第 2 章 燃烧与大气污染

1. 第2章 燃烧与大气污染 • 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

2. §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。 建议学时数：4学时

3. §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 1、燃料的分类

4. 2.燃料的化学组成 典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分

5. 2.燃料的化学组成 典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）

6. 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2-10%，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。

7. 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SO2和SO3，其中SO2占95%以上。

8. 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。

9. 4.煤的分类和组成 • 煤的基本分类 • 褐煤 • 最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 • 烟煤 • 形成年代较褐煤长，碳含量75%~90％。成焦性较强，适宜工业一般应用 • 无烟煤 • 煤化时间最长，含碳量最高（高于93％），成焦性差,发热量大

10. 4.煤的分类和组成 • 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。估测硫含量和热值，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。

11. 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。

12. （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 。

13. （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。

14. （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

15. （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

16. （3）煤中硫的形态

17. （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。

18. （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 • 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

19. （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 • 干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分

20. （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

21. （4）煤的成分的表示方法 • 我国部分煤种的分析结果

22. （4）煤的成分的表示方法 • 我国部分煤种的分析结果(续）

23. 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％

24. 四、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

25. 五、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. • 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

26. 六、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

27. §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

28. 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

29. 一.影响燃烧过程的主要因素 • 典型燃料的着火温度

30. 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）

31. 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

32. 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

33. 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CxHySzOw

34. 二.燃料燃烧的理论空气量 • 燃烧方程式： • 燃料重量= 12x+1.008y+32z+16w • 煤4-7 m3/kg，液体燃料10-11 m3/kg

35. 二.燃料燃烧的理论空气量 理论空气量:

36. 二.燃料燃烧的理论空气量 • 3.6~6.0 褐煤 • 一般煤的理论空气量 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 • 干: 8.84~9.01 • 天然气 • 湿：11.4~12.1

37. 二.燃料燃烧的理论空气量 • 例题：

38. 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 • 部分炉型的空气过剩系数

39. 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=2×32＋7.56×28/1×16=17.2 • 汽油（～C8H18）的理论空燃比为15 • 纯碳的理论空燃比约为11.5

40. 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）：

41. 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：

42. 重量（g） 摩尔数 （mol） 需氧量 （mol） C 883 73．58 73．58 H 95 47．5 23．75 S 16 0．5 0．5 H2O 0．5 0．0278 0 二.燃料燃烧的理论空气量

43. 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： mol/kg重油 • 即 Nm3/kg重油

44. 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

45. 三.燃烧过程中产生的污染物 • 燃烧产物与温度的关系：

46. 三.燃烧过程中产生的污染物 • 典型固态燃料的燃烧产物：

47. 三.燃烧过程中产生的污染物 • 典型液态燃料的燃烧产物：

48. 三.燃烧过程中产生的污染物 • 典型气态燃料的燃烧产物：

49. 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

50. 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。