第02章 燃烧与大气污染.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 燃烧与大气污染,主要的大气污染物：烟尘、,NOx,和,SO,2,源于燃料燃烧,燃料燃烧过程的基本原理；,空气量、烟气量、污染物排放量等的计算,污染物的生成机理；,如何控制燃烧过程，以便减少污染物的排放量。,本章主要内容,一、燃料的分类,按获得方法分,按物态分,天然燃料,人工燃料,固体燃料,木柴、煤、油页岩,木炭、焦炭、煤粉等,液体燃料,石油,汽油、煤油、柴油、重油,气体燃料,天然气,高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气,燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质，主要是含碳物质或碳氢化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、天然气、发生炉煤气等。,第一节 燃料,（一）固体燃料,煤,煤是最重要的固体燃料。它是由地质时代植物遗体堆积在大陆湖盆、沼泽盆地、封闭海湾等地方，经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的固体可燃矿产。,根据煤化程度的不同，可分为褐煤、烟煤和无烟煤等。,1,、煤的基本分类,煤的种类和性质,煤的种类,主要性质,褐煤,形成年代最短，呈黑色、褐色或泥土色，结构类似木材，挥发分较高，析出温度较低，干燥后无灰的褐煤中碳的含量为,60%-75%,，氧含量为,20%-25%,，褐煤的水分和灰分含量都较高，燃烧热值较低，不能用于制焦碳，易于破裂。,烟煤,形成历史较褐煤更长，呈黑色，外形有可见条纹，挥发分含量为,20%-45%,，碳含量为,75%-90%,。烟煤的成焦性较强，且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，适于工业上的一般应用。,无烟煤,煤化时间最长，具有明亮的黑色光泽，机械强度高。碳的含量一般高于,93%,，无机物含量一般低于,10%,，着火困难，储存时不稳定，不易自燃，成焦性极差。,煤中硫的,分类,煤中,硫的,分类,存在形态及主要性质,硫化铁硫,主要代表为黄铁矿硫，是煤中主要的含硫成分。黄铁矿比矸石和煤重得多；本身虽无磁性但在磁场感应下能转变为磁性物质；和煤碳相比有不同的微波效应，吸收微波能力较强，据此可采用不同的物理和化学方法，把黄铁矿从煤中脱除。,有机硫,原生,有机硫,来源于形成煤的植物蛋白质的原生质，一般蛋白质含硫量为,5%,，以各种不同形式的含硫杂环存在,有机硫主要以噻吩、芳香基硫化物、环硫化物、脂肪族硫化物、二硫化物、硫醇等各种官能团形式存在，且与煤中有机硫构成复杂分子，不宜用一般重力分选的方法除去，需用化学方法进行脱硫。,次生,有机硫,是由,一种松懈的键与煤中有机物构成的有机联系。在煤中分布不均匀，主要局限于黄铁矿包裹体的周围。,硫酸盐硫,主要以钙、铁和锰的硫酸盐形式存在，以石膏,为主，也有少量绿矾（,FeSO,4,.7H,2,O,），,在煤中含量较少。,天然液体燃料,石油（原油）,人工液体燃料,石油加工后的产品，包括汽油、煤油、柴油、重油等,（二）液体燃料,属于较清洁燃料，热值高且稳定，燃烧产生的污染物较少,（三）气体燃料,是防止大气污染最理想的燃料，燃烧效率高，产生的污染物很少。,主要有天然气、液化石油气、裂化石油气、煤气、高炉煤气等,非常规燃料,城市固体废弃物；,商业和工业固体废弃物；,农业废物及农村废物；,水生植物和水生废物；,污泥处理厂废物；,可燃性工业和采矿废物；,天然存在的含碳的和含量碳氢的资源；,合成燃料,煤的,组成及分析方法,项目,煤矿的组成,分析测定方法,工业分析,水分,外部水分,称取,一定量的,13mm,以下粒度的煤样，置于干燥箱内，在,318K-323K,温度下干燥,8h,，,取出冷却，干燥后所失去的水分质量，占煤样原质量的百分数就是煤矿的外部水分。,内部水分,将,失去外部水分的煤样继续在,375K-380K,下干燥约,2H,，,所失去水分质量占原来质量的百分数即为内部水分。,灰分,煤矿中不可燃矿物质的总称，其含量和组成因煤种及粗加工的不同而异。,挥发分,系,煤矿干馏时所释放出的气态可燃物质，将风干的煤样在,1200K,的炉中加热,7,分钟而测定。,固定碳,从煤中,扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分就是固定碳。,元素分析,碳和氢,是,通过燃烧后分析尾气中二氧化碳和水分的生成量而测定。,氮,在,催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。,硫,将,样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物上加热，使硫化物转变为硫酸盐，再以重量法测定硫酸钡沉淀而测得。,二、燃料的成分分析,二、燃料的发热量,指单位燃料完全燃烧后产生的热量，单位为,kJ/kg,（固体、液体燃料）或,kJ/m,3,（气体燃料）。,高位发热量：,包括燃料生成物中水蒸气的汽化潜热,低位发热量：,燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量。,一般燃烧设备利用的热量是低位发热量,W,H,W,W,：燃料中氢和水分的质量百分数,第二节 燃料的燃烧,一、燃烧过程,燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化成为相应的氧化物。,燃烧产物,完全燃烧：,CO,2,、,H,2,O,不完全燃烧：,CO,2,、,H,2,O&CO,、,黑烟及其他部分氧化产物,如果燃料中含有,S,和,N,，,则会生成,SO,2,和,NO,x,空气中的部分,N,可能被氧化成,NO,热力型,NO,x,二、燃烧的基本条件,温度条件,（,Temperature,）：,燃料只有达到,着火温度,才能与氧化合燃烧。着火温度是在氧存在下可燃物质开始燃烧所必须达到的最低温度。,着火温度：固体,液体,气体,温度不仅影响燃烧速率，还影响产物的成分和数量,。,空气条件：,需要充足的空气；如果空气供应不足，燃烧就不完全。但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失,典型锅炉热损失与过剩空气量的关系,时间条件,（,Time,）：,燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间,燃料与空气的混合条件,（,Turbulence,）：混合条件即燃料与空气的混合程度，一般取决于空气的湍流度。若混合不充分，部分燃料在富燃条件下燃烧，,将导致不完全燃烧产物的产生,。,对于固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层，从而提高表面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。,通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三,T”,三、燃料燃烧的理论空气量,建立燃烧方程式的假定：,空气组成,21%O,2,和,79%N,2,，体积比为：,N,2,/O,2,=,3.762,参加反应的元素为,C,、,H,、,S,、,O,。燃料中固定氧可用于燃烧,燃料中硫主要被氧化为,SO,2,热力型,NO,X,生成量小，燃料中含,N,量也较低，均可忽略。,燃料化学式为,C,x,H,y,S,z,O,w,，计算中气体按理想气体计算,（一）理论空气量,单位量燃料按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需空气量称为理论空气量,，,是燃料完全燃烧时所需的最小空气量。由燃料的组成决定，可根据,燃烧方程式,计算求得。,燃烧方程式：,3.76,3.76,理论空气量的计算式,对气体燃料，按化学组分,气体燃料燃烧理论空气量，,m,3,/,（,m,3,干燃气）,i,成分的体积分数,对气体燃料，按元素组成计算,固、液体燃烧的理论空气量，,m,3,/,（,kg,燃料）,W,c,y,等,燃料中碳等的质量分数,（二）实际空气量,为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量。并,把实际空气量,V,a,与理论空气量,V,a,0,之比定义为空气过剩系数,，即,（三）空燃比（,AF,）,指单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可由燃烧方程式直接得到。,例如甲烷在理论空气量下的完全燃烧：,CH,4,+2O,2,+7.52N,2,CO,2,+2H,2,O+7.52N,2,其空燃比为,例：,假定煤的化学组成以质量计为：,C:77.2%,，,H:5.2%,，,N:1.2,，,S:2.6%,，,O:5.9%,，灰分,:7.9%,。试计算这种煤燃烧时的理论空气量。,解：首先确定煤的摩尔组成。设有,1000g,煤。,g/1000g(,煤,),mol/1000g(,煤,),需氧量,mol/1000g(,煤,),C,772,12,64.3,64.3,H,52,1,52,13,N,12,14,0.857,0,S,26,32,0.812,0.812,O,59,16,3.69,-1.845,灰分,79,0,a=x+y/4+z-w/2=64.3+13+0.812-1.845=76.27,mol,1 kg,煤需要的理论氧气量,a,为：,按式（,2-2,）计算，则有：,=8.8810.772+3.3290.026+26.4570.052-3.3330.059,6.856+0.087+1.376-0.197,8.12m,3,/kg,四、燃烧产生的污染物,燃料燃烧过程并不那么简单，还有分解和其他的氧化、聚合过程。,燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体（主要是,N,2,）等组成。,燃烧可能释放出的污染物有：,CO,2,、,CO,、,SOx,、,NOx,、炭黑、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物等。这些都是有害物质，它们的形成与燃烧条件有关。,燃烧产物与,温度,的关系：,温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响,燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响,燃烧设备的热损失,排烟热损失：烟温升高,1215K,，排烟热损失增加,1%,。但烟温过低会造成受热面的酸腐蚀。,不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。,散热损失：由于设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。,第三节 燃烧过程污染物排放量计算,一、烟气量计算,（一）理论烟气量,在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积。,烟气成分主要是,CO,2,、,SO,2,、,N,2,和水蒸气，通常分为干烟气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽）。,1,、气体燃料的理论烟气量,理论干烟气量,理论湿烟气量：见,p28,式（,2-5,）,m,3,/m,3,干燃气,2,、固体和液体燃料,理论干烟气量,m,3,/kg,燃料,理论湿烟气量：见,p28,式（,2-7,）,（二）实际烟气量的计算,实际烟气量理论烟气量过剩空气量,V,f,=V,f,0,+(-1)V,a,0,二、污染物排放量计算,通过测定烟气中污染物的浓度，根据实际排烟量，很容易计算污染物的排放量。,但在很多情况下，,需要根据同类燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状态，预测烟气量和污染物浓度。,组分,质量,/g,摩尔数,/mol,需氧量,/mol,产生烟气量,/mol,C,855,71.25,71.25,71.25,（,CO,2,）,H,113,113,28.25,56.5,（,H,2,O,）,N,2,0.14,0,0.07,（,N,2,）,S,10,0.3125,0.3125,0.313,（,SO,2,）,O,20,1.25,-0.625,练习,重油的成分分析如下：,C,：,85.5%,；,H,：,11.3%,；,O,：,2.0%,；,S,：,1.0%,；,N,：,0.2%,；计算：理论空气量和理论烟气时；干烟气中的,SO,2,及,CO,2,最大浓度；在空气过剩,10%,条件下完全燃烧，产生的烟气量。,解：按燃烧,1kg,重油计算,a,=71.25+28.25+0.313-0.625=99.19,mol,干烟气量为,（,501.1-56.5,）,444.6,mol/kg,重油,9.96m,3,/kg,重油,（,1,）,1,kg,重油需要的理论氧气量,a,为：,理论空气量为,4.7699.19=472.1mol/kg,煤,10.58m,3,/kg,重油,过剩空气量为,10.580.1=1.058,m,3,/kg,重油,实际烟气量,=,理论烟气量,+,过剩空气量,=11.22+1.058=12.28m,3,/,重油,（,3,）在,10%,过剩空气中燃烧：,（,2,）干烟气中,SO,2,浓度（体积比）：,0.313/(444.6)=0.07%,CO,2,浓度（体积比）：,71.25/(444.6)=16.0%,第四节 燃烧过程中污染物的生成与控制,一、,燃烧过程中硫氧化物的生成与控制,1.,单体硫的氧化,2,.,硫化物的氧化,3.,有机硫化物的氧化,上述可燃性硫在燃烧时,主要生成,SO,2,。只有,1%,至,5%,生成,SO,3,4.,硫酸盐硫不参与燃烧反应,（一）硫氧化物的氧化机理,控制燃烧产生的硫氧化物主要通过以下三个途径,:,燃烧前脱硫,燃烧中脱硫,燃烧后烟气脱硫,（二）,硫氧化物的控制,1,、燃料脱硫,燃烧前脱硫即对燃料进行脱硫，因此亦称之为燃料脱硫。燃料在燃烧前脱硫，可以降低燃烧器改进、烟气脱硫费用，减少设备腐蚀及灰渣处理量，还可回收部分硫资源。,1,）煤炭脱硫,固型加工,物理选煤：,利用黄铁矿硫和煤的密度不同而通过重力分选和水选将黄铁矿硫和部分矿物质除去。这样可使煤的含硫量降低,40%,，灰份降低,70%,左右。,化学选煤技术：,加氢脱硫、加氧脱硫、用碱液浸煤后用微波照射等。,微生物方法：,细菌脱硫,煤炭的转化,煤炭转化,煤,液化,一定温度和压力下，通过加入气化剂将煤转化为煤气,将煤转化为液体燃料,煤气化,煤的气化,采用空气、氧气和水蒸气作为气化剂，在气化炉内反应生成不同组分不同热值的煤气（,H,2,、,CO,、,CH,4,）。,S,主要以,H,2,S,形式进入煤气，以湿法或干法脱除。,煤的液化,通过化学加工（如直接催化加氢、热解）转化为液态烃燃料（如汽油、柴油等）或化工原料等。,煤可用各种方法加氢使之液化，并使有机硫转化为硫化氢，从而得到几乎不含灰分和硫化物的清洁燃料。,2,）重油脱硫,在催化剂（,Mo-Co,、,Mo-Ni,、,W-Ni,等）作用下通过高压加氢反应，切断碳与硫的化学键，使氢与硫作用形成,H,2,S,从,重油中分离，并将其用吸收法除去。,如,RSR+2H,2,=2RH+H,2,S,2,、燃烧过程脱硫,（,1,）型煤技术,型煤固硫的基本原理：将脱硫剂,CaO,和煤粉末混合，加上粘结剂（如沥青、无硫纸浆黑液等）、催化剂，然后加压成型。型煤燃烧时产生的,SO,2,气体遇到脱硫剂中的,CaO,就会发生脱硫反应。,型煤燃烧时，可固硫,50%,，减少烟尘,60%,，并节煤,1015%,。,在我国，采用燃烧过程脱硫的技术主要有两种,型煤固硫和流化燃烧脱硫技术,概述,固体的流态化,把粒径,8mm,以下的碎煤和脱硫剂加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层处于流化状态。,流化床燃烧过程中脱硫：采用石灰石和白云石作为脱硫剂。在燃烧过程中脱硫剂分解为石灰,CaO,，,在氧化性气氛下,CaO,与烟气中的,SO,2,和氧反应生成,CaSO,4,。将燃烧产生的,SO,2,在离开燃烧器之前被脱除，是比较有效的脱硫方法。,当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。,（,2,）流化床燃烧脱硫技术,流化床燃烧脱硫,流化床脱硫的化学过程,脱硫剂：石灰石（,CaCO,3,）、,白云石（,CaCO,3,MgCO,3,）,炉内化学反应,流化床燃烧方式为脱硫提供了理想的环境,CaSO,4,的摩尔体积大于,CaCO,3,，,由于孔隙堵塞，,CaO,不可能完全转化为,CaSO,4,流化床燃烧脱硫,流化床燃烧脱硫的影响因素,钙硫比,表示脱硫剂用量的指标，影响最大的性能参数,Ca/S,比（,R,）对脱硫率（,）的影响,可用下式近似表达,煅烧温度,存在最佳脱硫温度范围（,一般为,800850,）,温度低时，孔隙量少、孔径小，反应被限制在颗粒外表面,温度过高，,CaCO,3,的烧结作用变得严重,钙硫比及温度的影响,流化床脱硫效率与钙硫摩尔比和床温的关系,温度的影响,a,流化床脱硫效率与钙硫摩尔比和床温的关系,b,脱硫效率与流化速度的关系,脱硫剂的颗粒尺寸和孔隙结构,颗粒尺寸小于临界尺寸时脱硫剂发生扬析，脱硫率仍是增加的，但综合考虑，颗粒尺寸并非越小越好,颗粒孔隙结构应有适当的孔径大小，既保证一定孔隙容积，又保证孔道不易堵塞,脱硫剂的种类,白云石的孔径分布和低温煅烧性能好，但易发生爆裂扬析，且用量大于石灰石近两倍,当气流通过颗粒层时，一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走，这一过程称为扬析。,二、,燃烧过程中氮氧化物的生成与控制,（一）,燃烧过程中氮氧化物生成的影响因素,1,、燃料型,NO,x,燃料中的固定氮生成的,NO,x,研究表明，燃料中,20%80%,的氮转化为,NO,x,，该机理是较低温度下常见的氮氧化物生成机制,2,、热力,型,NO,x,高温,下,N,2,与,O,2,反应生成的,NO,x,低于,1273K,热力型,NO,X,生成量很小，高于,1373K,上是生成,NO,X,的主要时机。温度对热力型,NO,X,的生成具有决定作用。,3,、瞬时型,NOx,低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的,NOx,碳氢化合物燃烧时，分解成,CH,、,CH,2,和,C,2,等基团，与,N,2,发生如下反应,继而与火焰中的,O,、,OH,基团反应生成,NOx,。瞬时型,NOx,主要产生于,HC,含量较高，氧浓度较低的富燃料区。多发生在内燃机的燃烧过程中。,（二）,燃烧过程中氮氧化物生成的控制技术,控制,NO,x,形成的因素,空气燃料比,燃烧区温度及其分布,后燃烧区的冷却程度,燃烧器形状,1,、低氧燃烧,降低,NO,x,的同时提高锅炉热效率,但造成,CO,、,HC,、,碳黑产生量增加,2,、降低助燃空气预热温度,燃烧空气由,27,o,C,预热到,315,o,C,，,NO,排放量增加,3,倍,3,、排烟再循环法,将部分低温烟气与空气混合，使火焰温度及,O,2,浓度降低，使,NO,x,的生成受限。对热力型,NO,x,的降低有明显效果。适用于含,N,量少的燃料。,4,、两段燃烧法,该法是燃烧过程中分两次供给空气,第一段：供给的空气量约为,V,a,0,的,8590%,。一级燃烧区温度降低，氧气量不足，,NO,x,生成量很小。,第二段：第二次供给的空气量约为,V,a,0,的,1015%,。,CO,、,HC,完全燃烧，烟气温度低,实验表明：第一段过剩空气系数越小，,NO,x,的控制效果越好，但不完全燃烧产物增加。第二段主要完成未燃燃料和不完全燃烧产物的燃烧。,三、燃烧过程中颗粒污染物的形成与控制,（一）碳粒子的生成与控制,（,1,）积炭的生成,三阶段理论：,核化过程：,气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳；,核表面上发生非均质反应；,较为缓慢的凝团和凝聚过程。,1,、积炭的生成及控制,53,燃烧过程中生成一些主要成分为碳的粒子，通常由气相反应生成积炭，由液态烃燃料高温分解产生的粒子都是结焦或煤胞,（,2,）积炭的影响因素及控制：,取决于核化步骤和氧化这些中间体的反应速率,燃料的分子结构,是影响积炭的主导因素；,提高氧气量可以防止积炭生成；,压力越低则积炭的生成趋势越小；,积炭的生成与,火焰的结构以及碳氢比的综合作用,有关。,（,1,）生成,燃料油滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相裂化和高温分解，出现结焦（,石油焦,比积碳更硬的物质）；油滴蒸发后残留的焦粒,煤胞,，难以燃烧，其大小与油滴直径相关；,（,2,）控制,控制壁面温度可减少其生成；,喷嘴雾化保持良好；,注意燃烧空气量的控制,2,、石油焦和煤胞的生成与控制,55,（二）燃煤烟尘的形成,烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：,黑烟：未燃尽的碳粒，煤粉燃烧时，碳粒表面温度和氧含量相对较低。如果燃烧不够理想，煤粉在高温下发生热解作用，产生多环化合物，这样就会冒黑烟。,飞灰：不可燃矿物质微粒，煤粉燃烧时，灰层中的部分灰分被气流裹胁，最终以飞灰形式排放。理想的燃烧条件下，几乎不产生黑烟，因此燃煤烟气产生的烟尘主要成分是飞灰。,四、燃烧过程中其它污染物的形成和控制,（一）的形成与控制,形成原因：供氧不足,空燃比太低,燃气混合不均,控制措施,保持合适的空燃比,保证燃气充分混合,保证足够的停留时间,（二）有机污染物的形成与控制,形成原因：燃料燃烧不完全,低温（,1000K,）,空气供应不足,混合不充分,（苯系物、脂肪烃、多环芳烃）,控制措施,提高温度,空气供应过量,混合充分,（只考虑,CH,时）,燃烧设备分类,燃料是在炉子中燃烧的，炉子作为锅炉的燃烧设备，有多种形式。按照燃烧方式的不同，,可划分为如下三类：,层燃炉,燃料被层铺在炉排上进行燃烧的炉子，也叫,火床炉,。是,目前国内供热锅炉,中采用最多的一种燃烧设备，常用的有,手烧炉、风力机械抛煤机炉、链条炉排炉，,以及往复炉排炉和振动炉排炉等多种形式。,流化床炉,燃料在炉膛中被气流托起携带呈上下翻滚沸腾状燃烧的炉子，又名,沸腾炉,。是目前能脱硫、脱氮和燃用几乎所有固体燃料的一种高效、清洁燃烧设备。,室燃炉,燃料呈雾状细颗粒随空气喷入炉内呈悬浮状燃烧的炉子，又名,悬燃炉,，如燃用煤粉的,煤粉炉,，燃用液体、气体燃料的燃油炉和燃气炉。,我国是以煤为主要能源的国家，锅炉配置的燃烧设备主要是,层燃炉和煤粉炉,。对于供热锅炉主要是层燃炉，并以链条炉排炉作为代表形式。对于,电站锅炉,，由于容量大、参数高，,通常配置煤粉炉,。随着我国城市建设的需要和环境保护要求的提高，中、小型燃油燃气锅炉需求量日益增长。,燃烧设备分类,