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1、第二章 燃烧与大气污染,福州大学环境工程系,第二章 燃烧与大气污染,2.1 燃料的性质2.2 燃料的燃烧过程2.3 烟气体积计算2.4 燃烧过程中硫氧化物的形成2.5 其他污染物的形成,2-1燃料的性质,定义：在燃烧过程中能够放出热量，且在经济上可以取得效益的物质。,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,2-1燃料的性质,燃料的燃烧特性燃料的化学组成煤的分类和组成燃料组成的表示方法,燃料的燃烧特性,气态燃料：燃烧迅速，由扩散或混合控制液体燃料：以气态形式燃烧，由蒸发过程控制（气态形式燃烧）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸馏过程控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩
2、散控制）,燃料的化学组成,燃料的化学组成,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煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差，发热量大,2、煤的成分分析及分析方式,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。,煤的工业分析
3、,水分：外部水分+内部水分，一般1013挥发分：失去水分的试样密封无氧加热时，分解出的可燃气体物质挥发份越高，越易着火，火焰越长，越易燃烧完全挥发份过高，易产生污染,煤的工业分析,固定炭煤的主要可燃物质以有机态存在灰分：P30：表2-1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,煤中硫的形态,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、煤的成分表示方法,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,3、煤的成分表示方法,干燥基：
4、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,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,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(碳)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.
5、0857 6.43=0.013 S 2.60 32=0.0812 6.43=0.013 O 5.90 16=0.369 6.43=0.057The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057,2-2燃料燃烧过程,影响燃烧过程的主要因素燃料燃烧的理论空气量燃烧过程的热化学关系式,影响燃烧过程的主要因素,空气条件：提供充足的空气；空气量过大，炉温降低，热损失增加温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度。各种燃料的着火温度见表2-4。P38时间条件（Time）：燃料在高
6、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,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,2、燃烧方程式：,燃料重量=12x+1.008y+32z+16w理论空气量：煤 47 m3/kg，液体燃料1011 m3/kg,例题,3、空气过剩系数,定义：部分炉型的空气过剩系数,4、空燃比,定义：单位质量燃料燃料所需要的空气量,燃料燃烧的热化学
7、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：低位发热量：WH、WW燃料中氢和水的质量百分数(水0C时的汽化潜热为2500kJ/kg),例题,已知甲乙丙三厂用煤量及其所用煤低位发热量如下表所示，若三个厂生产的产品、数量、质量均相同，试求三个厂的煤耗，并比较哪个厂的燃料利用率最高。,例题,解：由于三个厂所用煤的发热量不同，不能简单的比较，需将实际煤耗折算成标准煤耗来比较 我国标准煤低位发热量为29 309kJ/kg（即7 000kcal/kg）甲厂标准煤耗：乙厂标准煤耗：丙厂标准煤耗：,2、
8、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,燃烧热损失与空燃比的关系,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,2-3烟气体积及污染物排放量的计算,烟气体积计算污染物排放量计算,烟气体积计算,1、理论烟气体积（）成分：CO2、SO2、N2和H2O状态：干烟气、湿烟气,烟气体积计算,2、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,污染物排放量的计算,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,污染物排
9、放量的计算,方法：在缺乏燃料组成或元素分析数据时，可根据燃料低位发热量q1（kJ/kg）近似估算燃烧所需的理论空气量Va 和产生的理论烟气量Vf（）,估算方程为：,例题,已知某种烟煤的低位发热量为25 110kJ/kg，组成为：试计算燃烧1kg该种煤所需的理论空气量和产生的理论烟气量解题思路：1、按燃烧方程式计算；2、利用低位发热量估算,解：1、根据燃烧方程式计算：（1）首先计算收到基的成分组成,（2）计算理论空气量：,燃烧1kg煤理论需氧量为（53.73+9.225-1.916+0.316）mol61.355mol理论空气量为61.355（1+3.78）mol=293.28mol转化为标态体
10、积：,（3）计算烟气量：,燃烧1kg煤产生烟气为：（燃烧产物+N2）（53.73+18.45+0.343+0.316+1.7）mol+61.3553.78mol306.46mol转化为标态体积：,解：2、根据低位发热量估算：,与第一种方法相比：近似计算误差分别为-0.26%、1.9%,2-4燃料中硫的氧化及硫氧化物的转化,贫燃料区富燃料区,SO2与SO3之间的转化贫燃料区,低浓度的SO3通过下述反应产生了燃烧过程中 SO2+O+MSO3+M(M起吸收能量的作用，反应进程缓慢)在高温反应区，原子氧浓度达到最大，反应过程迅速同时存在反应：SO3+OSO2+O2,在富燃料的CH化合物火焰中，氧原子浓
11、度低得多，反应主要受以下过程控制 SO3+HSO2+OH 同时存在反应：SO2+O+MSO3+MO/H控制反应过程，O/H比小，富燃料条件下，反应基本被抑制，从防腐考虑，降低AF,SO2与SO3之间的转化富燃料区,SO3的转化率/%,2-5燃烧过程NOx的形成及控制,2.5.1 NOx的形成2.5.2 NOx的控制,燃烧过程NOx的形成,N2O温室气体，且参与臭氧层破坏从燃烧系统排出的NOx95以上是NO，其余主要为NO2，实际中均以NO2计,燃烧过程NOx的形成,燃烧过程中NOx的形成1、燃料型NOx（fuel NOx）2、热力型NOx（thermal NOx）3、瞬时NO（prompt N
12、O）,1、燃料型NOx（fuel NOx）,CN+O2（燃烧区）：HCNNH或NH2NO（反应速度快）石油含氮0.65%（W），煤12燃料中2080转化为NO,2、热力型NOx（thermal NOx）,N2+O2（燃烧区）：平衡时NO浓度随温度升高而升高 温度2000K以上时，不到0.1S时间可生成大量NO低温有利于NO2转化,3、瞬时NO（prompt NO）,燃料燃烧的第一阶段：低温火焰中NO形成，温度对瞬时NO形成影响较弱,2.6其他污染物的形成,CH化合物COHg二恶英：多氯二苯并二恶英或多氯二苯并呋喃,Hg的形成与排放,煤碳燃烧是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Hg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一,二恶英的形成机理,1、前躯物异相催化：200500时，烟尘携带氯化铜、氯化铁等催化剂作用下，前躯物催化生成二恶英2、高温生成：FA中碳颗粒在300500时可裂解并在氯作用下转化为前躯物3、重新合成反应：燃烧不充分或热解不充分的二恶英重新合成。（8502s）控制方式：热解、急冷,燃料产物与温度的关系,
