第二章燃烧与大气污染

于是，理论空气量
例1 计算辛烷(C8H18)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。
显然，燃烧1mol辛烷需要12.5×4.78＝59.75mol空气。辛烷的摩尔 质量为114，于是理论空气量下燃烧时燃料/空气的质量比为：
气体组成通常以摩尔百分比表示，它不随气体温度和压力变化。 燃烧产物的总摩尔数为8＋9＋47.25＝64.25，因此烟气组成为：
煤中各种形态硫的比例，直接影响煤炭脱硫 方法的选择。一般把硫分为硫化铁硫、有机 硫和硫酸盐硫。前两种能燃烧放出热量称为 挥发硫，硫酸盐硫不参加燃烧，是灰分的一 部分。
二、石油
▪ 石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存 在的易流动的液体，比重在0.78-1.00之间。 它是多种化合物的混合物，主要由链烷烃、 环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。
• 天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃烧 产物为硫的氧化物，因此许多国家规定了 天然气中总硫含量和硫化体废弃物； 商业和工业固体废弃物； 农产品及农村废物； 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；合成染
Vfg=Vfg0+(α-1)Va0=10.52+(1.051)×9.52=10.996
2 烟气体积和密度的校正
燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准 状态（273K、1atm），烟气体积和密度往往需要 换算成为标准状态。假设烟气体积和密度可应用 理想气体状态方程换算。于是，对于温度Ts、压 力Ps的烟气，其体积Vs、密度ρs，在标准状态下 （温度Tn、压力Pn）烟气的体积为Vn，密度为 ρn，
假定空气的体积组成为20.9%O2和79.1%N2， 则实际空气量中所含的总氧量为
理系论数需：氧量为0.264N2p－O2p，因此空气过剩
第二章燃烧与大气污染
教材
郝吉明 马广大主编 大气污染控制工程 第二版 高等教育出版社
蒲恩奇主编 大气污染治理工程 高等教育出版社
Noel de Nevers Air Pollution Control Engineering (second edition) McGraw-Hill
教学大纲
（3）时间条件
（4）燃料与空气的混合条件
燃料和空气中氧的充分混合也是有效燃烧的 基本条件。混合程度取决于空气的湍流度。 若混合不充分，将导致不完全燃烧产物的产 生。对于蒸汽相的燃烧，湍流可以加速液体 燃料的蒸发。对于固体燃料的燃烧，湍流有 助于破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层 ，从而提高表面反应的氧利用率，并使燃烧 过程加速。
实际烟气量＝理论烟气量＋过剩空气量
Vfg=Vfg0+(α-1)Va0 理论烟气量可由燃烧方程计算，如CH4燃烧：
1mol的CH4完全燃烧产生10.52mol的烟气。根据 理想气体定律，近似认为烟气中各组分的摩尔 比等于体积比，所以1m3的甲烷完全燃烧产生 10.52m3的烟气，假设空气过剩系数为1.05，则
一、烟气体积计算 1.理论烟气量与实际烟气量
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Vfg0表示。烟气成 分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气，通常分为 干烟气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽） 。 理论烟气量＝干烟气量＋水蒸气体积 理论水蒸气体积＝燃料中氢燃烧后生成的水蒸 气体积＋燃料中所含的水蒸气体积＋由供给的 理论空气量带入的水蒸气体积
通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三 T”
二、燃料燃烧的理论空气量 1 理论空气量
燃料燃烧所需要的氧气，一般是从空气中 获得的；单位量燃料按燃烧反应方程式完 全燃烧所需要的空气量称为理论空气量， 由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计 算求得。
建立燃烧化学方程式时，通常假设：
（1）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为 79.1:20.9=3.78 ；
3、空燃比 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可以 由燃烧方程式直接求得。 例如，甲烷燃烧：
空燃比： 随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量
的增加，理论空燃比随之减少。
三、燃烧产生的污染物
燃料燃烧过程并不是那么简单，还有分 解和其他的氧化、聚合过程。
燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃 烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧 化剂以及惰性气体（主要是N2）等组成 。
2 空气过剩系数
在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧 ；但实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想 化的程度，因此为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的 空气。一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩 空气量，并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义 为空气过剩系数α，即
通常α〉1，α值的大小取决于燃料种类、燃烧装置形 式及燃烧条件等因素。
料。
第二节 燃料燃烧过程
一、燃烧过程及其主要影响因素 1 燃烧过程及燃烧产物 燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能
量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化 成为相应的氧化物。 多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2和H2O。然而 ，不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和其他部分氧化 产物等大气污染物。若燃烧过程含有氮和硫，则会 生成SO2和NO，以污染物形式存在在于烟气中。 此外，当燃烧温室温度较高时，空气中的部分氮也 会被氧化成为NOx，常称为热力型氮氧化物。
a是过剩空气中O2的过剩摩尔数。根据 定义，空气过剩系数：
要计算α,必须知道过剩氧的摩尔数。 若燃烧是完全的，过剩空气中的氧仅能够以O2
的形式存在，假如燃烧产物以小标P表示 C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2——
CO2p+O2p+N2p 其中，O2p=aO2，表示过剩氧量，N2p为实际
空气量中所含的总氮量。
煤中有机成分和无机成分的含量，因煤的种 类和产地的不同而有很大差别。
1 煤的分类
褐煤
最低品位的煤，是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最 短。呈黑色、褐色和泥土色，其结构类似木材。褐煤呈现 出粘结状及带状，水分含量高，与高品位煤相比，其热值 较低。
烟煤
形成年代较褐煤长，呈黑色，外形有可见条文，挥发分 含量为20%-45%，碳含量为75%-90%。烟煤的成焦性较 强，且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，适宜于工业 上的一般应用。在空气中，它比褐煤更能抵抗风化。
mol/mol(碳) 1.00 0.808 0.013 0.013 0.057 1.23
对于该种煤，其组成可表示为:CH0.808N0.013S0.013O0.057 燃料的摩尔质量，即相对于每摩尔碳的质量，包括灰分，为
M=100g/6.43mol(碳)＝15.55g/mol（碳）
一般煤的理论空气量Va0＝4－9m3/kg，液体燃料的Va0=10-11m3/kg
xCO2=8/64.25=0.125=12.5% xH2O=9/64.25=0.140=14.0% xN2=47.25/64.25=0.735=73.5%
例2 假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%， N:1.2％，S:2.6%，O:5.9%，灰分:7.9%。试计算这种煤燃 烧时的理论空气量。
▪ 原油通过蒸馏、裂化和重整生产出各种汽油 、溶剂、化学产品和燃料油。
▪ 原油中的硫大部分以有机硫的形式存在，形 成非碳氢化合物的巨大分子团。原油中硫的 含量变化范围较大，一般为0.1％－7％。
▪ 原油中的硫分约有80－90％留于重馏分中 ，一复杂的环状结构存在。
三、天然气
• 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他组分 ，如H2O、CO2、N2、He和H2S等。
燃料燃烧过程的基本原理；
污染物的生成机理；
如何控制燃烧过程，以便减少污染物 的排放量。
第一节、燃料的性质
一、煤
煤是重要的固体燃料，是一种不均匀的有机 燃料，主要是植物的部分分解和变质形成。
煤的可燃成分主要是碳、氢及少量氧、氮和 硫等一起构成的有机聚合物。各种聚合物之 间由不同的碳氢支链相互连成更大的颗粒。
则标准状态下的烟气体积：
标准状态下烟气的密度：
美国、日本和国际全球监测系统网的标准是指出298K 和1atm，在作数据比较或校对时需要注意。
3 过剩空气校正
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气体与过剩空 气量之和。用奥氏烟气分析仪测定干烟气中 CO2、O2和CO的含量，就可以确定燃烧设备 运行时的烟气成分和空气过剩系数。 以碳在空气中完全燃烧为例： C+O2+3.78N2——CO2+3.78N2 烟气中仅含有CO2和N2，若空气过剩，则燃烧 方程式变为 C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2—— CO2+aO2+（1+a）3.78N2
燃烧可能释放出的污染物有：CO2、CO 、SOx、NOx、烟、飞灰、金属及其氧 化物、金属盐类、醛、酮和绸环碳氢化 合物等。这些都是有害物质，它们的形 成与燃烧条件有关。
燃烧产物与温度的关系
四、热化学关系式
发热量 燃料设备的热损失
燃烧热损失与空然比的关系
第三节 烟气体积及污染物排放量计算
2 燃料完全燃烧的条件
（1）空气条件
燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气 量。如果空气供应不足，燃烧就不安全。相反空气 量过大，也会降低炉温，增加锅炉的排烟损失。因 此，按燃烧不同阶段供给相适应的空气量是十分必 要的。 （2）温度条件
燃料只有达到着火温度才能与氧化合燃烧。着火 温度是在氧存在下可燃物质开始燃烧所必须达到的 最低温度。各种燃料都具有自己特征的着火温度， 按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺序上升。