第二章燃烧与大气污染.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 燃烧与大气污染,燃料的性质,燃料燃烧过程,烟气体积及污染物排放计算,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,.,主要内容,学习要求,第一节 燃料的性质,1.,燃料的分类,按,获得方法,分,按,物态,分,天然燃料,人工燃料,固体燃料,木柴、煤、油页岩,木炭、焦炭、煤粉等,液体燃料,石油,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,2.,燃料的化学组成,典型液体、气体和固体燃料的化学组成成分,2.,燃料的化学组成,典型液体、气体和固体燃料的化学组成成分,液体燃料与固体燃料相比具有的特征,：,(1),液体燃料的发热值高，容易贮藏和运输；,(2),一般来说燃烧液体燃料所产生的煤烟比燃煤时少；,(3),燃烧含硫高的重质油将会产生较多的,SO,2,气态污染物；,(4),燃料油中灰分含量较少；,(5),液体燃料种类很多，根据要求采用适宜的燃料油组织燃烧。,气体燃料具有如下特征,：,(1),燃烧效率较高，用少量过剩空气就充分燃烧，烟量很少；,(2),大多数气体燃料含硫量很低；,(3),气体燃料不含有灰分，因此，烟气中没有烟尘。,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。,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,SO,2,和,SO,3,，其中,SO,2,占,95%,以上。,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。,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,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。,4.,煤的分类和组成,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,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,4.,煤的分类和组成,煤的工业分析（续）,固定碳,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：,煤中不可燃矿物质的总称,4.,煤的分类和组成,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,4.,煤的分类和组成,煤的元素分析,碳和氢：,通过燃烧后分析尾气中,CO,2,和,H,2,O,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 SO,4,2-,，滴定,4.,煤的分类和组成,煤中硫的形态,4.,煤的分类和组成,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,4.,煤的分类和组成,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,4.,煤的分类和组成,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,4.,煤的分类和组成,我国部分煤种的分析结果,4.,煤的分类和组成,我国部分煤种的分析结果,(,续）,5.,其他燃料,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,3,5.,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,6.,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:CH,0.808,N,0.013,S,0.013,O,0.057,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,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：,CO,2,、,H,2,O,不完全燃烧：,CO,2,、,H,2,O&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,SO,2,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,）,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,1.,影响燃烧过程的主要因素,典型燃料的着火温度,1.,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,CH,4,为例）,1.,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,1.,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,2.,燃料燃烧的理论空气量,建立燃烧方程式的假定：,空气组成,20.9%O,2,和,79.1%N,2,，两者体积比为：,N,2,/O,2,=3.78,燃料中固定氧可用于燃烧,(,可替代一部分氧气,),燃料中硫主要被氧化为,SO,2,不考虑,NO,X,的生成,燃料中的,N,在燃烧后以,N,2,形式存在,燃料的化学方程式为,CxHySzOw,2.,燃料燃烧的理论空气量,燃烧方程式：,1mol,燃料的重量,=12x+1.008y+32z+16w,燃烧,1Kg,燃料需要的理论空气量：,经验值：煤,4-7 m,3,/kg,，液体燃料,10-11 m,3,/kg,2.,燃料燃烧的理论空气量,例题：,2.,燃料燃烧的理论空气量,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,3.,燃烧过程中产生的污染物,燃烧可能释放的污染物：,CO,2,、,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,3.,燃烧过程中产生的污染物,燃烧产物与温度的关系：,3.,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）：,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：,4.,热化学关系式,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,4.,热化学关系式,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。,4.,热化学关系式,燃烧热损失与空燃比的关系,第三节 烟气体积及污染物排放量计算,1.,烟气体积计算,理论烟气体积,CO,2,、,SO,2,、,N,2,和,H,2,O,干烟气、标准干烟气、湿烟气,烟气体积和密度的校正,转化为标态下（,273K,、,1atm,）的体积和密度,注意：美、日和全球监测系统网的标态为,298K,、,1atm,。,1.,烟气体积计算,过剩空气校正,实际空气量,=,（,1+,）,（,O,2,+3.78N,2,）,完全燃烧：与理论空气量相比多,（,O,2,+3.78N,2,）,此时烟气中，,O,2,的量为,O,2P,=,O,2,，,N,2,的量为,N,2P,=3.78,（,1+,）,N,2,空气中,O,2,=,（,20.9/79.1,）,N,2,=0.264N,2,，即进入燃烧系统的空气总氧量为,0.264N,2P,1.,烟气体积计算,过剩空气校正,充分燃烧理论需氧量,=0.264 N,2P,-O,2P,，空气过剩系数,=1+O,2P,/,（,0.264 N,2P,-O,2P,）,假如燃烧过程中产生,CO,，过剩氧量必须加以校正：,O,2P,-0.5 CO,P,=1+,（,O,2P,-0.5 CO,P,）,/0.264 N,2P,-,（,O,2P,-0.5 CO,P,）,以上组分的量均可由烟气分析仪测定。,2.,污染物排放量计算,方法：,根据实测的污染物浓度和排烟量,根据燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度,排放因子（,Emission Factor,）,2.,污染物排放量计算,排放因子举例（烟煤、次烟煤,SOx,、,NOx,、,CO,）,2.,污染物排放量计算,排放因子举例（烟煤、次烟煤,PM,）,2.,污染物排放量计算,排放因子举例（机动车）,EF,车型,污染物,2.,污染物排放量计算,例题,p48 2-4,2-5,：,eg.,已知某种烟煤的组成为：,C,daf,84.54%,O,daf,8.04%,H,daf,4.84%,N,daf,1.26%,S,daf,1.32%,A,d,21.32%,W,ar,3.06%,。计算燃烧,1Kg,该种煤所需要的理论空气量和产生的理论烟气量。（假定空气中不含水分）,例题,eg.,在缺乏燃料组成或元素分析数据时，可以根据燃料的低位发热量,q,1,(KJ/Kg),近似估算燃烧所需要的理论空气量,V,a,和产生的理论烟气量,V,f,(m,3,/Kg),估算方程为：,V,a,=aq,1,+b,V,f,=a,q,1,+b,对于固体燃料，,a=0.000241,b=0.5,a,=0.000213,b,=1.65,。用这种方法估算上个例题中的煤燃烧所需的理论空气量和理论烟气量，已知这种煤的低位发热量为,25110KJ/Kg,。,例题,思考题,1.,液体燃料的特点。,2.,气体燃料的特点。,3.,举例说明几种新型燃料。,4.,燃烧计算中的几个假设。,5.,燃烧过程中的计算。,