燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染

建议学时数：4学时

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

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。教学难点

燃烧过程污染物排放计算。

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

燃烧与大气污染

烟尘、SO2、NOx、等主要是因燃烧而引起的。本章主要介绍燃料燃烧过程中的基本原理、污染物的生成机理以及如何控制燃烧过程，减少污染物的排放。

§2-1 燃料的性质

燃料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：（1）常规燃料：如煤（coal）、patrolum、天然气等。

（2）非常规燃料

按其物理状态分为：（1）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固定

炭以固态燃烧（扩散控制）。

（2）液体燃料：有蒸发过程控制（气态形式燃烧）。

(3)气态燃料：有扩散或混合控制。

燃料的性质影响大气污染物的排放。

一、煤：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。

煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。

1.分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。

a.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%。

b.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。

c.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。

2.煤的组成

煤的组成测定方法分为工业分析；元素分析两大类。

a.工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。

3.元素分析：用化学法测定去除掉外部水分的主要组分。C、H2、N2、S、O2等。煤中硫的

形态

有机硫（C x H y S z）

煤中含硫硫化物硫（FeS2）

无机硫无系硫（S

硫酸盐硫（MeSO4）

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，其它能燃烧放出热量。我们所说的污染物SOx只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4，而一般给我们的含硫量是指总硫量。应注意。

a.硫化铁硫：是主要的含硫成分，主要代表黄铁矿硫。

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.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。

c.石油：石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动液体。比重0.78—1.00

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、裂化和重态过程生产出各种产品。原油中的S约有80—90%留于重硫分中。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。

三、天然气

一般组成CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。

§2-2 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

燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。

多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和其它部分氧化产物等。

若燃料中含S、N会生成SO2和NOx，燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。Fuel NOx(燃料型NOx)——燃料中的N)

NOx的生成量

Thermal NOx(热型NOx)——高温时空气中

2．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。

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。各种燃烧的着火温度见表2-3 。P348.

（3）时间条件：

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。(三T)

3．发热量及热损失

①发热量

单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下（常温298K,101325Pa）的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg。（固体）KJ/m3(气体)。发热量有高位、低位之分。

高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Q h

低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量。Q1

Q1与Q h的换算见式2.2，2.3。

可用氧弹式量热计测定，也可用经验公式计算。经验公式见式2.4。

根据煤的工

业分析数据计算。

煤的发热量

注意：煤中H有两种形态①可燃氢(参

根据燃料的关加燃烧)、自由氢。②结合氢（与O2）

系分析数据计算自由氢与C、S结合

需应用基来表明组成

注：干燥基（上标d）

可燃基（上标b）应用基（上标a）

气体燃料的发热量2.8，2.9。

②设省煤器、空气预热器可降温，供应防止温度过低而受酸蚀。一般工业锅炉160—

200℃；大中工业锅炉120—180℃。热损失。

排烟热损失：热损失为6—12%：

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：由设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。

燃烧产生的污染物

硫的SOx ：随温度变化不大，主要是煤中S 。 粉尘：随温度的增高、不变、降低而变化。

CO 及HC 化合物烟：随温度的增高、不变、降低而变化。 NOx ：随温度的增高、不变、降低而变化。 二、燃料燃烧的理论空气量

1．理论空气量（0a V ） 所需要的氧一般从空气中获得。

单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。 理论空气量（1）可由燃烧反应方程式获得 （2）经验公式（由热值）

固体燃料 5.0418701.10

+?=Q

V a 液体燃料 24187

85.00+?

=Q

V a 气体燃料

3

131/12561/12561m

KJ Q m KJ Q >≤

25

.04187

07.14187

875.000-?=?=Q

V Q V a

a

天然气 （式2.17） 建立燃烧化学方程式时，假定：

１） 空气仅由N 2和O 2组成，气体积比为79/21=3.76； ２） 燃料中的固态氧可用于燃烧； ３） 燃料中的硫被氧化成SO 2；

４） 计算理论空气量时忽略NO X 的生成量；

５） 燃料的化学时为C x H y S z O w ，其中下标x 、y 、z 、w 分别代表C 、H 、S 、O 的原子

数。

完全燃烧的化学反应方程式：

Q

N w z y x zSO O H y xCO N w z y x O w z y x O S H C w z y x +??? ?

?

-+++++→??? ??-+++??? ??-+++2222222276.322476.324

Q 代表燃烧热

理论空气量：

()

()kg

m w z y x w z y x w z y x w z y x V a /1632008.112/246.1061632008.112/2476.44.2230

+++??

? ??

-++=+++??? ?

?-++?=

3.6~6.0 褐煤

一般煤的理论空气量kg m V a /7~430= 7.5~8.5 无烟煤

9~10 烟煤 液体燃料（燃料油）的kg m V a /11~1030=

煤炉：4.5~5.5 干： 8.84~9.01 煤气 液化气：2.97 天然气

高炉： ~0.7 11.4~12.1 2．空气过剩系数a

世纪空气量V a 与理论空气量V a 0

之比为空气过剩系数a 0a

a

V V a =

通常a>1

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。

4．理论空气量的经验计算公式由元素分析可用 2.11计算（理论，若知燃料的热值可用2.13~2.17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1kg 重油所需的理论空气量。 解：以1kg 重油燃烧为基础，则：

理论需氧量为： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg 重油 假定空气中N 2与O 2的摩尔比为3.76(体积比)

则，理论空气量为： ()67.465176.383.97=+?mol/kg 重油

即 43.101000

4.2267.465=?

Nm 3

/kg 重油 §2-3烟气体积及污染物排放量计算

一．烟气体积计算

1.理论烟气体积

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以V fg 0

表示，烟气成分主要是CO 2、SO 2、N 2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。

V fg 0

=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 燃料中所给+V 理论空气量带入的

2.实际烟气体积 V fg 0 V fg = V fg 0 + (a-1)V a 0

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 、1atm ）故需换算成标态。 大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。 设观测状态下：（T s 、P s 下）烟气的体积为V s ，密度为ρs 。

标态下： （T N 、P N 下） 烟气的体积为V N ，密度为ρN 。

标态下体积为：S N N S S N T T

P P V V ??=

标态下密度为：N

S

S N S N T T P P P ?

?

=ρ 应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K 、1atm 在作数据比较时应注意。

2.过剩空气较正

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。

用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO 2、O 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=

m +=1理论空气量

实际空气量

m---------过剩空气中O 2的过剩系数

设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O 2形式存在，燃烧产物用下标P 表示，

()()P P P N O CO N m O m C 2222267.311++→++++ 假设空气只有O 2、N 2分别为21%、79%，则空气中总氧量为P P N N 22266.079

21

= 理论需氧量： 0.266N 2P —O 2P

所以 P P P

O N O a 222266.01-+=

若燃烧完全P

P P

O N O a 222266.01-+

=

若燃烧不完全产生CO 须校正，即从测得的过剩氧中减CO 氧化为CO 2所需的O 2

()P P P P

P CO O N CO O a 5.0266.05.01222---+

= 各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。 3.标况下烟气量计算的经验式：P36 2.23~2.28。 二．污染物排放量的计算

例2对例1给定的重油，若燃料中硫会转化为SO X （其中SO 2占97%），试计算空气过剩系数a=1.20时烟气中SO 2及SO 3的浓度，以ppm 表示，并计算此时烟气中CO 2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（mol ）为：

CO 2：73.58 H 2O ：47.5+0.0278 SO X ：0.5 N X ： 76.383.97?

理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(76.383.97?)=489.45mol/kg 重油

即 489.451000

4.22?

=10.96m 3

N/kg 重油 空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为：

()重油Kg N m /305.1312.143.1096.10=-?+ 其中10.43为理论空气量，即1Kg 重油完

全燃烧所需理论空气量。

烟气中SO 2的体积为 Kg N m /0109.01000

4

.2297.05.03=??

烟气中SO 3的体积为 Kg N m /1036.31000

4

.2203.05.034-?=??

所以，烟气中SO 2、、SO 3的浓度分别为：

ppm

C ppm C SO SO 75.251005

.131036.325.8351005

.130109

.06463

2=??==?=-

当α=1.2时，干烟气量为： ()[]Kg N m /985.112.043.101000

4

.220278.05.4745.4893=?+?+- CO 2体积为：重油Kg N m /648.11000

4

.2258.733=?

所以干烟气中CO 2的含量以体积计为：

%75.13100985

.11648

.1=? 例3：已知某电厂烟气温度为473K ，压力为96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m 3

/min,含水汽6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO 2占10.7%，O 2占8.2%，不含CO ，污染物排放的质量流量为22.7Kg/min 。

（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

校正至空气过剩系数α=1.8时污染物在烟气中的浓度。 解：（1）污染物排放的质量流量为：

d t Kg t

d h h Kg /7.32100024min 60min 7.22=???

（2）测定条件下的干空气量为：

()min /97500625.01104003m Q d =-?= 测定状态下干烟气中污染物的浓度： 36/2.2328109750

7

.22m mg C =?=

标态下的浓度：

N m mg T T P P C C N N N 3/0.4217273473

93.9633.1012.2328=??=???? ?

?=

（3）空气过剩系数：613.12

.81.81268.02

.81268.01222=-?+=-+

=P P P O N Q α

（4）校正至α=1.8条件下的浓度：

N m mg C C C 3/9.37788

.1613

.10.42178

.1=?

==校实

实

校α

§2-4 燃烧过程SOx 的形成及控制

一、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SO 2和SO 3，但SO 3的浓度相当低，既使在贫燃料状态下，生成的SO 3也只占SO 2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO 2外，还有一些其它S 的氧化物，如SO 及其二聚物（SO ）2，还有少量一氧化二硫S 2O.这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。

燃烧时：

()越稳定。

越完全，温度越高，此时并非含氧量越高，23222

222SO SO O SO SO O S ?+→+

故一般主要生成SO 2,计算时可忽略SO 3。

二、SOx 的控制

初步估算：全球从燃烧系统排入大气的硫化物总量约93×106

t/a ，其中70%从燃用化石燃料的发电厂排出。进入大气中SO X 转化成MeSO 4，硫酸烟雾等污染环境必须加以控制。控制的办法有：低硫燃料、燃料脱硫、燃烧过程中脱硫或烟气脱硫等。

１． 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6~8%；

动力煤：硫分0.5~1%，灰分15~20%； 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40~90%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SO 2的一条经济有效途径。 美国型煤，（加石灰）固硫率达87%，烟尘减少 2/3；

日本 蒸汽机车用石灰固硫率达70~80%，脱硫费用仅为选煤的8%；

我国 已投产的型煤工艺十大类，民用蜂窝煤固硫率>50%，唐山、河北石家庄、承德、北京矿冶研究生院、工业型煤。

２） 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氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。 a)煤的气化

煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯-托切克气化；“第二代”液态排渣气化、 Hygas 气化、Cogas 气化等未商业化；“第三代”处于实验阶段的煤催化气化。

气化后的叫煤气：煤气主要是H 2、CO 、CH 4等煤中硫的H 2S 形式存在，我国规定标准20mg/m 3

，

生产出煤气中H 2S 含量几百到几千mg/m 3

。 需去除：方法有干法、湿式法。 干法的氧化铁系为代表。

a) 煤的液化 直接液化 SRC-Ⅱ法 煤的液化分两类

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）重油脱硫

重油脱硫常用的方法：在钼、钴和镍等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应，加

断碳与硫的化合键，以氢置换出碳，同时氢与硫作用形成H 2S ，从重油中分离出来。

重油脱硫的困难；要彻底加工燃料，破坏了原来的组织，并产生新的产物：固、液、气态物。

2．硫化床燃烧脱硫

硫化床燃烧脱硫具有炉内脱销脱硫的优点，故普遍受到重视。

原理：硫化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原气氛，热型Nox 基本上不产生，因而Nox 的气成量减少，原理见P 55图2-6。

硫化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云石。石灰石粉碎至与煤同样的粒度（dp2mm 左右）与煤同时加入炉内。在1073—1173K 下燃烧：

硫酸盐石灰石受热

→++↑??→?22SO O C CO a （CaO 为多孔）

达固硫目的。

影响脱硫效率的因素有：沸腾床温度、流化速度、脱硫剂用量等。脱硫剂用量以Ca/S 比表示。

()/32

1

.40/的含量燃料消耗量的含量脱硫剂消耗量摩尔比S C S C a a ??=

=β

脱硫率与β和硫化速度的关系：

当硫化速率一定时，η随Ca/S 的增大而增大； 当Ca/S 比一定时，η随硫化速度的增加而降低。

氧化钙再生:

氧化钙与SO 2生成的CaSO 4在1320K 时还原气氛下分解，重新释放出SO 2，反应式为：

2242

1

21CO SO O C C SO C a a ++→+

（CaO 返回硫化床在利用，SO 2的浓度一般为6—7%可制H 2SO 4）

再生床面积约为吸收床的1/10。目前流化床燃烧脱硫技术只适用于中小容量的工业锅炉和炉窑烟气脱硫的后章节介绍。

§2-5 NOx 的形成及控制(燃烧中)

大气中的NOx90%以上产生于燃烧过程，主要是NO 、NO 2，在此不详细介绍。

另外燃烧过程除上述污染物外，还有颗粒物、有机物、CO的形成。在此仅介绍一下CO 的形成及控制。

§2-6 NOx的形成及控制

CO是所有大气污染物中量最大，分布最广的一种。它的危害很大，对人体健康有害，甚至能致死。