燃烧过程污染物排放量的计算.pdf

模块二燃烧过程污染物排放量的计算一、燃料的种类及组成二、燃料的燃烧过程三、烟气体积及污染物排放量计算 四、燃烧污染物的形成与控制按其物理状态分为:A,固体燃料.挥发分被蒸储后以气态燃 烧（蒸气控制）；留下的固定炭以固态燃 烧（扩散控制）。B.液体燃料:由蒸发过程控制（气态形式燃烧）。ac气态燃料:EB气体组成长料称为气体燃料。气体燃料属于清洁燃料，主要包括天然气、液化石油气、焦炉 煤气等。(2)按使用多少可以分为 7；常规燃料如煤、石油、天然气等。2)非常规燃料(DC是主要燃素，碳化年龄越大，含碳越高(2)S有三种存在形式：硫.几种常规燃料及其化学组成点盐露喘需肃瑞灰分是由燃料中碳酸盐、粘土矿物极为有害的)，燃烧生成SO2和 SO3等有害气体，造成大气污染燃 粒大的颗定义：煤是最重要的固体燃料,它是一髀繇鑫氟舞盘互相连捱通一煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。1)煤的分类：基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材结构。特点:挥发分较高，析出温度低；燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量6075%,。2含量2025%。形成历史较褐煤长。黑色，外形有可 见条纹。挥发分2045%,C 7590%o成焦性较 强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工 业使用。：碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。C含量93%,无机物量10%,着火难，不易 自燃，成焦性差。2）煤的化学组成:煤的化学组成通常用C、H、0、N、S等 元素及A和W的百分数来表示。3）煤中硫的形态黄铁矿硫FeS 2,硫化铁硫 白铁矿硫FeS?无机硫 元素硫硫酸盐硫神黄铁矿硫石膏 CaSO/ZH2。绿矶 FeS O4fO煤中全硫y硫醇或醍基化合物R-S H 硫醴R-S-RL有机硫二硫雄琉R-S-S-R 嗓吩类杂环硫化物QI硫醍化合物3）煤中硫的形态.硫酸盐硫：硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，.是灰分的工鄙生患它形态黑旗熊燃燧取出热量。通常所说的 S Ox污染物只包括有机磕、硫化物，不包搭Mes。4。Ab.硫化铁硫：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿硫。4 7 A黄铁矿：硬度66.5,比重4.75.2养必嘴.但春歌蹄翻整转变为顺磁性物,吸收微波能力 Ac.有机硫：以各种官能团形式存在。如睡吩、芳香基硫化、物、硫醇等。不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。（2）石油1）石油又称原油，是液体燃料的主要来源，比重在0.78-L 00之 间，本身为黑褐色的粘稠液体。主要组成是烷烧、烯煌、芳香煌 和环烷崎，另外，还有少量的硫化物、氧化物、氮化物、水分和 矿物还含有微量金属（钮、银）、神、铅、氯等，lOppm左右。原油中的硫大部分以有机硫形式存在,形成非碳氢化合物的巨 大分子团,其含硫量变化范围较大,一般为0.1一7%。原油通过蒸储、裂化和重整过程生产出各种产品。原油中的S约 有8090%留于重镭分中。硫以复杂的环状结构存在，而需去除 的仅是硫原子，故不能用物理方法分离硫化物。采用高压下的催 化加氢破坏CSC键形成H2s气体，可达目的，但费用很高。(3)天然气A天然气是典型的气体燃料，它的组成一 般为甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天 然气中。天然气还含有碳氢化合物以外 的其它组分，如水、二氧化碳、氮气和 硫化氢等。3.燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268k J的热量。纯碳起燃温度 很高，燃烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是 与氢、氮、硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥 发性成分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量 约90%98%,一般煤的含碳量约50%95%。氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为 2%10%,以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放 出120500 kJ的热量。3.燃料组成对燃烧的影响氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两 种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SC2和SC3,其中S O2占95%以上。3.燃料组成对燃烧的影响水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水 分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。内部水分要放在干燥 箱中加热到102105。（：，保持2h后才能除掉。表2-1煤中灰分的组成成分含量/%成分含量/%S i(),20-60MgO0.3-4Ag10-35TiO,0.52.5Fe2O3535Na?O 和 K,O1 4Ca O1-20S O30.1-12我国煤炭的平均灰分含量为25%灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量4.其他燃料非常规燃料,城市固体废弃物,商业和工业固体废弃物,农产物和农村废物/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,天然存在的含碳和含碳氢的资源,合成燃料非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式 城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题燃料的最重要的两个属性热值决定燃料的消耗量。杂质污染物产生的来源二、燃料的燃烧过程 1.燃烧过程及燃烧产物 2.燃料完全燃烧的条件 工发热量及热损失 4.燃烧产生的污染物 5.燃料燃烧的理论空气量 6.燃料燃烧的过程和设备燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量的,同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。多数化石燃料：,完全燃烧：co2 h2o/不完全燃烧：co2 h2o&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S C2和NO/空气中的部分N可能被氧化成NO热力型NO2.燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充分混合。(1)空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应 的空气量。(2)温度条件：只有达到着火温度，才能与 氧化合而燃烧。A着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达 到的最低温度。各种燃料的(3)时间条件：A燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程 度的另一基本因素。燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需 时间。(4)燃烧与空气的混合条件：燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基 本条件。在大气污染物排放量最低条件下，实现 有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度、时间、湍流度。2.燃料完全燃烧的条件卜 A适当的控制这四个因素一空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排 一放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，V 评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真地考虑这些因素。通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“二T_I O.3.发热量及热损失 （1）发热量 A单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开4 始状态和反应物终了费春国同情也下人箪狼298K.101325Pa）的萩基变化循，称为凝 KJ/m3（气体）。发热量有高位、低位之分。4 高位,包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜A ff：(2)热损失 排烟热损失：热损失为61 2%：不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、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。在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低 不充分混合时，热损失最小值 出现在空气过熊!|一侧4.燃烧产生的污染物 燃烧可能释放的污染物：C02 CO、S Ox、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等 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 硫氧化物S Ox：随温度变化不大，主要是煤中S。粉尘：随燃烧温度而变化（增高、不变、降低均有变化）。CO及HC化合物：随燃烧温度而变化（增高、不变、降低均有变 化）。NOx：随燃烧温度而变化（增高、不变、降低均有变化）。4.燃烧过程中产生的污染物燃烧反应的最高温度4.燃烧过程中产生的污染物燃料种类对燃烧产物的影响(以1000MW电站为例)：表2-6由1000 MW电站排出的主要污染物种类 污染物年排放量“。6 kg气 油 煤颗粒物0.460.734.49S O0.01252.66139.00NOr12.0821.7020.88CO可忽略0.0080.21CH可忽略0.670.52注：假定每年燃气1.9X 109 m3；假定每年燃油1.57 X 1()9 kg,油的硫含量为1.6%,灰分为 0.05%;假定每年耗煤2.3 x 1()9 kg,煤的硫含量为3.5%，硫转化为SOX的比例为85%,煤的 灰分为9%。5.燃料燃烧的理论空气量单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气它由燃料的组成决定，可根据燃称为理论空气量。烧方程式计算求得，即：建立燃烧方程式的假定:/空气组成21%。2和79%N2，两者体积比为：N2/02=3.76,燃料中固定氧可用于燃烧,燃料中硫主要被氧化为S 02/不考虑NO*的生成/燃料中的N在燃烧时转化为N2/燃料的化学式为。月卢/5.燃料燃烧的理论空气量燃烧方程式：CXH SZOW+L+z-|o2+3.78L+z-|n2I 4 2)2 I 4 2)2V(V vvxCO?+H90+zS O9+3.78 x+2+z N,+。燃料重量=12x+1.008y+32z+16iy理论空气量：22.4x4.78 x+上+z/(12x+1.008y+32z+16w)m3/kg I 4 2 J2.97煤 煤烟煤 褐无烟3.6-6.07.5-8.5 9-10般煤的理论空气量液体燃料（燃料油）的液化气:5.燃料燃烧的理论空气量例题:例2-1计算辛烷(或此8)在理论空气量条件下燃烧时的燃料/空气质量比，并确定燃 烧产物气体的组成。解:辛烷在理论空气量条件下燃烧，可表示为QH1h+12.5(02+3.78NJ-8CO2+9H2O+47.25N2燃烧每摩尔燃料需要59.75 mo l的空气，辛烷的摩尔重量为114,因此，在理论空气量下燃烧 时燃料/空气的质量比为(5 _ 114 _ 114 _n 生)气体的组成通常以摩尔百分比表示，它不随气体温度和压力变化。燃烧产物总摩尔数为：8+9+47.25=64.25。因此,辛烷燃烧产生的烟气组成为y(q-8/64.25=0.125=12.5%Vh,o=9/64.25=0.140=14.0%八 2 二47.25/64.25=0.735=73.5%5.燃料燃烧的理论空气量空气过剩系数/实际空气量与理论空气量之比。以承示，。通常1a-实际空气量匕/部分炉型的空墓V0a表2-5部分炉型的空气过剩系数燃烧方式烟煤无烟煤重油煤气手烧炉和抛煤机 炉1.31.51.3-2.0一链条炉1.3-1.41.3-1.5悬燃炉1.21.251.151.21.051.1通常a l,a值的大小决定于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素。5.燃料燃烧的理论空气量空燃比,单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例如：汽油（C8H18）的完全燃烧：C8H18+f8+O2+3.7sf8+N2-8CD2+9H2O+3.78f8+N2汽油的质量：12x8+1.008x18=1 14.14空气的质量：32x12.5+28x3.78x12.5=1723空燃比AF=15.1 15.燃料燃烧的理论空气量已知元素分析可用式2-1计算；若知燃料的热值可用式2-2计算。例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下(按质 量)C：88.3%,H：9.5%,S：1.6%,灰分：0.10%。试确定 燃烧1 kg重油所需的理论空气量。解：以1kg重油燃烧为基础，贝重量(g)摩尔数需氧量C883嗫一1在嘎H9547.523.75S160.50.5h2o0.50.0278073.58+23.75+0.5=97.83 mo l/kg重油A假定空气中N2与。2的摩尔比为3.76（体积比）贝IJ,理论空气量为：97.83x(3.76+1)=465.67A即mo l/kg重油22 4 465.67X=10.431000Nm3/kg重油、6.燃料燃烧的过程和设备、A固体燃料的燃烧主要指煤或焦炭的燃烧。，煤的燃烧过程概括起来至少有四个主要过程：A气象中氧分子扩散到煤粒子的表面；.A煤中挥发的扩散；A进行化学反应；4 A反应产物转移到气流中。分为层燃、室燃和硫化态燃烧。,大致可以分为炉排炉、煤粉炉、4旋风燃烧炉和流化床锅炉。4.A炉排炉：又称层燃炉，如：链条炉、振、动炉排炉、抛煤机炉排炉等。S 02 N2和水蒸气?干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。Vfg=V干烟气+V水蒸气V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中+v理论空气量带入的 2.实际烟气体积 Vfg Vfg=Vfg+(a-1)Va 3.烟气体积和密度的校正燃烧产生的烟气其T、P总高于标态(273K 1a tm)故需换算成 态。大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。设观测状态下(Ts、Ps下)：烟气的体积为Vs，密度为Ps。标态下(丁的Pn下)：烟气的体积为Vn，密度为Pn。A标态下体祯为：标态下密度为：应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1 a tm在作数据比较时应注意。因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中 的实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气量之和。A用奥氏烟气分析仪测定烟气中的。2和CO的含 量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。空气过剩系数为a=实际空气量理论空气量=1+mm-过剩空气中。2的过剩系数设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以。2形式存在，燃烧产物用下标P表示，C+(l+m)q+(1+向3.7-+&?+N2P假设空气只有02、N2,分别为21%、79%,则空气中总氧量 为理论需氧量：0.266N2P-O2P所以（燃烧完全时）此时E若燃烧不完全会产生co,须校正。即从测得的过剩氧中减 去CO氧化为CO2所需的02各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。应用实例A例2 对例1给定的重油，若燃料中硫转 化为S Ox（其中S O2占97%）,试计算 空气过剩系数a=1.20时烟气中S O2及 S O3的浓度，以ppm表示，并计算此时 烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。解:由例1可知，理论空气量条件下烟气组成(mo l)为：CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 S OX：0.5 Nx：97.83X3.76理论烟气量:73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.83 X3.76)=489.45 mo l/kg重油 即 489.45=1 0.96m3/kg重油A空气过剩系数a=1 2时，实际烟气量为：其中10.43为理论空气量，即1 Kg重油完全燃烧所需 理论空气量。烟气中S C2的体积O.5xO.97x22%000=o.0109n3A/Kg烟气中S C3的体积为0.5*0.03(1)污染物排放的质量速率(以t/d表示).(2)污染物在烟气中浓度(3)烟气中空气过剩系数(4)校正至空气过剩系数a=1.8时污染物在 烟气中的浓度。N C解:(1)污染物排放的质量流量为:“r Kg 60 min t 一22.7 x-x 24 x-=32.71/dmin h d 1000 Kg测定条件下的干空气量为Qd=10400 x(1-0.0625)=9750 m 3/min测定状态下干烟气中污染物的浓度:C=22，7 x 10 6=2328.2 mg/m 39750标态下的浓度:0 r 101.33 473 /I2328.2x-x-=4217.0mg/m N96.93 273(3)空气过剩系数:a=l+-a-=1+-=1.6130.268N2尸-02P 0.268x81.1-8.2(4)校正至a=1.8条件下的浓度:1 a 1 2。校=42170 x-=37789叫/用N1.8四、燃烧污染物的形成与控制（一）煤烧过程SOx的形成及控制 L燃料中硫的氧化机理 燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是S C2和S C3,但S 03的浓度相当低，即使在贫燃料状态 下，生成/S 0&也仪占so年成量的百分之几。在富燃 料状态下，除外，还看一些其它S的氧化物，如 S O及其二聚物（6。）2,还有少量一氧化二硫S 2。茎些产物他学反应能力献 所以仅在各种氧化反意中以 中间体形式出现。燃烧时：故一般主要生成SO2,计算时可忽略SO3。（二）SOx的控制2.燃料脱硫1）煤炭的固态加工国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是：炼焦煤：硫分1%,灰分68%；动力煤：硫分灰分1520%；故原煤必经分选以除去煤中的矿物质。目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低4090%的 S）,此法对有机硫含量较大或精炼还不能达到环保条例的要求。正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等,工业上应用的很少。型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。S）煤炭的转化 煤炭的转化主要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加。改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。士.煤的气化 煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈 F压气化（已商业化）和科柏斯-托切克气化；“第二代”禄态排渣气化、Hyga s气化、Co ga s气化等未商业化；第三代”处于实验阶段的煤催化气化。煤气主要是H?、CO、CH4等，煤中硫的H2s形式存华。生产出煤气中H2s含量几百到几千mg/m3。Z去除方法有干法、湿式法。煤的液化 直接液化 S RC-H法三 间接液化 鲁奈气化-弗托合成法 煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD,要求大规 模水处理设施。3.煤燃烧二氧化硫的控制分为燃前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫和煤转化 过程中脱硫，其中烟气脱硫被认为是最有效的脱硫方 式。燃前脱硫：(1)逃汰选煤 是各种密度、粒度和形状的物料 在不断变化的流体中运动过程。属于物理选煤，主要利用煤中各种成分比例不同，而去处部分灰 份和黄铁矿，不能去有机硫。(2)重介质选煤 采用磁铁矿和水配置的悬浮液 作为选煤的介质，利用不同浮力进行选煤，属于 物理方法。(3)浮选选煤 是气、液固三相界面的分选过程,包括水中矿物颗粒粘附在气泡，然后上浮到煤浆 液体表面。因为煤的湿润性较好而矿物的湿润性 较差。(4)高梯度强磁分离煤脱硫技术 煤中有机硫为(5)微波辐射法 煤中黄铁矿的硫最容易吸收微 波，有机硫次之，煤基质基本不吸收微波。微波 吸收后削弱化学键，采用浸取液洗涤煤中硫，可 以去无机硫，也可以去有机硫，目前在实验室状 4 o(6)化学处理法，如在煤中加入碱溶液，在一定 反应条件下，脱去无机和有机硫，但该工艺成本 高，对煤质有一定影响，在工程上应用少。(7)生物脱硫 利用微生物破坏煤中无机硫和有 机硫，可以达到经济、有效的脱硫，但目前的难 点是找到能破坏煤中硫而不影响碳结构的高效菌 种。国外准备进行半工业实验，国内目前处于起 步阶段。二氧化硫国家排放标准（m g/m 3）I II国家新电厂旧电厂国家新电厂旧电厂奥200-1620200-2000荷兰200-700400比利时250-2000250-2000新西兰125加拿大715波兰540-1755675-4160400-2000810400-2000芬兰380-2540620-2540瑞典160-540160-920法国400-2000400-2000430-2145430-2145德国400-2000400-2500英国400-30002000-3000400-2000400-2000美国740-14801480日本170-860170-860我地淀的火电r二涮胭滩在燃I胎硫1小于1沏勺僦TF为1200丽3,在燃I胎蒯沙于1%为2100值而 规定的I业锅炉匚甜瓶 吨而镯M守倜腓W极国10I时段n日嘏燃糊炉1200900燃海肺性山、端由700500明渊1200900燃气锅炉100100I时段为2000年12月31日前逝勺电厂，n时段为2000年12月31日后硼电厂(8)型煤固硫技术同成煤 后备型 碎设硫。粉械，机业其 煤过工及 配经里 例，品钠 比合成、定混和系 一剂状钙 照硫髯 按固定分 分和一态 筛剂膏形 过结具学 经粘到化 料的得照 原理，按 同处 不预 将过与固A石灰石、大理石粉、电石渣是工业上较好的固硫剂,应用废液做粘结剂，如碱性纸浆黑液，也有一定的 固硫作用。盐泥、糖泥、钙渣、烟道灰等可以作为 粘结剂和脱硫剂。A型煤燃烧烟气中粉尘、二氧化硫、CO浓度及烟气 黑度明显下降，但由于型煤增加了原煤成本，可能 使某些炉型的锅炉出力受到一些影响，目前还处于 工业示范阶段。1(2)燃烧中脱硫燃烧中脱硫在燃烧过程中加入石灰石或白云石粉做脱硫剂，Ca CCh和MgCCh在高温下分解形成氧化钙和氧化镁，与烟气 化硫反应生成硫酸盐，随灰排出。在我国采用的主要技术有两种，一是炉内喷钙技术，二是循环流化床燃 硫技术。Ca CO3-Ca O+CO2Ca O+S O2+1/2O2Ca S O4(3)燃烧中脱硫