè)定：在催化劑作用下使煤中氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘保^而用堿吸收，最后用酸滴定。4.煤中硫的測(cè)定：將空氣干燥基樣與艾氏劑(氧化鎂和無(wú)水碳酸鈉)混勻，緩慢燃燒，使硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}，再加入熱水使之溶解。在一定酸度下加入氯化鋇使之轉(zhuǎn)化為硫酸鋇沉淀，過(guò)濾灼燒后稱量硫酸鋇質(zhì)量反算出煤中全硫含量。2.煤中氧的測(cè)定（1）直接法：在氮?dú)饬骱?05~110℃下干燥煤樣，然后使之在(1125±25)℃下分解，用純碳將揮發(fā)產(chǎn)物中的氧轉(zhuǎn)化為CO，并進(jìn)一步氧化為CO2，用滴定法或重量法測(cè)定。（2）間接法：通過(guò)其他元素測(cè)定結(jié)果間接計(jì)算。（四）煤中硫的形態(tài)1.硫化鐵硫：主要代表是黃鐵礦硫，是煤中主要的含硫成分，黃鐵礦比煤重的多，可在強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)下能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕镔|(zhì)，吸收微波能力比煤炭強(qiáng)。故可用不同的物理或化學(xué)方法把黃鐵礦從煤中脫除。2.有機(jī)硫：有機(jī)硫是以各種官能團(tuán)形式存在的，與煤中有機(jī)質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜的分子，不宜用一般重力分選的方法除去，需要采用化學(xué)方法脫硫。3.硫酸鹽硫：主要以鈣、鐵、和錳的硫酸鹽形式存在，較前兩種硫含量少得多。低硫煤中主要是有機(jī)硫，約為無(wú)機(jī)硫的的8倍高硫煤中主要為無(wú)機(jī)硫，約為有機(jī)硫的3倍煤中全硫無(wú)機(jī)硫硫化鐵硫單質(zhì)硫硫酸鹽硫黃鐵礦硫FeS2白鐵礦硫FeS2砷黃鐵礦硫石膏CaSO4·2H2O綠礬FeSO4·7H2O有機(jī)硫硫醇或醚基化合物R－SH硫醚R－S－R二硫醚R－S－S－R噻吩類雜環(huán)硫化物硫醌化合物（五）煤的成分表示方法1.收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作為100％的成分，亦即鍋爐燃料的實(shí)際成分，以上角“ar”表示。w(Car)+w(Har)+w(Oar)+w(Nar)+w(Sar)+w(Aar)+w(War)=100%2.空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100％的成分，亦即在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時(shí)的試樣成分，以上角“ad”表示。3.干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100％的成分，以上角“d”表示。4.干燥無(wú)灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100％的成分，以上角“daf”表示。w(Cad)+w(Had)+w(Oad)+w(Nad)+w(Sad)+w(Wad)+w(Aad)=100%w(Cd)+w(Hd)+w(Od)+w(Nd)+w(Sd)+w(Ad)=100%w(Cdaf)+w(Hdaf)+w(Odaf)+w(Ndaf)+w(Sdaf)=100%arAStyCHONSrWnWwadddaf灰分固定碳揮發(fā)分水分固體部分（焦炭）揮發(fā)部分圖2-1煤的成分表示方法及其組成相互關(guān)系表2-2不同煤種的煤質(zhì)分析結(jié)果煤種收到基水分War/%干燥基灰分Ad/%干燥無(wú)灰基元素分析收到基低位發(fā)熱量Qdw/kJ/kg干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf/%空氣干燥基水分Wad/%碳Cdaf/%氫Hdaf/%氧Odaf/%氮Ndaf/%硫Sdaf/%褐煤34.822.771.75.220.51.21.31297347.89.9煙煤5.130.582.35.38.11.42.92132629.11.3無(wú)煙煤5.524.792.72.92.60.90.8238655.11.3二.石油1.原油是天然存在的易流動(dòng)的液體，相對(duì)密度在0.78-1.00之間，是多種化合物的混合物，主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等碳?xì)浠衔锝M成。2.原油通過(guò)蒸餾、裂化和重整過(guò)程，可生產(chǎn)出各種汽油、溶劑、化學(xué)產(chǎn)品和燃料油。3.燃料油的相對(duì)密度為燃料油的化學(xué)組成和發(fā)熱值提供了指示。當(dāng)氫的含量增加時(shí)，相對(duì)密度減少，發(fā)熱量增加。（一）性質(zhì)4.燃料油的粘度隨溫度升高而降低，粘度較大時(shí)，霧化產(chǎn)生的液滴較大，故不易較快氣化，導(dǎo)致不完全燃燒。（二）原油中的硫1.大部分以有機(jī)硫形式存在，含硫量為0.1-7%(質(zhì)量)。3.硫分約有80-90％在重餾分中，以復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在。2.輕餾分中硫以硫化氫(H2S)、硫醇(R-S-H)、一硫化物(R-S-R)、二硫化物(R-S-S-R)和環(huán)狀硫化物等形態(tài)存在。4.不能用物理方法分離硫化物來(lái)降低燃料油中的硫分，采用高壓下的催化加氫，破壞C-S-C鍵，形成硫化氫氣體，可以達(dá)到降低硫分的目的。三.天然氣主要組成為甲烷85％，乙烷10％、丙烷3％天然氣中的硫化氫不但具有腐蝕性，且它的燃燒產(chǎn)物為硫的氧化物，應(yīng)盡量減少其在天然氣中的含量天然氣中的惰性組分過(guò)大時(shí)，可降低天然氣的燃燒值，并增加輸送成本，還會(huì)影響燃燒特征，故應(yīng)除去惰性組分或與其他氣體混合以使其稀釋1-5設(shè)人肺部氣體含CO為2.2×10-4，平均含氧量為19.5%。如果這種濃度保持不變，求COHb濃度最終達(dá)到飽和水平的百分率。解：取M＝210，則可得到：COHb達(dá)到飽和水平時(shí)：1-7粉塵密度1400kg/m3，平均粒徑1.4μm

，在大氣中的濃度為0.2kg/m3，對(duì)光的散射率為2.2，計(jì)算大氣的最大能見(jiàn)度。解：1.大氣污染綜合防治的措施有哪些？（1）全面規(guī)劃、合理布局（2）嚴(yán)格環(huán)境管理（3）控制大氣污染的技術(shù)措施（4）控制污染的經(jīng)濟(jì)政策（5）控制污染的產(chǎn)業(yè)政策（6）綠化造林（7）安裝廢氣凈化裝置2.如何計(jì)算空氣污染指數(shù)API？式中：Ik——第k種污染物的污染分指數(shù)；

ρk——第k種污染物的平均濃度的監(jiān)測(cè)值，mg/m3;Ik,j——第k種污染物j轉(zhuǎn)折點(diǎn)的污染分指數(shù)值；

Ik,j+1——第k種污染物j+1轉(zhuǎn)折點(diǎn)的污染分指數(shù)值；

ρk,j——第j轉(zhuǎn)折點(diǎn)上k種污染物的濃度限值(對(duì)應(yīng)于Ik,j)，

mg/m3;

ρk,j+1——第j+1轉(zhuǎn)折點(diǎn)上k種污染物的濃度限值(對(duì)應(yīng)于

Ik,j+1)，mg/m3。各種污染物的污染分指數(shù)計(jì)算出以后，最大者為該區(qū)域或城市空氣污染指數(shù)API當(dāng)?shù)趉種污染物濃度為ρk,j≤ρk≤ρk,j+1時(shí)，其分指數(shù)6.煤炭中的硫分都可燃燒并放出熱量。7.由于收到基表示的是實(shí)際燃料，利用收到基評(píng)價(jià)煤炭性質(zhì)是準(zhǔn)確的?！痢?.環(huán)境空氣質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)按其用途可分為哪4類？環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和大氣污染警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)4.由于液體燃料是以氣態(tài)形式燃燒的，所以它的燃燒狀態(tài)主要受空氣與其氣態(tài)蒸發(fā)物的擴(kuò)散或混合所控制?！?.煤的工業(yè)分析是指測(cè)定去掉外部水分的煤中主要成分碳、氫、氮、硫和氧等的含量?！了?非常規(guī)燃料據(jù)來(lái)源城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農(nóng)產(chǎn)物及農(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源合成燃料表2-3城市固體廢物制備燃料的方法燃料制備技術(shù)燃燒系統(tǒng)應(yīng)用舉例可能導(dǎo)致的空氣污染1.有用物品的分離特制的水冷壁堆積燃燒的焚燒爐－2.含鐵金屬的粉碎和磁分離特制的懸浮燃燒鍋爐顆粒物排放比堆積燃燒爐低，HCl、痕量碳?xì)浠衔?.粉碎、磁分離以及篩分、浮選和其他技術(shù)分離有色金屬和玻璃等RDF用于特制的懸浮燃燒鍋爐或供給現(xiàn)有的粉煤爐顆粒物排放量低，HCl、痕量烴4.將由3制得的RDF進(jìn)一步粉碎至200目的粉末供現(xiàn)有的煤粉爐排放物同35.將由3制得的RDF造?；蚰撼尚凸?yīng)或取代煤作層燃鍋爐燃料顆粒物排放較3低，HCl、痕量烴6.由未處理的城市廢物或RDF經(jīng)熱解制成固體、液體和氣體燃料各種常規(guī)燃燒設(shè)備燃燒污染物排放量隨燃燒物組分及燃燒器類型而變化第二節(jié)燃料燃燒過(guò)程一.影響燃燒過(guò)程的主要因素（一）燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物1.燃燒定義：可燃混合物的快速氧化過(guò)程，并伴隨著能量（光和熱）的釋放，同時(shí)使燃料的組成元素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氧化物的過(guò)程。2.燃燒產(chǎn)物（1）多數(shù)化石燃料完全燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水蒸氣；（2）不完全燃燒過(guò)程將產(chǎn)生黑煙、一氧化碳和其他部分氧化產(chǎn)物等大氣污染物；（3）若燃料中含有硫和氮，則會(huì)生成SO2和NO；（4）當(dāng)燃燒室溫度較高時(shí)，空氣中的部分氮也會(huì)被氧化成NOx，常稱為熱力型氮氧化物（thermalNOx）。（二）燃料完全燃燒的條件1.空氣條件2.溫度條件著火溫度：在氧存在下可燃物質(zhì)開(kāi)始燃燒所必須達(dá)到的最低溫度。923-1023甲烷853-873氫氣973-1073發(fā)生爐煤氣803-853重油713-773無(wú)煙煤593-643木炭著火溫度/K燃料表2-4燃料的著火溫度4.燃料與空氣的混合條件燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需要的時(shí)間3.時(shí)間條件（1）對(duì)于蒸氣相的燃燒，湍流可加速液體燃料的蒸發(fā)；（2）對(duì)于固體燃料的燃燒，湍流有助于破壞燃燒產(chǎn)物在燃料顆粒表面形成的邊界層，從而提高表面反應(yīng)的氧利用率，并使燃燒過(guò)程加速。燃料在燃燒室中的停留時(shí)間湍流度適當(dāng)?shù)目刂七@四個(gè)因素——空氣與燃料之比、溫度、時(shí)間和湍流度，是在大氣污染物排放量最低條件下實(shí)現(xiàn)有效燃燒所必須的，通常把溫度、時(shí)間和湍流稱為燃燒過(guò)程的“3T”。二.燃料燃燒的理論空氣量（一）理論空氣量：1.定義：?jiǎn)挝涣咳剂习慈紵磻?yīng)方程式完全燃燒所需要的空氣量，它可由燃料的組成決定，可根據(jù)燃燒方程式計(jì)算求得。2.燃燒化學(xué)反應(yīng)方程式（1）建立方程式的假定Ⅰ空氣僅是由氮和氧組成的，其體積比為79.1/20.9＝3.78；Ⅱ

燃料中的固定態(tài)氧可用于燃燒；Ⅲ

燃料中的硫主要被氧化為SO2；Ⅳ

熱力型NOx的生成量較小，計(jì)算理論空氣量時(shí)可忽略；Ⅴ

燃料中的氮在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2和NO，一般以N2為主；Ⅵ

燃料的化學(xué)式為CxHyNvSzOw，其中下標(biāo)x、y、z、w、v分別代表C、H、S、O和N的原子數(shù)。（2）燃料與空氣中氧完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式其中Q代表燃燒熱。（3）理論空氣量Va0(m3/kg)Va0=22.4×4.78(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)=107.1(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)m3/kg

例2-1計(jì)算辛烷(C8H18)在理論空氣量條件下燃燒時(shí)的燃料/空氣質(zhì)量比，并確定燃燒產(chǎn)物氣體的組成。

解：辛烷在理論空氣量條件下燃燒，可表示為

C8H18+12.5(O2+3.78N2)8CO2+9H2O+47.25N2辛烷的摩爾質(zhì)量為114，因此，在理論空氣量下燃燒時(shí)燃料/空氣的質(zhì)量比為mf

ma

=11412.5(32+3.78×28)=0.0662氣體的組成通常以摩爾分?jǐn)?shù)表示，它不隨氣體溫度和壓力變化。燃燒產(chǎn)物總摩爾數(shù)為：8+9+47.25=64.25。因此，辛烷燃燒產(chǎn)生的煙氣組成為yCO2=8/64.25=0.125=12.5%yH2O=9/64.25=0.140=14.0%yN2=47.65/64.25=0.735=73.5%

例2-2假定煤的化學(xué)組成以質(zhì)量計(jì)為：C:77.2%;H:5.2%;N:1.2%;S:2.6%;O:5.9%;灰分:7.9%。試計(jì)算這種煤燃燒時(shí)的理論空氣量。

解：首先由煤的質(zhì)量組成確定其摩爾組成。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，相對(duì)于C原子標(biāo)準(zhǔn)化其摩爾組成?；瘜W(xué)成分w/%單位質(zhì)量摩爾組成/[mol.(100g煤)-1]摩爾分?jǐn)?shù)/[mol.mol-1(C)]C77.2÷126.43÷6.431.00H5.2÷15.2÷6.430.809N1.2÷140.0857÷6.430.013S2.6÷320.0812÷6.430.013O5.9÷160.369÷6.430.057對(duì)于該種煤，其組成可表示為：CH0.808N0.013S0.013O0.057

燃料的摩爾質(zhì)量，即相對(duì)于每摩爾碳的質(zhì)量，包括灰分為M==15.55g/mol(C)1006.43gmol(碳)對(duì)于這種燃料的燃燒，則有CH0.809N0.013S0.013O0.057+a(O2+3.78N2)CO2+0.404H2O+0.013SO2+(3.78a+0.0065)N2其中a=1+0.808/4+0.013-0.057/2=1.19因此，理論空氣條件下燃料/空氣的質(zhì)量比：mf

ma

=15.55g/mol1.19(32+3.78×28)g/mol=0.0948若以單位質(zhì)量燃料（例如1kg）需要空氣的標(biāo)準(zhǔn)體積Va0表示，則有Va0=1.19×(1+3.78)mol

15.55g×1000g1kg×22.4×10-3m3/mol=8.19m3/kg一般煤的理論空氣量Va0＝4~9m3/kg，液體燃料的Va0＝10~11m3/kg例2-3某燃燒裝置采用煤作燃料，化學(xué)組成以質(zhì)量計(jì)為：C:85%;H:3%;N:2%;S:3%;O:4%;灰分:3%。確定該種煤燃燒時(shí)的理論空氣量。解1：由煤的質(zhì)量百分比組成確定其摩爾組成。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，相對(duì)于C原子標(biāo)準(zhǔn)化其摩爾組成。w/%單位質(zhì)量摩爾組成/[mol.(100g煤)-1]摩爾分?jǐn)?shù)/[mol.mol-1(C)]C85÷127.08÷7.081.00H3÷13.00÷7.080.424N2÷140.143÷7.080.020S3÷320.0938÷7.080.013O4÷160.250÷7.080.035對(duì)于該種煤，其組成可表示為：CH0.424N0.020S0.013O0.035

燃料的摩爾質(zhì)量，即相對(duì)于每摩爾碳的質(zhì)量，包括灰分為M==14.12g/mol(碳)1007.08gmol(碳)對(duì)于這種燃料的燃燒，則有CH0.424N0.020S0.013O0.035+a(O2+3.78N2)CO2+0.212H2O+0.013SO2+(3.78a+0.010)N2其中a=1+0.424/4+0.013-0.035/2=1.10Va0=1.10×(1+3.78)mol14.12g×1000g1kg×22.4×10-3m3/mol=8.34m3/kg解2：以1kg煤燃燒為基礎(chǔ)，則重量(g)摩爾數(shù)(mol)需氧數(shù)(mol)C85070.8370.83H30307.5S300.9380.938O402.5-1.25

所以理論需氧量為

則1kg煤完全燃燒所需要的理論空氣量為

78.02×(3.78+1)=372.94mol/kg煤

即Va0=372.94×22.4/1000=8.35m3/kg煤70.83+7.5+0.938-1.25=78.02mol/kg煤（二）空氣過(guò)剩系數(shù)α一般把超過(guò)理論空氣量多供給的空氣量稱為過(guò)?？諝饬浚褜?shí)際空氣量Va與理論空氣量Va0之比定義為空氣過(guò)剩系數(shù)α1.05-1.11.15-1.21.251.2懸燃爐－－1.3-1.51.3-1.4鏈條爐－－1.3-2.01.3-1.5手燒爐和拋煤機(jī)爐煤氣重油無(wú)煙煤煙煤燃燒方式表2-5部分爐型的空氣過(guò)剩系數(shù)α=VaVa0（三）空燃比AF單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量例如，甲烷在理論空氣下的完全燃燒：CH4+2O2+7.56N2CO2+2H2O+7.56N2空燃比：AF==17.22×32+7.56×281×16隨著燃料中氫相對(duì)含量的減少，碳相對(duì)含量的增加，理論空燃比隨之減少。例如汽油（～C8H18）的理論空燃比為15，純碳的約為11.5對(duì)于純的化合物,方程式中的下標(biāo)x、y、z、w和v為整數(shù)和零。而大多數(shù)燃料為可燃物質(zhì)的混合物，x、y等下標(biāo)可以取成分?jǐn)?shù)。燃料的通用分子式僅表示各種原子的相對(duì)豐度，而不是實(shí)際的分子結(jié)構(gòu)，但方程式仍然可以應(yīng)用。對(duì)于混合燃料，其下標(biāo)x、y等可由燃料的元素分析確定。三.燃燒產(chǎn)生的污染物二氧化碳、一氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物、煙、飛灰、金屬及其氧化物、金屬鹽類、醛、酮和稠環(huán)碳?xì)浠衔锏热紵磻?yīng)的最高溫度硫的氧化物氮的氧化物粉塵CO及燃燒的碳?xì)浠衔锱懦鑫飯D2-2燃燒產(chǎn)物與溫度的關(guān)系表2-6由1000MW電站排出的主要污染物0.520.67可忽略CH0.210.008可忽略CO20.8821.7012.08NOx139.0052.660.012SOx4.490.730.46顆粒物煤③油②氣①年排放量/106kg燃料種類污染物注：①假定每年燃?xì)?.9×109m3；②假定每年燃油1.57×109kg，油的硫含量為1.6％，灰分為0.05％；③假定每年耗煤2.3×109kg，煤的硫含量為3.5％，硫轉(zhuǎn)化為SOx的比例為85％，煤的灰分為9％。四.燃料設(shè)備的熱損失(一)發(fā)熱量1.定義:單位燃料完全燃燒時(shí)發(fā)生的熱量變化,即在反應(yīng)物開(kāi)始狀態(tài)和反應(yīng)產(chǎn)物終了狀態(tài)相同的情況下(通常為298K和101325Pa)的熱量變化，稱為燃料的發(fā)熱量，單位是kJ/kg(固體、液體燃料)，或kJ/m3(氣體燃料)。2.高位發(fā)熱量qH

:包括燃料燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱的發(fā)熱量。3.低位發(fā)熱量qL: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。qL=qH-25(9wH+wW)式中：發(fā)熱量以kJ/kg表示；wH，wW是燃料中氫和水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（二）燃料設(shè)備的熱損失1.排煙熱損失（1）一般鍋爐排煙熱損失為6％－12％；（2）影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度和排煙體積。2.不完全燃燒熱損失（1）化學(xué)不完全燃燒熱損失（2）機(jī)械不完全燃燒熱損失灰渣損失飛灰損失漏煤損失由于煙氣中含有殘余的可燃?xì)怏w（CO,H2,CH4）所造成損失量煤粉爐不超過(guò)0.5％，油爐和氣體爐為1-1.5％，層燃爐1％由于灰中含有未燃盡的碳所造成損失量煤粉爐1-1.5％，層燃爐5-15％，液體和氣體爐0％煙溫每升高12－15K，排煙熱損失可增加1％工業(yè)鍋爐的排煙溫度選取433-473K，大、中型鍋爐的排煙溫度選取383-453K3.爐體散熱損失鍋爐外表面積、絕熱層質(zhì)量、環(huán)境溫度和風(fēng)速4.空燃比對(duì)燃燒熱損失的影響空氣過(guò)量空氣不足理論空氣量熱量損失混合不良充分混合圖2-3燃燒熱損失與空燃比的關(guān)系不完全燃燒損失散熱損失排煙損失總損失第三節(jié)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（1）定義：在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積，以Vfg0表示。（2）煙氣組成：CO2、SO2、N2和水蒸氣。（3）把煙氣中除了水蒸氣以外的部分稱為干煙氣，把包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣稱為濕煙氣。（4）理論水蒸氣體積包括：燃料中氫燃燒后生成的水蒸汽體積燃料中所含的水蒸汽體積由供給的理論空氣量帶入的水蒸汽體積2.煙氣體積和密度的校正

若設(shè)觀測(cè)狀態(tài)下（溫度Ts、壓力ps）煙氣的體積為Vs、密度為ρs，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度TN、壓力pN）煙氣的體積為VN、密度為ρN，則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣體積：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣密度：3.過(guò)?？諝庑Ｕ鼵+O2+3.78N2CO2+3.78N2若空氣過(guò)量，則燃燒方程式變?yōu)镃+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2+aO2+(1+a)3.78N2其中a是過(guò)剩空氣中O2的過(guò)剩摩爾數(shù)。則空氣過(guò)剩系數(shù)若燃燒完全，假如燃燒產(chǎn)物以下標(biāo)p表示，則C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2p+O2p+N2p其中O2p=aO2N2p為實(shí)際空氣量中所含的總氮量。那么實(shí)際空氣量中所含的的總氧量為：理論需氧量則為0.264φ(N2p)-φ(O2p)，因此空氣過(guò)剩系數(shù)：假如燃燒不完全產(chǎn)生了CO，過(guò)剩氧量必須加以校正，即從測(cè)得的過(guò)剩的氧中減去氧化CO為CO2所需要的氧。即式中各組分的量均為奧薩特儀所測(cè)得的各組分的體積分?jǐn)?shù)。例如，奧薩特儀分析煙氣的結(jié)果為：CO2=10％，O2=4％，CO=1％，那么N2=85％，則所以考慮到過(guò)?？諝庑Ｕ瑢?shí)際煙氣體積：Vfg=Vfg0+Va0(α-1)作業(yè)：某城市某日的大氣污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：PM10=0.08mg/m3，SO2=0.58mg/m3，NO2=0.45mg/m3，CO=4mg/m3，O3=0.15mg/m3。請(qǐng)預(yù)報(bào)該城市空氣污染狀況。解：首先計(jì)算各污染指標(biāo)API分指數(shù)ρPM10,1=0.050mg/m3,ρPM10,2=0.150mg/m3,IPM10,1=50,IPM10,2=100;ρSO2,2=0.150mg/m3,ρSO2,3=0.800mg/m3,ISO2,2=100,ISO2,3=200;ρNO2,3=0.280mg/m3,ρNO2,4=0.565mg/m3,INO2,3=200,INO2,4=300;ρCO,0=0，ρCO,1=5mg/m3，ICO,0=0，ICO,1=50;ρO3,1=0.120mg/m3,ρO3,2=0.200mg/m3,IO3,1=50,IO3,2=100。查表1-6可知該城市空氣污染指數(shù)API=260，NO2為該城市的首要污染物，空氣污染級(jí)別為Ⅳ級(jí)，屬于中度污染。1.非常規(guī)燃料能夠在某些領(lǐng)域代替日益減少的化石燃料的供應(yīng)，同時(shí)也是處理廢物的有效方式，因此應(yīng)不加限制的大力推廣?！?.燃料燃燒過(guò)程的3T指的是什么？溫度、時(shí)間和湍流3.建立燃燒反應(yīng)方程式的假定有哪些？Ⅰ空氣僅是由氮和氧組成的，其體積比為79.1/20.9＝3.78；Ⅱ

燃料中的固定態(tài)氧可用于燃燒；Ⅲ

燃料中的硫主要被氧化為SO2；Ⅳ

熱力型NOx的生成量較小，計(jì)算理論空氣量時(shí)可忽略；Ⅴ

燃料中的氮在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2和NO，一般以N2為主；Ⅵ

燃料的化學(xué)式為CxHyNvSzOw，其中下標(biāo)x、y、z、w、v分別代表C、H、S、O和N的原子數(shù)。4.若燃料的化學(xué)式為CxHyNvSzOw，則燃料燃燒反應(yīng)方程式如何建立？理論空氣量如何計(jì)算？Va0=22.4×4.78(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)=107.1(x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w+14v)m3/kg5.要使燃料在懸燃爐中完全燃燒，煤炭比煤氣所需的過(guò)剩空氣量要大?！?.隨著燃料中碳?xì)浔鹊臏p少，理論空燃比隨之減少?！痢?.導(dǎo)致燃料設(shè)備熱損失的主要原因有哪些？排煙、不完全燃燒和爐體散熱9.理論水蒸氣體積由哪三部分構(gòu)成？燃料中氫燃燒后生成的水蒸汽體積燃料中所含的水蒸汽體積由供給的理論空氣量帶入的水蒸汽體積7.燃料燃燒釋放的高位發(fā)熱量是指燃燒產(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。10.使用奧薩特儀分析某燃料燃燒后的煙氣組成為：φ(CO2)=9％，φ(O2)=6％，φ(CO)=2％，該燃料燃燒時(shí)的空氣過(guò)剩系數(shù)如何計(jì)算？11.如何對(duì)煙氣體積進(jìn)行過(guò)?？諝庑Ｕ?？Vfg=Vfg0+Va0(α-1)二.污染物排放量的計(jì)算

例2-4某燃料裝置采用重油作燃料，重油成分分析結(jié)果如下(按質(zhì)量)：C88.3%；H9.5%；S1.6%；H2O0.05%；灰分0.1%。若燃料中硫全部轉(zhuǎn)化為SOx(其中SO2占97%)。

求：1）燃燒1kg重油所需要的理論空氣量；

2）當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)α=1.2時(shí)煙氣中SO2和SO3濃度，以10-6表示；

3）此時(shí)干煙氣中CO2的含量，以體積分?jǐn)?shù)表示。

解：以1kg重油燃燒為基礎(chǔ)，則

所以理論需氧量為重量(g)摩爾數(shù)(mol)需氧數(shù)(mol)煙氣量(mol)C88373.5873.58CO2(73.58)H959523.75H2O(47.5+0.0278)S160.50.5SO2(0.5)H2O0.50.02780N2(97.83×3.78)73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油

則1kg重油完全燃燒所需要的理論空氣量為97.83×(3.78+1)=467.63mol/kg重油

即Va0=467.63×22.4/1000=10.47m3/kg重油

理論煙氣量為73.58+(47.5+0.0278)+0.5+97.83×3.78=491.4mol/kg重油

即Vfg0=491.4×22.4/1000=11.01m3/kg重油

那么實(shí)際煙氣體積Vfg=Vfg0+Va0(α-1)=11.01+10.47(1.2-1)=13.10m3/kg重油煙氣中SO2的體積為:SO3體積為:所以煙氣中SO2和SO3的濃度分別為：ρSO2=(0.0109/13.10)×106=832×10-6ρSO3=(3.36×10-4/13.10)×106=25.6×10-6當(dāng)α=1.2時(shí)，干煙氣量為：[491.4-(47.5+0.0278)]×+10.47×(1.2-1)=12.04m3/kg重油22.41000CO2的體積為：22.41000所以干煙氣中CO2的含量以體積計(jì)為：1.64812.040.5×0.97×22.4/1000=0.0109m3/kg重油0.5×0.03×22.4/1000=3.36×10-4m3/kg重油73.58×=1.648m3/kg重油×100=13.69%

例2-5已知某電廠煙氣溫度為473K，壓力為96.93kPa，濕煙氣量Q=10400m3/min，含水汽6.25%(體積)，奧薩特儀分析結(jié)果是：CO2=10.7%,O2=8.2%,不含CO。污染物排放的質(zhì)量流量是22.7kg/min。求：1）污染物排放的質(zhì)量流量（以t/d表示）；

2）污染物在煙氣中的濃度；

3）燃燒時(shí)的空氣過(guò)量系數(shù);4）校正至空氣過(guò)剩系數(shù)α=1.4時(shí)污染物在煙氣中的濃度。

解：1）污染物排放的質(zhì)量流量：22.7××24×=32.7t/dkgmin60minhhdt1000kg2）干煙氣量

污染物濃度Qd=10400×(1-0.0625)=9750m3/minρ=22.7×106/9750＝2328.2mg/m3

修正為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的濃度：3）空氣過(guò)剩系數(shù)：4）校正至空氣過(guò)剩系數(shù)α=1.4條件下的污染物濃度：

根據(jù)近似推算校正Φ(N2p)=100-10.7-8.2=81.1第四節(jié)燃燒過(guò)程硫氧化物的形成一.燃料中硫的氧化機(jī)理（一）燃料中硫的氧化（1）揮發(fā)出的有機(jī)硫遇到氧氣時(shí)，全部氧化為SO2和少量的SO3。（2）還原氣氛下，揮發(fā)出的主要是H2S、COS和CS2，燃燒過(guò)程中也會(huì)氧化為SO2。1.有機(jī)硫自學(xué)為主2.無(wú)機(jī)硫（1）還原氣氛、溫度<800K以及足夠停留時(shí)間的條件下，無(wú)機(jī)硫?qū)⒎纸鉃镕eS、S2和H2S。（2）生成的FeS在更高的溫度下(≥1700K)和更長(zhǎng)的時(shí)間才能分解，分解產(chǎn)物為Fe、S2和COS。（3）最后氧化成SO2或SO3，一部分FeS殘留在焦炭中。（二）H2S的氧化1.H2S被消耗；O+H2SSO+H2SO+O2

SO2+OO+H2SOH+SH2.SO濃度減少，OH濃度達(dá)到其最大值，SO2達(dá)到其最終濃度；3.當(dāng)氫濃度達(dá)到最大值時(shí)，水的濃度開(kāi)始上升。H2+OOH+HH+O2OH+OOH+H2

H2O+HSO2和H2O（三）CS2和COS的氧化CS2+O2CS+SOOCS+O2

CO+SOSO+O2

SO2+OCS+OCO+SO+CS2CS+SOO+CS2COS+SS+O2SO+O1.CS2的氧化SO2和CO2.COS的氧化COS+hv

CO+SS+O2SO+OO+COSCO+SOSO+O2

SO2+O（四）元素S的氧化S8S7+SS+O2SO+OS8+O2SO+S+S6SO+OSO2*SO2+hvSO+O2

SO2+OSO2+O2

SO3+OSO2+O+MSO3+M純硫氧化的唯一特點(diǎn)在于生成的SO3占SOx的百分比較通常情況高得多(約20%)SO2和SO3（五）有機(jī)硫化物的氧化RCH2SSCH2R+O2RCH2SSCHR+HO2RCH2SSCHRRCH2S+RCHSRCH2S+RHRCH2SH+RRCH2SH+O2RCH2S+HO2RCH2S+O2RCH2+SO2SO2二.SO2和SO3之間的轉(zhuǎn)化SO2+O+MSO3+Mk1

（1）SO3+HSO2+OHk3（3）SO3+OSO2+O2k2（2）SO3+MSO2+O+Mk4（4）（一）熾熱的反應(yīng)區(qū)d[SO3]dt=k1[SO2][O][M]-k2[SO3][O][SO3]max=k1[SO2][M]k2SO3的最大值為SO2濃度的0.1％-5％（二）在富燃料的碳?xì)浠衔锘鹧嬷衃SO3]max=k1[SO2][M][O]k3[H]（四）金屬氧化物催化條件下V2O5+SO2V2O4+SO32SO2+O2+V2O42VOSO42VOSO4V2O5+SO3+SO2在富釩的燃料油燃燒煙氣中SO3的產(chǎn)生量高達(dá)30%（三）在貧燃料的碳?xì)浠衔锴业蜏鼗鹧嬷蠸O3最終濃度是SO2濃度的1/40-1/80（五）燃料燃燒后煙氣中含有水蒸氣時(shí)SO3向H2SO4轉(zhuǎn)化的份額x定義為x=100PH2SO4/(PSO3+PH2SO4)（％）5010015020020406080100溫度/℃SO3向H2SO4轉(zhuǎn)化率/％圖2-4SO2向H2SO4的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系圖2-5煙氣的酸霧點(diǎn)曲線（水蒸氣含量11％，1atm）60100140200-9-8-7-6-5酸露點(diǎn)/℃lgPH2SO4-4-3-28012016018010-6H2SO410-5H2SO410-4H2SO4（六）特殊環(huán)境下，硫與無(wú)機(jī)組分的反應(yīng)可以將硫固定在固相中CaO(s)+SO2+1/2O2=CaSO4(s)第五節(jié)燃燒過(guò)程中顆粒污染物的形成一.碳粒子的形成燃燒過(guò)程中由氣相反應(yīng)生成主要成分為碳的粒子稱為積炭，而由液態(tài)烴燃料高溫分解產(chǎn)生的主要成分為碳的粒子則稱為結(jié)焦或煤胞。自學(xué)為主（一）積炭的生成1.特點(diǎn)：至少含有1％(重量)的氫，可用C8H表示，由大量粗糙的球形粒子組成，直徑在100-2000A范圍。2.過(guò)程（1）核化過(guò)程：發(fā)生氣相脫氫反應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳（2）在這些核表面上發(fā)生一些非均質(zhì)反應(yīng)（3）聚團(tuán)或凝聚過(guò)程3.擴(kuò)散火焰比預(yù)混火焰產(chǎn)生的積炭多（1）擴(kuò)散火焰中的碳生成順序：萘>苯>炔>雙烯>單烯>烷芳香烴>炔烴>烯烴>烷烴（2）預(yù)混火焰中的碳生成順序：萘>苯>醇>烷>烯>醛>炔4.如何防止積炭產(chǎn)生（1）盡量使用預(yù)混火焰（2）碳?xì)浠衔锶剂吓c足量的氧混和（3）降低燃燒爐的壓力（4）在燃料油中加入鎳或堿土金屬鹽燃料和氧化劑在進(jìn)入火焰區(qū)之前已經(jīng)均勻混合的火焰稱為預(yù)混火焰

燃料和氧化劑的混合在燃燒過(guò)程中進(jìn)行，即邊混合邊燃燒所產(chǎn)生的火焰稱為擴(kuò)散火焰

（二）石油焦和煤胞的生成1.燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，會(huì)導(dǎo)致液相裂化，接著發(fā)生高溫分解，最后出現(xiàn)結(jié)焦。由此出現(xiàn)的碳粒叫石油焦。2.煤胞的產(chǎn)生（1）多組分重殘油燃料液滴燃燒的后期生成的難以燃燒的焦粒稱為煤胞。外形為微小空心的球形粒子，粒徑10-300μm。（2）生成反應(yīng)順序：烷烴烯烴帶支鏈芳香烴凝聚環(huán)系柏油瀝青半圓體瀝青瀝青焦焦炭二.燃煤煙塵的形成固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物稱為煙塵，包括黑煙和飛灰。黑煙主要是未燃盡的炭粒，飛灰則主要是燃料所含的不可燃礦物質(zhì)微粒。（一）煤粉燃燒過(guò)程圖2-5在表面燃燒碳層中，氣體成分和溫度的分布0.5-0.01.0∞2000質(zhì)量百分比/％T/KTCOCO2O2CO2+C2CO（二）黑煙的產(chǎn)生1.若燃燒條件理想，煤可以完全燃燒，完全氧化為CO2等氣體，余下的為灰分。如果燃燒不理想，煤不但燃燒不好，且在高溫下發(fā)生熱解，易產(chǎn)生黑煙。2.當(dāng)碳與氧的摩爾比接近1.0時(shí)，最易產(chǎn)生黑煙。3.影響黑煙產(chǎn)生的因素（1）燃燒裝置：手燒爐>下飼式加煤機(jī)>鏈條爐>煤粉爐和沸騰爐（2）煤的種類和質(zhì)量：無(wú)煙煤<焦炭<褐煤<低揮發(fā)分煙煤<高揮發(fā)分煙煤（3）灰分層：增加空氣擴(kuò)散阻力4.減少黑煙的主要途徑（1）改善燃料和空氣的混合（2）保證足夠高的燃燒溫度（3）保證碳粒在高溫區(qū)必要的停留時(shí)間（三）影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素1.燃燒方式表2-7幾種燃燒方式的煙塵占灰分比燃燒方式占燃料中的灰分/％手燒爐15-20鏈條爐15-20拋煤機(jī)爐（機(jī)械風(fēng)動(dòng)）24-40沸騰爐40-60煤粉爐75-85表2-6幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況飛灰顆粒組成手燒爐排/%鏈條爐/%拋煤機(jī)爐/%煤粉爐/%沸騰爐/%<10μm的含量57