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1、第二章 燃燒與大氣污染 第一節(jié)第一節(jié) 燃料的性質(zhì)燃料的性質(zhì)燃料燃料： 是指在燃燒過程中，能夠放出熱量，且在經(jīng)濟(jì)上可行的物質(zhì)。 煤、石油、天然氣等稱為常規(guī)燃料。氣體燃料：燃繞迅速，其燃燒狀態(tài)可基本上由空氣和燃料的擴(kuò)散或 混合所控制。液體燃料：是以氣態(tài)形式燃燒，它的燃燒速度受蒸發(fā)過程控制。固體燃料：燃料中揮發(fā)分被蒸餾后以氣態(tài)燃燒。固定碳以固態(tài)燃燒， 受氧向固體表面擴(kuò)散控制一、煤一、煤 植物原料變成煤的過程稱之為“煤化”過程。 不同種類的植物及其不同的腐蝕程度，形成不同成份的煤。 1. 煤的分類煤的分類 褐煤：褐煤：最低品位的煤，形成年代最短，呈黑色、褐色或泥土色，其結(jié)構(gòu)類似于木材；C 6075，O

2、 2025，水分、灰分較高，燃燒熱值較低，不能用于制焦炭，易于破裂。 煙煤：煙煤：形成年代較褐煤久遠(yuǎn)，呈黑色，外形有可見條紋，C 7590，揮發(fā)分2045，成焦性好，含氧低，水分、灰分含量不高，適合工業(yè)應(yīng)用。 無煙煤：無煙煤：煤化時間最長，C 93，無機(jī)物含量低于10，有明亮的黑色光澤，機(jī)械強度高，不易自燃，成焦性極差。 2. 煤的組成（煤的組成（分析方法） 工業(yè)分析：測定水分、灰分、揮發(fā)分、C、S、熱值。 元素分析：測定除水分外的C、S、H、O、N 等。等。 3. 煤中硫存在的形式：煤中硫存在的形式： 黃鐵礦硫FeS2 硫化鐵硫 白鐵礦硫FeS 無機(jī)硫 砷黃鐵礦硫 元素硫煤中全硫 硫酸鹽硫

3、石膏CaSO42H2O 綠礬FeSO47H2O 硫醇R-SH、硫醚R-S-R 有機(jī)硫 二硫化物R-S-S-R 噻吩類雜環(huán)硫化物 硫醌類化合物4. 煤的成份表示方法煤的成份表示方法 收到基（全部計入）、空氣干燥基（去掉外部水份）、干燥基（去掉全部水份）、干燥無灰基（去掉全部水份和灰份）。二、石油（原油）二、石油（原油） 天然存在易流動的液體，比重0.781.00 烷基石油（石蠟基石油） 分類 環(huán)烷基石油（瀝青基石油） 混合基石油 采用常壓精餾、減壓精餾方法煉油。 輕汽油50-140、汽油140-200、航空煤油145-230、 煤油180-310、柴油260-350、潤滑油350-520重油（渣

4、油）520煉油廠常還有催化重整和裂化等加工過程。石油中硫含量0.17，硫化物存在形式：H2S、RSH、RSR、RSSR、環(huán)狀硫化物等，總有種臭味，有腐蝕性。石油中氮化物含量少，一般膠質(zhì)越多，氮化物越多。石油中的S經(jīng)加工后80-90留于重餾分中，以復(fù)雜的環(huán)結(jié)構(gòu)存在。脫硫難、費用高。 三、三、 天然氣天然氣 天然氣：CH4 85、乙烷10、丙烷3 其它組分：H2O、N2、He、H2S等 油田氣：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷 其它組分：H2S、CO2、N2、NH3等 液化石油氣 四、四、 非常規(guī)燃料非常規(guī)燃料除上述三種之外，其它可燃性物質(zhì)都在此例。非常規(guī)燃料經(jīng)加工或改善其燃燒特性，可代替或部分代替常

5、規(guī)燃料，同時又是處理廢棄物的有效方法。但可能帶來較常規(guī)燃料更嚴(yán)重的空氣污染。第二節(jié)第二節(jié) 燃燒過程燃燒過程 燃燒燃燒：是可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨看光和熱的釋放，同時使燃料的組分元素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氧化物（一般為CO2、H2O等）。 一、一、 影響燃燒過程的主要因素影響燃燒過程的主要因素 1. 燃燒過程及燃燒產(chǎn)物燃燒過程及燃燒產(chǎn)物完全燃燒：完全燃燒：最終產(chǎn)物是CO2、H2O、SO2。不完全燃燒：不完全燃燒：產(chǎn)生黑煙、CO及其它不完全燃燒產(chǎn)物。 同時產(chǎn)生空氣污染物：SOx、NOx、黑煙等。 2. 燃料完全燃燒的條件燃料完全燃燒的條件 空氣條件：適當(dāng)?shù)娜剂吓c空氣比例 溫度條件：必須達(dá)到著火溫度

6、時間條件：燃燒過程中燃料停留時間 混合條件：湍流度（燃料與空氣混合程度） 溫度、時間、湍流度統(tǒng)稱為“三T” 。 二、燃料燃燒的理論空氣量二、燃料燃燒的理論空氣量 1. 理論空氣量燃料完全燃燒所需要的空氣量。 2. 空氣過剩系數(shù)（a）實際空氣量與理論空氣量之比。a = 3. 空燃比（AF）：按化學(xué)計量系數(shù)計算所需空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比。 如： CH4+2O2+7.52N2CO2+2H2O+7.52N2 22)24(76.3)24(NwzyxOwzyxCxHySzOwQNwzyxzSOOHyxCO2222)24(76. 32)1632008. 112()24(76. 44 .220wzyxwzyx

7、VaVaVa016.171612852. 7322AF三、燃燒產(chǎn)生的污染物三、燃燒產(chǎn)生的污染物 燃燒煙氣的組成：燃燒煙氣的組成：少量顆粒物、完全燃燒產(chǎn)物、未燃燒或部分燃燒的燃料、氧化劑及惰性組分等。 燃燒污染物：CO、SOx、NOx、煙、飛灰、金屬及其氧化物、金屬鹽類、醛、酮、和稠環(huán)炭氫化合物等。 我國的煤為燃料還可能有：汞、砷等微量重金屬及氟、氯等鹵素污染和低水平的放射性污染。 四、熱化學(xué)關(guān)系式四、熱化學(xué)關(guān)系式 1. 發(fā)熱量發(fā)熱量 單位燃料完全燃燒時所發(fā)生的熱量變化(298k、1atm)。 kJ/m3(氣)、kJ/kg（液、固） 高發(fā)熱量qH、低發(fā)熱量qL qL=qH-25(9wH+ww)

8、式中： wH、ww分別為燃料中氫和水的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。 2. 燃燒設(shè)備的熱損失燃燒設(shè)備的熱損失燃料燃燒產(chǎn)生的熱量僅只有一部分能夠被有效利用： （1）排煙熱損失 6-12煙溫每升高12-15，排煙熱損失增大1。 工業(yè)鍋爐排煙溫度433-473K。大、中型鍋爐排煙溫度383-473K。 排煙溫度過低會造成受熱面的弱性腐蝕。 （2）不完全燃燒熱損失 包括：殘余氣體損失（煙道氣中含CO、CH4、H2等）、灰渣損失、飛灰損失、漏煤損失等。 （3）設(shè)備散熱損失 包括：鍋爐爐墻、爐筒、聯(lián)箱、汽水管道等部分設(shè)備的散熱損失。第三節(jié)第三節(jié) 煙氣體積及污染物排放量計算煙氣體積及污染物排放量計算 一、一、 煙氣體積計算：

9、煙氣體積計算： 1. 理論煙氣量：理論煙氣量：Vfgo 定義定義：供給理論空氣量下，燃料完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量。 主要成分：CO2、N2、SO2、水蒸汽等。 通常：把水蒸汽除外的煙氣稱為干氣，反之稱為濕氣。 2. 煙氣體積和密度的校正煙氣體積和密度的校正 煙氣可視為理想氣體，按理想氣體校正時，注意標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。國內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為（273K、1atm），美國、日本和國際全球監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)為（298K、1atm） SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPP 3. 過?？諝庑Ｕ^?？諝庑Ｕ?由煙道氣組成計算過剩系數(shù) 如煙道氣中有CO產(chǎn)生，則必須校正： 煙氣體積計算：二、污染物排放量的計算（略）二、污染物排放

10、量的計算（略）PPPPPPONOONO222222266. 012179211)5 . 0(268. 05 . 01222PPPPPCOONCOO) 1(VVVfgfgo第四節(jié)第四節(jié) 燃燒過程硫氧化物的形成與控制燃燒過程硫氧化物的形成與控制 一、燃料中的硫一、燃料中的硫 燃料種類 汽油和柴油 重油A 重油B 煤 碳 含硫量 0.25-0.75 0.2-2.8 0.6-5.0 0.5-5.0 含氮量 0.08-0.4 0.08-0.04 0.5-2.5 產(chǎn)生的污染物主要是：SO2、SO3、硫酸霧、酸性塵、酸雨等。 二、二、 燃燒過程含硫污染物的生成燃燒過程含硫污染物的生成 1. 二氧化硫二氧化硫

11、 a1時，有機(jī)硫分解，SO2、S、H2、SO。 a1時，全部氧化為SO2。煙氣中SO2的含量正比于原料中S含量。煤中的硫酸鹽進(jìn)入灰分中。 2. 三氧化硫三氧化硫 煙中的SO2約有0.5-2.0左右被進(jìn)一步氧化為SO3。SO2氧化為SO3的機(jī)理有兩種： 氧分子在高溫火焰區(qū)離解成氧原子，氧原子再與SO2反應(yīng)生成SO3 SO3的生成速度 空氣過剩系數(shù)、溫度、反應(yīng)時間 SO3 因此不希望火焰中心溫度過高，也不希望火焰拖得太長，以SO3濃度過高。對流受熱面上的積灰和氧化膜的催化作用。 積灰中含有：V2O5、氧化硅、氧化鋁、氧化鈉等都有一定催化作用。加速二氧化硫的氧化。 3112SOSOOkkOO2231

12、213SOkOSOkdtsod 3. 硫酸硫酸 SO3+H2O H2SO4 200-400開始進(jìn)行，110反應(yīng)基本結(jié)束，形成硫酸蒸汽。 硫酸蒸汽凝結(jié)鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕硫酸塵 排入大氣硫酸霧 SO2氧化大氣SO3硫酸霧酸性雨 4. 酸性塵酸性塵硫酸蒸汽凝結(jié)在微小煙塵粒子的表面，然后這些粒子粘結(jié)在一起，長大成雪片以的酸性塵。酸性塵一般尺寸較大，隨煙氣排入大氣后，降落在煙囪周圍地區(qū)，造成污染。三、燃燒過程三、燃燒過程SOx的形成控制的形成控制 采用低硫燃料（儲量不大） 燃料脫硫 控制辦法 燃燒過程脫硫 煙氣脫硫（治理技術(shù)）（一）（一） SO2生成控制生成控制 1. 燃料脫硫燃料脫硫 煤的洗選 煤

13、中無機(jī)硫FeS2、FeS比重為5 比重差距大 清潔煤的比重為1.25只能除無機(jī)硫，不能除有機(jī)硫。 煤的氣化利用水蒸汽、氧氣或空氣作氧化劑，在高溫下與煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成H2、CO、CH4等可燃性氣體（煤氣）。 煤氣中的硫以H2S的形式存在，可采用干法和濕法脫除。 煤的液化直接液化、間接液化。燃油脫硫采用催化加氫脫硫或加氫裂解的方法，使原料中的硫與氫起反應(yīng)，生成H2S，即可使硫脫除，同時也可除掉氮化物。 2. 燃燒過程脫硫燃燒過程脫硫燃燒過程加入石灰石或白云右粉作脫硫劑 CaCO3CaO+CO2 CaO+SO2+O2CaSO4 脫硫劑用量Ca/S摩爾比： 脫硫劑消耗量Ca的百分含量40.1 燃料

14、消耗量 S的百分含量32 層燃爐（采用固硫型煤）工業(yè)燃煤爐 懸燃爐（熔渣排渣、可部分脫硫） 沸騰爐（脫硫效果好，值得推廣） SCa（二）（二） SO3生成控制生成控制 SO2+O SO3 降低煙氣中剩余氧濃度，可降低SO3的濃度。發(fā)展低氧燃燒技術(shù)（即小的過剩空氣系數(shù)），一般低于1.05，且有低于1.02-1.03。同時也可降低NOx濃度。缺點：技術(shù)不過關(guān)時，會使排煙中粉塵濃度增大，不完全燃燒損失增大。組織低氧燃燒，應(yīng)考慮如下幾點：選用性能良好的霧化器，以獲得良好的霧化效果。選用性能良好的調(diào)風(fēng)器，以獲得需要的動力工況，并保證燃料與空氣良好配合，達(dá)到完全燃燒。選用結(jié)構(gòu)良好的配風(fēng)系統(tǒng)，保證各燃燒器空

15、氣分配均勻。選用高質(zhì)量的儀表和自動調(diào)節(jié)設(shè)備。 低氧運行時（過剩氧氣濃度為1.5），煙氣中SO3濃度低（10-20ppm），可有效防止雪片生成。 第五節(jié)第五節(jié) 燃燒過程中顆粒污染物的形成燃燒過程中顆粒污染物的形成一、碳粒子的生成一、碳粒子的生成 燃燒過程生成的顆粒污染物主要是碳的粒子，通常由氣相反應(yīng)生成積炭積炭，由液態(tài)烴燃料高溫分解產(chǎn)生的那些粒子都是結(jié)焦或煤胞結(jié)焦或煤胞。1. 積炭的生成積炭的生成 燃燒時，由于燃料與空氣混合不均，存在局部地方缺氧，高溫下燃料受熱發(fā)生脫氫、分解、聚合、經(jīng)芳烴族環(huán)而產(chǎn)生的炭黑粒子。例如：乙烷裂解 C C2 2H H6 6 C C2 2H H4 4 + H + H2

16、2 C C2 2H H2 2 + H + H2 2 2C +3H 2C +3H2 2 2C + H 2C + H2 2 3C 3C2 2H H4 4 C C6 6H H6 6 + 3H + 3H2 2 多環(huán)芳烴多環(huán)芳烴 C C 預(yù)混燃燒 (可避免) 氣體燃料燃燒 擴(kuò)散燃燒 (難避免) 積炭的特點：積炭的特點：粒徑小，0.02-0.05um；表面積大，每公斤可達(dá)數(shù)萬平方米；收集的煙塵呈絮狀，體積大，重量輕。如果讓碳?xì)浠衔锶剂吓c足量的氧化合，能夠防止積炭生成。在所有火焰中，壓力越低則積炭生成趁勢越小。三氧化硫、氣態(tài)氫、鎳和堿土金屬鹽都能抑制碳的生成。 2. 石油焦和煤胞的生成石油焦和煤胞的生成

17、燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，會導(dǎo)致液相裂化，接著發(fā)生高溫分解，最后出現(xiàn)結(jié)焦。由此產(chǎn)生的碳粒叫石油石油焦焦，比積炭更硬。 燃料油霧滴在高熱流強度下，液滴內(nèi)部發(fā)生高溫分解，外部結(jié)焦成微小的空心球，稱之為煤胞。其大小與油滴直徑成正比，一般為1030um。二、燃煤煙塵的形成二、燃煤煙塵的形成固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物通常稱為煙塵煙塵，包括黑煙和飛灰兩部分。黑煙：黑煙：主要是未燃盡的炭粒。飛灰：飛灰：主要是燃料所含的不可燃礦物質(zhì)微粒。1. 煤粉的燃燒過程 煤的熱解很容易形成多環(huán)化合物，這樣就會冒黑煙。出現(xiàn)黑煙的燃料順序為： 高揮發(fā)分煙煤、低揮發(fā)分煙煤、褐煤、焦碳、無煙煤 減少未燃盡碳粒的途

18、徑：改善燃料和空氣的混合，保證足夠高的燃燒溫度，以及碳粒在高溫區(qū)必要的停留時間。2. 影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素 煙煤尾氣中飛灰的濃度和粒度與煤質(zhì)、燃燒方式、煙氣流速、爐排、鍋爐運行負(fù)荷以及鍋爐結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。第六節(jié)第六節(jié) 燃燒過程中其它污染物的形成燃燒過程中其它污染物的形成 一、有機(jī)污染物的形成一、有機(jī)污染物的形成 有機(jī)污染物：指未燃盡的碳?xì)浠衔?，是燃料燃燒不完全的結(jié)果。烷烴：對人類身體危害不嚴(yán)重。多核有機(jī)化合物（POM）：引起癌癥。較活潑碳?xì)浠衔铮簩?dǎo)致光化學(xué)煙霧。 排出尾氣中碳?xì)浠衔锏南鄬舛仁苋剂辖M成的影響很大。 積炭是未燃盡的碳?xì)浠衔锎嬖谙滦纬傻?，但未燃盡的碳?xì)浠衔?/p>

19、未必導(dǎo)致結(jié)炭。 尾氣中的碳?xì)浣M分是在低溫下燃燒形成的，降低尾氣中碳?xì)浠衔餄舛扰c降低NO x濃度的方法相矛盾。 二、二、 CO的形成的形成 CO是所有污染物中量最大、分布最廣的一種，也是由燃燒過程產(chǎn)生的主要污染物之一。主要來源是汽車尾氣。自然界大氣中：北半球 0.14 ppm、南半球 0.06 ppm 所有燃料中含有的碳都將優(yōu)先形成CO，然后與氧繼續(xù)反應(yīng)生成CO2。 當(dāng)氧氣足夠多且反應(yīng)時間足夠長，CO可降低到很低的水平。 燃燒過程中，CO的濃度總是大于平衡濃度?？刂艭O的濃度應(yīng)集中在完全氧化CO，而非控制它的形成 。三、汞的形成與排放三、汞的形成與排放 汞揮發(fā)性很強，對人造成腎功能衰減、損害神經(jīng)系統(tǒng)等。 燃燒溫度高于900時，汞柝出率過90%。還原氣氛下的析出率低于氧化氣氛。添加石灰時，在飛灰和灰渣中的汞的比例明顯增加。 有效控制燃煤過程的汞排放，是控制燃煤污染的新課題之一。