第2章 燃烧与大气污染(1)Word

　　第2章 燃烧与大气污染(1) 教学内容 1燃料的性质 2燃料燃烧过程 3烟气体积及污染物排放计算 4燃烧过程中硫氧化物的形成 5燃烧过程中颗粒物的形成 6燃烧过程中其他污染物的形成2016/3/28 1/59

　　2 燃烧与大气污染(1) 1.教学要求了解常见民用及工业燃料的组成和性质； 掌握气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧 过程的因素； 学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度； 掌握颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改 变燃烧条件减少污染物生成的途径

　　2、教学重点重点理解燃烧的基本原理和相关污染物形成机理，重点掌握 燃烧过程污染物排放计算。

　　3、教学难点燃烧过程污染物排放计算。2016/3/28

　　建议学时数：4学时

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　　焚烧秸秆

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　　300MW、600MWW形火焰燃低挥发份无烟煤锅炉

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　　600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉

　　600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉

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　　300MW、600MW“W”形火焰燃低挥发份无烟煤锅炉 该锅炉的主要技术特点：分级送风的双拱炉膛；旋风分离 式煤粉浓缩型燃烧器；双进双出球磨机正压直吹式燃烧系 统。

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　　600MW及以上超临界本生直流机组锅炉

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　　600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃 烧中间再热锅炉

　　600MW亚临界自然循环前后墙对冲燃烧中间再热锅炉

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　　1燃料的性质燃料的定义：指燃烧过程中能放出热量，且 经济上可行的物质燃料的分类按获得方法分 按物态分 固体燃料 液体燃料

　　天然燃料木柴、煤、油页岩 石油

　　人工燃料木炭、焦炭、煤粉等 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11/59

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　　1燃料的性质 一、煤 煤定义：是一种复杂的物质聚集体。主要

　　可燃成分是C、H及少量O2、N2、S等一 起构成的有机聚合物。 性质： 煤中有机成分和无机成分的含量 因种类、产地不同而异。

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　　1燃料的性质

　　1. 煤的分类： 按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。 ( 1 )褐煤：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：①挥发分较高，析出温度低；②燃烧热值低，不能制炭。干燥后：C含量60—75%, O2含量20—25%。

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　　1燃料的性质(2)烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有

　　可见条纹。 挥发分20—45%,C 75—90%。成焦性较 强，氧含量低，水分及灰分

　　含量不高，适宜工 业使用。( 3 ) 无烟煤 ： 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。2016/3/28 16/59

　　2. 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7850 kcal的热量。 当不完全燃烧生成CO时，放出2214 kcal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210%,以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放出 28780 kcal的热量。

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　　2. 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 其中SO2占95%以上。

　　种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3,

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　　2. 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102-105 C,保持2h后才能除掉。 灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。

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　　3.煤的成分分析

　　工业分析( proximate analysis ) 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估 测硫含量和热量，是评价工业用煤的主要指标。

　　√元素分析( ultimate analysis )用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中 主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。

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　　(1)煤的工业分析 水分： 一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318-323K温度下 干燥8小时，取出冷却，称重 外部水分 将失去外部水分的煤样保持在375-380K下，约2h后，称重 内部水分 外部水分+内部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使热值降 低，影响燃烧稳定，一般控制煤中水分在10%~13%。

　　挥发分： 失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热 7 分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重 。2016/3/28 21/59

　　(1)煤的工业分析√ 固定碳 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为 固定碳，是煤的主要可燃物质。 失去水分和挥发分后的剩余部分(焦炭)放在 800 20 C的环境中灼烧到重量不在变化时，取出冷 却。焦炭所失

　　去的重量为固定碳。

　　√灰分： 灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。

　　高灰分、低熔点的煤极易结渣，从尔影响热效率。2016/3/28

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　　(1)煤的工业分析 煤中灰分的组成：

　　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2016/3/28 23/59

　　(2)煤的元素分析

　　碳和氢：通过燃烧后分析尾气中 CO2和H2O的生 成量测定 氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱 液吸收，滴定 硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应， S SO42-,滴定2016/3/28 24/59

　　(3)煤中硫的形态

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　　(3)煤中硫的形态 a.硫化铁硫：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿硫。 黄铁矿：硬度 6—6.5 , 比重 4.7—5.2 本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微 波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。 b. 硫酸盐硫: 硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里， 是灰分的一部分，其它形态的硫能燃烧放出热量。通常所 说的 SOx污染物只包括有机硫、硫化物，不包括 MeSO4。 c.有机硫：以各种官能团形式存在。如噻吩、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。

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　　(4)煤的成分的表示方法 要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的 基准，常用的基准有以下四种：

　　√收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分C H O N S A War ar ar ar ar ar ar

　　100%

　　空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为 100% 的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分

　　C H O N S A W 100%ad ad ad ad ad ad ad2016/3/28 27/59

　　(4)煤的成分的表示方法 干燥基：以去掉全部水分的燃料作为 100% 的成分， 干燥基更能反映出灰分的多少

　　C H O N S A 100%d d d d d d

　　干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为 100% 的 成分

　　C2016/3/28

　　daf

　　H

　　daf

　　O

　　daf

　　N

　　daf

　　S

　　daf

　　100%28/59

　　(4)煤的成分的表示方法 煤的成分的表示方法及其组成的相互关系

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　　(4)煤的成分的表示方法 我国部分煤种的分析结果

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　　(4)煤的成分的表示方法 我国部分煤种的分析结果(续)

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　　二、石油 液体燃料的主要来源 链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物 主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧 氢含量增加时，比重减少，发热量增加

　　天然气 典型的气体燃料 一般组成为甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%

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　　二、石油 石油是液体燃料的主要来源。原油是

　　天然存在的易流 主要含C、H2、少量的S、N2、O2,此外，含有微量 金属(钒、镍)、砷、铅、氯等，10ppm左右。 原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化 动液体。比重0.78—1.00

　　合物的巨大分子团，其含硫量变化范围较大，一般为 0.1—7%。

　　原油通过蒸馏、裂化和重整过程生产出各种产品。 原油中的 S约有 80—90% 留于重馏分中。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 C— S—C键形成H2S气体，可达目的，但费用很高。2016/3/28 33/59

　　三、天然气 典型的气体燃料 一般组成为CH485%, 乙烷10%, 丙烷3%, 此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。 天然气中的 H2S 具有腐蚀性 ，它的燃烧产物 为硫的氧化物，因此许多国家规定了 天然气中 总硫和H2S含量的最大允许子值。2016/3/28 34/59

　　四、燃料组成的表示方法:

　　CxHySzOwNv

　　Sample: C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and ash: 7.9% by weight. Determine the normalized molar composition.

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　　Element Wt % mol/100g mol/mol C 77.2 12 = 6.43 6.43 = 1.00 H 5.20 1 = 5.20 6.43 = 0.808 N 1.20 14 = 0.0857 6.43 = 0.013 S 2.60 32 = 0.0812 6.43 = 0.013 O 5.90 16 = 0.369 6.43 = 0.057 ash 7.9 6.43 = 1.23 g/molC The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057 100 g g Mf 15.55 6.43 molC molC

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　　五、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

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　　六、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2016/3/28 37/59

　　2 燃料燃烧过程一.影响燃烧过程的主要因素1.燃烧过程及燃烧产物

　　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SO2和NO 空气中的部分N可能被氧化成NO-热力型NOx

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　　一.影响燃烧过程的主要因素 2.燃料完全燃烧的条件(3T) 空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低

　　炉温，增加热损失 温度条件(Temperature):达到燃料的着火温度 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 ):燃料与氧充分 混合2016/3/28 39/59

　　一.影响燃烧过程的主要因素 典型燃料的着

　　火温度

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　　一.影响燃烧过程的主要因素 燃烧火焰温度与燃料混合比的关系(以CH4为例)

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　　一.影响燃烧过程的主要因素

　　典型锅炉热损失与过剩空气量的关系

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　　一.影响燃烧过程的主要因素 燃气比和混合程度对燃烧产物的影响

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　　二.燃料燃烧的理论空气量1.理论空气量 建立燃烧方程式的假定： 空气组成 20.9%O2 和 79.1%N2 , 两 者 体 积 比 为 ： N2/ O2 = 3.78 燃料中固定氧可用于燃烧 燃料中硫主要被氧化为 SO2 不考虑NOX的生成 燃料中的N在燃烧时转化为N2 燃料的化学方程式为CxHySzOw2016/3/28 44/59

　　二.燃料燃烧的理论空气量 燃烧方程式： y w y w Cx H y S zOw x z O2 3.78 x z N 2 4 2 4 2

　　y y w xCO2 H 2O zSO2 3.78 x z N 2 Q 2 4 2 燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w 煤 4-9 m3/kg,液体燃料10-11 m3/kg

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　　二.燃料燃烧的理论空气量理论空气量:

　　y w Va0 22.4 4.78 x z / 12x 1.008y 32z 16w 4 2 y w 107.1 x z / 12x 1.008y 32z 16w 4 2 m 3 / kg

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　　二.燃料燃烧的理论空气量 一般煤的理论空气量 3.6~6.0 褐煤 7.5~8.5 无烟煤 9~10 烟煤

　　液体燃料(燃料油)的 煤炉：4.5~5.5 煤气 液化气：2.97 高炉： ~0.7 天然气 干: 8.84~9.01

　　湿：11.4~12.1

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　　二.燃料燃烧的理论空气量 例题：

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　　二.燃料燃烧的理论空气量 2.空气过剩系数 实际空气量与理论空气量之比。以 表示， 通常1 实际空气量Va 理论空气量Va0 部分炉型的空气过剩系数

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　　二.燃料燃烧的理论空气量 3.空燃比(AF) 定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可 由燃烧方程直接求得。 例如，甲烷在理想空气量下的完全燃烧： CH4+2O2+7.56N2→CO2+7.56N2

　　空燃比：

　　AF=232+7.5628/116=17.2 汽油(~C8H18)的理论空燃比为15 纯碳的理论空燃比约为11.52016/3/28 50/59

　　二.燃料燃烧的理论空气量

　　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1kg重油所需的理论空气量。 解：以1kg重油燃烧为基础，则：

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　　二.燃料燃烧的理论空气量重量(g) C H S H2O 883 95 16 0.5 摩尔数 (mol) 73.58 47.5 0.5 0.0278 需氧量 (mol) 73.58 23.75 0.5 0

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　　二.燃料燃烧的理论空气量 理论需氧量为：

　　73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 假定空气中N2与O2的摩尔比为3.76(体积比) 则，理论空气量为： 97.83 3.76 1 465.67 mol/kg重油

　　22.4 即 465.67 10.43 10002016/3/28

　　Nm3/kg重油

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　　三.燃烧过程中产生的污染物

　　燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、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

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　　三.燃烧过程中产生的污染物 燃烧产物与温度的关系：

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　　三.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):

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　　四.热化学关系式 1.发热量： 单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，即在反应物开始 状态和反应产物终了状态相同下的热量变化( kJ/kg or kcal/kg ) 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

　　qL qH 25(9WH WW )2016/3/28

　　(kJ / kg )57/59

　　四.热化学关系式 2.燃烧设备的热损失 排烟热损失 不完全燃烧热损失 散热损失

　　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剩一侧。

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　　四.热化学关系式 3.燃烧热损失与空燃比的关系

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