3第二章 燃烧与大气污染-第二讲
大气污染控制工程-讲稿_02燃烧与污染

第2章燃烧与大气污染人类所造成的环境污染物很大一部分也是来自燃烧。
特别是空气污染,其污染源主要是各种燃烧设备。
每年用于防治空气污染的费用中95 %以上是消耗在燃烧装置上的。
由于燃烧而产生的著名污染事件有伦敦烟雾事件(在潮湿的空气中SO2和粉尘的综合作用结果)、洛山矶光化学烟雾事件邙日光下NO x和。
3等产生强烈刺激的二次污染物)等。
而频繁出现的酸雨事件更是令人头痛不已,并曾造成国际纠纷。
我国的酸雨情况更是不容乐观60年代对大气污染来源的统计结果:2.1燃料的性质常规燃料按其物理形态可以分固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。
2.1.1 固体燃料固体燃料包括煤、木材、焦炭等。
煤是一种重要的固体燃料,在我国的能源总消费中煤炭约占3/4以上,用于火力发电、工业锅炉和民用等领域。
1. 煤的分类煤的形成要经历一个很长的时间,分阶段的逐渐转化。
按沉积年代不同,煤被分为褐煤、烟煤和无烟煤三种。
(1)褐煤褐煤形成年代最短,褐煤中的水分和灰分含量都很高,干燥无灰的褐煤中碳含量为60 % ~ 75 %,挥发分为40 % ~ 50 % ;燃烧热值低,低位发热量11.7 ~ 15.5 MJ/kg。
(2)烟煤烟煤的形成历史较长,挥发分含量占19 % ~ 40 %,碳含量为75 % ~90 %,低位发热量15.5 ~ 18.4 MJ/kg。
(3)无烟煤无烟煤是含碳量最高、煤化时间最长的煤。
碳的含量一般高于93 %,无机物含量低于10 %,挥发分小于9 %,低位发热量> 20.9 MJ/kg 。
2. 煤的组成一一工业分析(1)水分:外部水分(45 ~ 50 C下失水)和内部水分(102 ~ 107 C下失水);(2)灰分:不可燃矿物质总称,主要是铝、硅、铁、钙、镁等的氧化物。
我国煤炭平均灰分为25 % ;(3)挥发分:煤在隔绝空气的条件下加热(干馏)时所释放的气态可燃物;(4)固形碳:从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分。
第二章 燃烧与大气-PPT精选文档

染和出渣量
煤中硫的形态
•
有机硫(CxHySz) 硫化物硫(FeS2) 煤中硫 无机硫元素硫(S) 硫酸盐硫(MeSO ) 4
低硫煤中主要是有机硫,约为无机硫的8倍; 高硫煤中主要为无机硫,约为有机硫的3倍
3、煤的成分表 6.43 = 0.057
• The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057
100 g M 15 . 55 g / mol ( 碳 ) f 6 . 43 mol ( 碳 )
§2-2燃料燃烧过程
2.1.2燃料的化学组成
2.1.2燃料的化学组成
2.1.3煤的分类和组成
• 1、煤的基本分类
• 2、煤的成分分析及分析方式 • 3、煤的成分表示方法
1、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
度。各种燃料的着火温度见表2-4。P38
• 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
2.2.2燃料燃烧的理论空气量
• 1、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 燃料的化学式为CxHySzOw
煤的成分的表示方法及其组成的相互关系
2.1.4燃料组成的表示方法:CxHySzOwNv
大气第2章燃烧与大气污染

即467.63 22.4 1000
10.47mN3
/
kg重油
36
三、热化学关系式 1.发热量
☆ 发热量:单位燃料完全燃烧时发生的热量变化, 即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下 (通常为298K和1atm)的热量变化。(kJ/kg or kJ/m3(气体))。分为高位发热量和低位发热量。
时间条件(time):燃料在高温区的停留时间
燃料与空气的混合条件(湍流度turbulent) 通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“3T”
24
燃料 木炭 无烟煤 重油 发生炉煤气 氢气 甲烷
表 2-3 燃料的着火温度
着火温度(K) 593-643 713-773 803-853 973-1073 853-873 923-1023
37
发热量
高位发热量:包括燃料燃烧生成物中水蒸气的 汽化潜热qH
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
38
若已知燃料中氢和水的含量,qL可由qh减去水蒸气的凝 结热求得。若发热量以kJ/kg表示,则
qL qH 25(9wH wW )
wH、wW----为燃料中氢和水分的质量分数。
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2.燃烧设备的热损失
(1)排烟热损失:一般锅炉排烟热损失为6-12%, ➢ 影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟体
积。烟温每升高12-15K,排烟热损失可增加1%。 锅炉尾部一般设置省煤器和空气预热器,就是为 了降低排烟温度。
➢ 工业锅炉的排烟温度选取433-473K,大、中型锅
炉的排烟温度选取383-453K。
11
煤的结构模型
除尘与净化技术第二章燃烧与大气污染02课

3.燃烧过程中产生的污染物
➢ 典型固态燃料的燃烧产物:
3.燃烧过程中产生的污染物
➢ 典型液态燃料的燃烧产物:
3.燃烧过程中产生的污染物
➢ 典型气态燃料的燃烧产物:
第三节 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 定义:理论空气量下,燃料完全燃烧所产
生的烟气体积 主要成分:CO2;SO2;N2和水蒸气。 根据水蒸气: 理论烟气体积=干烟气体积+湿烟气体积
第二节 燃料燃烧过程
1.影响燃烧过程的主要因素
➢ 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
1.影响燃烧过程的主要因素
➢ 燃料完全燃烧的条件(3T)
一、烟气体积体积计算
(2) 烟气体积和密度的校正
校正原因:
燃烧装置产生的烟气温度和压力总是高于标准 状况(273K、101325Pa),需换算成N
Vs
ps pN
TN Ts
N
s
pN ps
Ts TN
一、烟气体积体积计算
➢ (3)实际烟气体积 当过量空气系数为α时,实际湿烟气:
V f V f0 ( 1 )(1 1 .2 4 d a)V a0
实际干烟气量:
Vdf Vdf0(1)Va0
二、污染物排放量计算
➢ 通过测定烟气中污染物的浓度,根据实际排烟 量,易计算污染物的排放量。
例题: 2-4 对于(2-3)给定的重油,若燃料中硫全部转化
为SOx,其中(SO2占97%),试计算空气过剩 系数α=1.2时烟气中SO2及SO3的体积分数,以 10-6表示;并计算此时干烟气中CO2的含量,以 体积分数表示。
燃烧与大气污染

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
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大 气
6.燃料组成的表示方法:
失去水分的试样密封在坩埚内,放在1200K的马 弗炉中加热7min,放入干燥箱中冷却至常温再称 重。
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大 气
4.煤的分类和组成
污
染
控 煤的工业分析(续)
制
工
固定碳
程
失去水分和挥发分后的剩余部分(焦炭)放在
80020C 的 环 境 中 灼 烧 到 重 量 不 再 变 化 时 , 取 出
大 气
4.煤的分类和组成
污
染 控
煤中硫的形态
制
工
程
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大 气
4.煤的分类和组成
污
染 控
煤的成分表示方法
制 工
要确切说明煤的特性,必须同时指明百分比的
程
基准,常用的基准有以下四种:
收到基(应用基):锅炉炉前使用的燃料,包括 全部灰分和水分。
Car H ar Oar N ar Sar Aar W ar 100%
煤的成分分析
制
工
程
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。
燃烧与大气污染

Vy Vyo 1.016(a 1)Vko
VyVo ຫໍສະໝຸດ O2Vo SO2Vo N2
Vo H2O
1.016(a 1)Vko
•§2.3.1 污染物排放量的计算
• 通过测定烟气中污染物的浓度,根据实际排烟 量,很容易计算污染物排放量。但在很多情况下, 需要根据同类燃烧设备的排污系数,燃料组成和燃 烧情况,预测烟气量和污染物浓度。
•§2.4 燃烧过程硫氧化物的形成与控制 •§2.4.1硫氧化物发生机制
燃料燃烧过程中硫氧化物生成的主要化学反应为
•单体硫的燃烧: •硫铁矿的燃烧
S O2 SO2
SO2
1 2
O2
SO3
4FeS2 11O2 2Fe2O3 8SO2
SO2
1 2
O2
SO3
• 硫醚等有机硫的燃烧
• CH3CH2
• §2.2.燃烧产生的污染物 • 燃烧烟其主要有颗粒物、氧化物、氧化剂 及惰性气
体组成。主要物按物有硫氧化物、氮氧化物、碳氧化 物、碳氢化合物、飞灰等。其形成与燃料种类、燃烧 条件等有关。
• §2.3 燃烧过程污染物排放量计算 • §2.3.1 烟气体积计算 • 1.理论烟气体积 • 若供给燃料以理论空气量,燃料完全燃烧,烟气中
•
振动炉:
烟尘浓度 ~7 g / Nm3;
•
抛煤机炉:
烟尘浓度 9 ~ 13 g / Nm3
燃煤锅炉初始排放最高允许烟尘浓度和烟气黑度
燃烧方式
烟尘浓度(mg/m3)
Ⅰ时段
Ⅱ时段
烟气黑度 (林格曼黑度,级)
煤炭灰分
煤炭灰分
层燃炉
Aad≤18% Aad≤10% 10%≤Aad≤18%
1
最新大气污染第02章_燃烧与大气污染2精品资料

[SO] , [OH]max,[SO2] max
二. SO2和SO3之间的转化
反应方程式
低浓度的SO3通过反应(1)产生于燃烧过程中。
SO2 + O + M SO3 + M
(1)
SO3 + O SO2 + O2
(2)
SO3 + H SO2 + OH
(3)
SO3 + M SO2 + O + M
第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成
✓ 有机硫的分解温度较低 ✓ 无机硫的分解速度较慢 ✓ 含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色,由于反应:
O SO SO2 hv
在所有的情况下,它都作为一种重要的反应中间体
1.硫的氧化机理
✓ H2S的氧化反应方程式
H2S的直接氧化
生成OH
生成水
O H 2S SO H 2 SO O2 SO2 O O H 2S O H SH H2 O OH H H O2 OH O OH H 2 H 2O H
(4)
SO3主要在贫燃条件下产生, SO2约占硫氧化物的95%。 受热面和金属氧化物的催化作用可以大大提高S03的浓度。
2. SO2和SO3之间的转化
SO3生成速率
d
SO3
dt
k1
SO2
O
M
k2
SO3
O
当d[SO3] /dt = 0 时,SO3浓度达到最大
S O 3 max
k1 SO 2 M
( 7)生物脱硫 利用微生物破坏煤中无机硫和有 机硫,可以达到经济、有效的脱硫,但目前的难 点是找到能破坏煤中硫而不影响碳结构的高效菌 种。国外准备进行半工业实验,国内目前处于起 步阶段。
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产生的SO3通过下述反应消耗:
( 2) ( 3) ( 4)
• 在炽热反应区 ,[O] 浓度很高,反应(1)和(2)起支配作用
2. SO2和SO3之间的转化
• SO3生成速率
d SO3 k1 SO2 O M k 2 SO3 O dt • 当d[SO3] /dt = 0 时,SO3浓度达到最大
第四节
燃烧过程中硫氧化物的形成
有机硫的分解温度较低:700~800K H2S、COS 无机硫的分解速度较慢: 小于800K时FeS、S2、H2S 大于1700K时分解为Fe、S2和COS
含硫燃料燃烧的特征是火焰呈浅蓝色,由于反应:
O SO SO2 hv
• H2S的氧化:萨克简(Sachzan)等研究认为分三个阶段直接氧化、生成OH和生成水
2. CO的形成
2. CO的形成
3. Hg的形成与排放
• Hg对人的肾和神经系统有危害
日本水俣病
• 煤炭燃烧是Hg的一大来源
• 煤中Hg的析出率与燃烧条件有关
• 燃烧温度>900oC时,析出率>90%
• 还原性气氛的析出率低于氧化性气氛
燃煤中Hg的排放路径:气态+飞灰携带 排放形态:二价汞、颗粒结合态汞和单质汞
2. 燃煤烟尘的形成
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素
煤质 燃烧方式
烟气流速
炉排和炉膛的热负荷 锅炉运行负荷 锅炉结构
2. 燃煤烟尘的形成
• 燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——燃烧方式
燃烧方式 手烧炉
占燃料中灰分的质量分数% 15~20
理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟
C m H n O 2 2CO
n H 2 (m 2 ) Cs 2
在预混火焰中,C/O大约为0.5时最易形成黑烟
出现黑烟的燃料顺序为:无烟煤
灰发分烟煤,烟煤最易出现黑烟
焦炭
褐煤
低挥发分烟煤 高
碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关
积炭的生成
1. 2. 3. 核化过程:气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳 核表面上发生非均质反应 较为缓慢的聚团或凝聚过程
• 乙炔火焰中生碳反应过程
影响积碳生成的主要因素
•
燃料的分子结构是影响积炭的主导因素:碳氢
比,不饱和度,支链或直链等
•
• •
积炭的生成与火焰的结构有关
提高氧气量可以防止积炭生成 压力越低则积炭的生成趋势越小
RCH 2S RH RCH 2SH R
硫醇的氧化反应为
RSH O 2 RS HO 2 RS O 2 R SO• 反应方程式 低浓度的SO3通过下述反应产生:
• SO2 + O + M SO3 + M • SO3 + O SO2 + O2 • SO3 + H SO2 + OH • SO3 + M SO2 + O + M ( 1)
2. 燃煤烟尘的形成
烟煤燃烧图
2. 燃煤烟尘的形成
• 烟尘:固体燃料燃烧产生的颗粒物,包括:
黑烟:未燃尽的碳粒
飞灰:不可燃矿物质微粒,是灰分的一部分,含有大量污染 元素
• 煤粉燃烧过程
– 碳表面的燃烧产物为CO,它扩散离开表面并与O2反应
灰层
外扩散 碳层
2. 燃煤烟尘的形成 • 煤粉燃烧过程
2. 燃煤烟尘的形成
• 燃烧碳层中成分和温度分析
2. 燃煤烟尘的形成
• 高灰分燃料的扩散燃烧
燃烧速率方程假设: 灰层边界氧气浓度等于烟气 中氧气浓度,燃料表面氧气 浓度接近于0.
2. 燃煤烟尘的形成
• 灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素
2. 燃煤烟尘的形成
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——煤质
含有较大比例烯烃和芳香烃的燃料易形成有机污染排放。 – 形成历程
1.
2. 3. 4. 5.
链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔。
延长乙炔的链形成各种不饱和基。 不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔。 不饱和基通过环化反应形成C6-C2型芳香族化合物。 C6-C2基逐步合成为多环有机物。
燃烧过程中有机污染物生成的影响因素
1. 碳粒子的生成
• 石油焦和煤胞的生成
燃料油滴在被充分氧化之前,与炽热壁面接触,发生液相 裂化和高温分解,出现结焦。 多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞,难以燃烧。 焦粒生成反应的顺序:烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环
系
沥青
半园体沥青
沥青焦
焦炭 。
石油焦的工业用途和使用现状:
煤胞电镜图片
SO3 max k1SO2 M
k2
• 在富燃料条件下,[O]浓度低得多,SO3的去除反应主要为反应 (3), SO3的最大浓度:
SO3 max k1SO2 M O k3 H
2. SO2和SO3之间的转化
• 燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4,转化率:
碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关 燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM排放水平具有相关性 燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量,但不利于
NOx的控制
同时减少CH和NOx的排放需要仔细控制混合的型式、温度 水平和整个系统的停留时间
当前大气污染控制工程中的关键难题: 氮氧化物与CH、CO等的矛盾
链反应
COS hv CO S S O2 SO O O COS CO SO SO O2 SO2 O
COS
火 焰 中 的 反 应
• 元素S的氧化
硫化物火焰中的元素硫有两种形态:原子态或二聚硫。 低温下纯硫蒸发时,这些蒸汽分子是聚合的,分子式为S8。 谢苗诺夫提出的纯硫氧化链分支反应:
x 100PH SO /(PSO PH SO )
2 4 3 2 4
%
• 转化率与温度密切相关 • H2SO4浓度越高,酸露点越高
• 烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀
2. SO2和SO3之间的转化
SO2排放因子举例-from AP-42
第五节
–
燃烧过程中颗粒物的形成
1.碳粒子的生成
S8 S 7 S S O2 SO O
反应生成物来自如下反应:
S8 O SO S S 6
* SO O SO2 SO2 hv
纯硫氧化的最大特点: SO O2 SO2 O SO3占SOx百分比较高, SO2 O2 SO3 O 达20%,烟气总体此 比例只有约5%。 SO2 O M SO3 M
链条炉 抛煤机炉(机械风动)
沸腾炉 煤粉炉
15~20 24~40
40~60 75~85
手烧炉
链条炉
抛煤机炉
沸腾炉
煤粉炉
2. 燃煤烟尘的形成
• 几种燃烧方式的烟尘颗粒概况
2. 燃煤烟尘的形成
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——热负荷
第六节
燃烧过程中其他污染物的形成
1.有机污染物的形成
CS2链起始反应
CS 2 O2 CS SOO CS O2 CO SO SO O2 SO2 O O CS 2 CS SO CS O SO S O CS 2 COS S S O2 SO O
COS火焰中存在两个区域,一 区是生成CO和SO2,二区是CO 转化为CO2。链反应从COS的 光解开始诱发。
Hg排放控制是燃煤污 染控制的新课题之一。
随堂习题
煤炭的成分分析结果(质量分数)如下: H:5.0%; C:75.8%; N:1.5%; S:1.6%; O:7.4%; 灰分:8.7% 燃烧条件为空气过量20%,空气的湿度为
0.0116mol(H2O)/mol(干空气),并假定完全燃烧,
试计算烟气的组成。
• 有机硫化物的氧化
燃料中的有机硫可能以硫醇、硫化物或二硫化物形式存在,燃
烧产物主要是SO2。
二硫化物氧化初始步骤:
RCH 2SSCH 2R O 2 RCH 2S S CHR HO 2
接着发生基的分解:
RCH 2S S CHR RCH 2S RCHS
通过氢的取代生成硫醇
O H 2 S SO H 2
第一阶段 第二阶段 第三阶段
SO O2 SO2 O O H 2 S OH SH H 2 O OH H H O2 OH O OH H 2 H 2O H
链分支反应
• CS2和COS的氧化: CS2易燃,COS可燃性较差,是CS2火焰中的中间体。