大氣污染控制 第二章燃燒與大氣污染

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1、第二章 燃燒與大氣污染 第一節(jié)第一節(jié) 燃料的性質(zhì)燃料的性質(zhì)燃料燃料： 是指在燃燒過(guò)程中，能夠放出熱量，且在經(jīng)濟(jì)上可行的物質(zhì)。 煤、石油、天然氣等稱(chēng)為常規(guī)燃料。氣體燃料：燃繞迅速，其燃燒狀態(tài)可基本上由空氣和燃料的擴(kuò)散或 混合所控制。液體燃料：是以氣態(tài)形式燃燒，它的燃燒速度受蒸發(fā)過(guò)程控制。固體燃料：燃料中揮發(fā)分被蒸餾后以氣態(tài)燃燒。固定碳以固態(tài)燃燒， 受氧向固體表面擴(kuò)散控制一、煤一、煤 植物原料變成煤的過(guò)程稱(chēng)之為“煤化”過(guò)程。 不同種類(lèi)的植物及其不同的腐蝕程度，形成不同成份的煤。 1. 煤的分類(lèi)煤的分類(lèi) 褐煤：褐煤：最低品位的煤，形成年代最短，呈黑色、褐色或泥土色，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于木材；C 6075，O

2、 2025，水分、灰分較高，燃燒熱值較低，不能用于制焦炭，易于破裂。 煙煤：煙煤：形成年代較褐煤久遠(yuǎn)，呈黑色，外形有可見(jiàn)條紋，C 7590，揮發(fā)分2045，成焦性好，含氧低，水分、灰分含量不高，適合工業(yè)應(yīng)用。 無(wú)煙煤：無(wú)煙煤：煤化時(shí)間最長(zhǎng)，C 93，無(wú)機(jī)物含量低于10，有明亮的黑色光澤，機(jī)械強(qiáng)度高，不易自燃，成焦性極差。 2. 煤的組成（煤的組成（分析方法） 工業(yè)分析：測(cè)定水分、灰分、揮發(fā)分、C、S、熱值。 元素分析：測(cè)定除水分外的C、S、H、O、N 等。等。 3. 煤中硫存在的形式：煤中硫存在的形式： 黃鐵礦硫FeS2 硫化鐵硫 白鐵礦硫FeS 無(wú)機(jī)硫 砷黃鐵礦硫 元素硫煤中全硫 硫酸鹽硫

3、石膏CaSO42H2O 綠礬FeSO47H2O 硫醇R-SH、硫醚R-S-R 有機(jī)硫 二硫化物R-S-S-R 噻吩類(lèi)雜環(huán)硫化物 硫醌類(lèi)化合物4. 煤的成份表示方法煤的成份表示方法 收到基（全部計(jì)入）、空氣干燥基（去掉外部水份）、干燥基（去掉全部水份）、干燥無(wú)灰基（去掉全部水份和灰份）。二、石油（原油）二、石油（原油） 天然存在易流動(dòng)的液體，比重0.781.00 烷基石油（石蠟基石油） 分類(lèi) 環(huán)烷基石油（瀝青基石油） 混合基石油 采用常壓精餾、減壓精餾方法煉油。 輕汽油50-140、汽油140-200、航空煤油145-230、 煤油180-310、柴油260-350、潤(rùn)滑油350-520重油（渣

4、油）520煉油廠常還有催化重整和裂化等加工過(guò)程。石油中硫含量0.17，硫化物存在形式：H2S、RSH、RSR、RSSR、環(huán)狀硫化物等，總有種臭味，有腐蝕性。石油中氮化物含量少，一般膠質(zhì)越多，氮化物越多。石油中的S經(jīng)加工后80-90留于重餾分中，以復(fù)雜的環(huán)結(jié)構(gòu)存在。脫硫難、費(fèi)用高。 三、三、 天然氣天然氣 天然氣：CH4 85、乙烷10、丙烷3 其它組分：H2O、N2、He、H2S等 油田氣：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷 其它組分：H2S、CO2、N2、NH3等 液化石油氣 四、四、 非常規(guī)燃料非常規(guī)燃料除上述三種之外，其它可燃性物質(zhì)都在此例。非常規(guī)燃料經(jīng)加工或改善其燃燒特性，可代替或部分代替常

5、規(guī)燃料，同時(shí)又是處理廢棄物的有效方法。但可能帶來(lái)較常規(guī)燃料更嚴(yán)重的空氣污染。第二節(jié)第二節(jié) 燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程 燃燒燃燒：是可燃混合物的快速氧化過(guò)程，并伴隨看光和熱的釋放，同時(shí)使燃料的組分元素轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氧化物（一般為CO2、H2O等）。 一、一、 影響燃燒過(guò)程的主要因素影響燃燒過(guò)程的主要因素 1. 燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物完全燃燒：完全燃燒：最終產(chǎn)物是CO2、H2O、SO2。不完全燃燒：不完全燃燒：產(chǎn)生黑煙、CO及其它不完全燃燒產(chǎn)物。 同時(shí)產(chǎn)生空氣污染物：SOx、NOx、黑煙等。 2. 燃料完全燃燒的條件燃料完全燃燒的條件 空氣條件：適當(dāng)?shù)娜剂吓c空氣比例 溫度條件：必須達(dá)到著火溫度

6、時(shí)間條件：燃燒過(guò)程中燃料停留時(shí)間 混合條件：湍流度（燃料與空氣混合程度） 溫度、時(shí)間、湍流度統(tǒng)稱(chēng)為“三T” 。 二、燃料燃燒的理論空氣量二、燃料燃燒的理論空氣量 1. 理論空氣量燃料完全燃燒所需要的空氣量。 2. 空氣過(guò)剩系數(shù)（a）實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。a = 3. 空燃比（AF）：按化學(xué)計(jì)量系數(shù)計(jì)算所需空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比。 如： CH4+2O2+7.52N2CO2+2H2O+7.52N2 22)24(76.3)24(NwzyxOwzyxCxHySzOwQNwzyxzSOOHyxCO2222)24(76. 32)1632008. 112()24(76. 44 .220wzyxwzyx

7、VaVaVa016.171612852. 7322AF三、燃燒產(chǎn)生的污染物三、燃燒產(chǎn)生的污染物 燃燒煙氣的組成：燃燒煙氣的組成：少量顆粒物、完全燃燒產(chǎn)物、未燃燒或部分燃燒的燃料、氧化劑及惰性組分等。 燃燒污染物：CO、SOx、NOx、煙、飛灰、金屬及其氧化物、金屬鹽類(lèi)、醛、酮、和稠環(huán)炭氫化合物等。 我國(guó)的煤為燃料還可能有：汞、砷等微量重金屬及氟、氯等鹵素污染和低水平的放射性污染。 四、熱化學(xué)關(guān)系式四、熱化學(xué)關(guān)系式 1. 發(fā)熱量發(fā)熱量 單位燃料完全燃燒時(shí)所發(fā)生的熱量變化(298k、1atm)。 kJ/m3(氣)、kJ/kg（液、固） 高發(fā)熱量qH、低發(fā)熱量qL qL=qH-25(9wH+ww)

8、式中： wH、ww分別為燃料中氫和水的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。 2. 燃燒設(shè)備的熱損失燃燒設(shè)備的熱損失燃料燃燒產(chǎn)生的熱量?jī)H只有一部分能夠被有效利用： （1）排煙熱損失 6-12煙溫每升高12-15，排煙熱損失增大1。 工業(yè)鍋爐排煙溫度433-473K。大、中型鍋爐排煙溫度383-473K。 排煙溫度過(guò)低會(huì)造成受熱面的弱性腐蝕。 （2）不完全燃燒熱損失 包括：殘余氣體損失（煙道氣中含CO、CH4、H2等）、灰渣損失、飛灰損失、漏煤損失等。 （3）設(shè)備散熱損失 包括：鍋爐爐墻、爐筒、聯(lián)箱、汽水管道等部分設(shè)備的散熱損失。第三節(jié)第三節(jié) 煙氣體積及污染物排放量計(jì)算煙氣體積及污染物排放量計(jì)算 一、一、 煙氣體積計(jì)算：

9、煙氣體積計(jì)算： 1. 理論煙氣量：理論煙氣量：Vfgo 定義定義：供給理論空氣量下，燃料完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量。 主要成分：CO2、N2、SO2、水蒸汽等。 通常：把水蒸汽除外的煙氣稱(chēng)為干氣，反之稱(chēng)為濕氣。 2. 煙氣體積和密度的校正煙氣體積和密度的校正 煙氣可視為理想氣體，按理想氣體校正時(shí)，注意標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。國(guó)內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為（273K、1atm），美國(guó)、日本和國(guó)際全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)為（298K、1atm） SNNSSNTTPPVVNSSNSNTTPP 3. 過(guò)?？諝庑Ｕ^(guò)?？諝庑Ｕ?由煙道氣組成計(jì)算過(guò)剩系數(shù) 如煙道氣中有CO產(chǎn)生，則必須校正： 煙氣體積計(jì)算：二、污染物排放量的計(jì)算（略）二、污染物排放

10、量的計(jì)算（略）PPPPPPONOONO222222266. 012179211)5 . 0(268. 05 . 01222PPPPPCOONCOO) 1(VVVfgfgo第四節(jié)第四節(jié) 燃燒過(guò)程硫氧化物的形成與控制燃燒過(guò)程硫氧化物的形成與控制 一、燃料中的硫一、燃料中的硫 燃料種類(lèi) 汽油和柴油 重油A 重油B 煤 碳 含硫量 0.25-0.75 0.2-2.8 0.6-5.0 0.5-5.0 含氮量 0.08-0.4 0.08-0.04 0.5-2.5 產(chǎn)生的污染物主要是：SO2、SO3、硫酸霧、酸性塵、酸雨等。 二、二、 燃燒過(guò)程含硫污染物的生成燃燒過(guò)程含硫污染物的生成 1. 二氧化硫二氧化硫

11、 a1時(shí)，有機(jī)硫分解，SO2、S、H2、SO。 a1時(shí)，全部氧化為SO2。煙氣中SO2的含量正比于原料中S含量。煤中的硫酸鹽進(jìn)入灰分中。 2. 三氧化硫三氧化硫 煙中的SO2約有0.5-2.0左右被進(jìn)一步氧化為SO3。SO2氧化為SO3的機(jī)理有兩種： 氧分子在高溫火焰區(qū)離解成氧原子，氧原子再與SO2反應(yīng)生成SO3 SO3的生成速度 空氣過(guò)剩系數(shù)、溫度、反應(yīng)時(shí)間 SO3 因此不希望火焰中心溫度過(guò)高，也不希望火焰拖得太長(zhǎng)，以SO3濃度過(guò)高。對(duì)流受熱面上的積灰和氧化膜的催化作用。 積灰中含有：V2O5、氧化硅、氧化鋁、氧化鈉等都有一定催化作用。加速二氧化硫的氧化。 3112SOSOOkkOO2231

12、213SOkOSOkdtsod 3. 硫酸硫酸 SO3+H2O H2SO4 200-400開(kāi)始進(jìn)行，110反應(yīng)基本結(jié)束，形成硫酸蒸汽。 硫酸蒸汽凝結(jié)鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕硫酸塵 排入大氣硫酸霧 SO2氧化大氣SO3硫酸霧酸性雨 4. 酸性塵酸性塵硫酸蒸汽凝結(jié)在微小煙塵粒子的表面，然后這些粒子粘結(jié)在一起，長(zhǎng)大成雪片以的酸性塵。酸性塵一般尺寸較大，隨煙氣排入大氣后，降落在煙囪周?chē)貐^(qū)，造成污染。三、燃燒過(guò)程三、燃燒過(guò)程SOx的形成控制的形成控制 采用低硫燃料（儲(chǔ)量不大） 燃料脫硫 控制辦法 燃燒過(guò)程脫硫 煙氣脫硫（治理技術(shù)）（一）（一） SO2生成控制生成控制 1. 燃料脫硫燃料脫硫 煤的洗選 煤

13、中無(wú)機(jī)硫FeS2、FeS比重為5 比重差距大 清潔煤的比重為1.25只能除無(wú)機(jī)硫，不能除有機(jī)硫。 煤的氣化利用水蒸汽、氧氣或空氣作氧化劑，在高溫下與煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成H2、CO、CH4等可燃性氣體（煤氣）。 煤氣中的硫以H2S的形式存在，可采用干法和濕法脫除。 煤的液化直接液化、間接液化。燃油脫硫采用催化加氫脫硫或加氫裂解的方法，使原料中的硫與氫起反應(yīng)，生成H2S，即可使硫脫除，同時(shí)也可除掉氮化物。 2. 燃燒過(guò)程脫硫燃燒過(guò)程脫硫燃燒過(guò)程加入石灰石或白云右粉作脫硫劑 CaCO3CaO+CO2 CaO+SO2+O2CaSO4 脫硫劑用量Ca/S摩爾比： 脫硫劑消耗量Ca的百分含量40.1 燃料

14、消耗量 S的百分含量32 層燃爐（采用固硫型煤）工業(yè)燃煤爐 懸燃爐（熔渣排渣、可部分脫硫） 沸騰爐（脫硫效果好，值得推廣） SCa（二）（二） SO3生成控制生成控制 SO2+O SO3 降低煙氣中剩余氧濃度，可降低SO3的濃度。發(fā)展低氧燃燒技術(shù)（即小的過(guò)剩空氣系數(shù)），一般低于1.05，且有低于1.02-1.03。同時(shí)也可降低NOx濃度。缺點(diǎn)：技術(shù)不過(guò)關(guān)時(shí)，會(huì)使排煙中粉塵濃度增大，不完全燃燒損失增大。組織低氧燃燒，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：選用性能良好的霧化器，以獲得良好的霧化效果。選用性能良好的調(diào)風(fēng)器，以獲得需要的動(dòng)力工況，并保證燃料與空氣良好配合，達(dá)到完全燃燒。選用結(jié)構(gòu)良好的配風(fēng)系統(tǒng)，保證各燃燒器空

15、氣分配均勻。選用高質(zhì)量的儀表和自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備。 低氧運(yùn)行時(shí)（過(guò)剩氧氣濃度為1.5），煙氣中SO3濃度低（10-20ppm），可有效防止雪片生成。 第五節(jié)第五節(jié) 燃燒過(guò)程中顆粒污染物的形成燃燒過(guò)程中顆粒污染物的形成一、碳粒子的生成一、碳粒子的生成 燃燒過(guò)程生成的顆粒污染物主要是碳的粒子，通常由氣相反應(yīng)生成積炭積炭，由液態(tài)烴燃料高溫分解產(chǎn)生的那些粒子都是結(jié)焦或煤胞結(jié)焦或煤胞。1. 積炭的生成積炭的生成 燃燒時(shí)，由于燃料與空氣混合不均，存在局部地方缺氧，高溫下燃料受熱發(fā)生脫氫、分解、聚合、經(jīng)芳烴族環(huán)而產(chǎn)生的炭黑粒子。例如：乙烷裂解 C C2 2H H6 6 C C2 2H H4 4 + H + H2

16、2 C C2 2H H2 2 + H + H2 2 2C +3H 2C +3H2 2 2C + H 2C + H2 2 3C 3C2 2H H4 4 C C6 6H H6 6 + 3H + 3H2 2 多環(huán)芳烴多環(huán)芳烴 C C 預(yù)混燃燒 (可避免) 氣體燃料燃燒 擴(kuò)散燃燒 (難避免) 積炭的特點(diǎn)：積炭的特點(diǎn)：粒徑小，0.02-0.05um；表面積大，每公斤可達(dá)數(shù)萬(wàn)平方米；收集的煙塵呈絮狀，體積大，重量輕。如果讓碳?xì)浠衔锶剂吓c足量的氧化合，能夠防止積炭生成。在所有火焰中，壓力越低則積炭生成趁勢(shì)越小。三氧化硫、氣態(tài)氫、鎳和堿土金屬鹽都能抑制碳的生成。 2. 石油焦和煤胞的生成石油焦和煤胞的生成

17、燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，會(huì)導(dǎo)致液相裂化，接著發(fā)生高溫分解，最后出現(xiàn)結(jié)焦。由此產(chǎn)生的碳粒叫石油石油焦焦，比積炭更硬。 燃料油霧滴在高熱流強(qiáng)度下，液滴內(nèi)部發(fā)生高溫分解，外部結(jié)焦成微小的空心球，稱(chēng)之為煤胞。其大小與油滴直徑成正比，一般為1030um。二、燃煤煙塵的形成二、燃煤煙塵的形成固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物通常稱(chēng)為煙塵煙塵，包括黑煙和飛灰兩部分。黑煙：黑煙：主要是未燃盡的炭粒。飛灰：飛灰：主要是燃料所含的不可燃礦物質(zhì)微粒。1. 煤粉的燃燒過(guò)程 煤的熱解很容易形成多環(huán)化合物，這樣就會(huì)冒黑煙。出現(xiàn)黑煙的燃料順序?yàn)椋?高揮發(fā)分煙煤、低揮發(fā)分煙煤、褐煤、焦碳、無(wú)煙煤 減少未燃盡碳粒的途

18、徑：改善燃料和空氣的混合，保證足夠高的燃燒溫度，以及碳粒在高溫區(qū)必要的停留時(shí)間。2. 影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素 煙煤尾氣中飛灰的濃度和粒度與煤質(zhì)、燃燒方式、煙氣流速、爐排、鍋爐運(yùn)行負(fù)荷以及鍋爐結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。第六節(jié)第六節(jié) 燃燒過(guò)程中其它污染物的形成燃燒過(guò)程中其它污染物的形成 一、有機(jī)污染物的形成一、有機(jī)污染物的形成 有機(jī)污染物：指未燃盡的碳?xì)浠衔?，是燃料燃燒不完全的結(jié)果。烷烴：對(duì)人類(lèi)身體危害不嚴(yán)重。多核有機(jī)化合物（POM）：引起癌癥。較活潑碳?xì)浠衔铮簩?dǎo)致光化學(xué)煙霧。 排出尾氣中碳?xì)浠衔锏南鄬?duì)濃度受燃料組成的影響很大。 積炭是未燃盡的碳?xì)浠衔锎嬖谙滦纬傻模慈急M的碳?xì)浠衔?/p>

19、未必導(dǎo)致結(jié)炭。 尾氣中的碳?xì)浣M分是在低溫下燃燒形成的，降低尾氣中碳?xì)浠衔餄舛扰c降低NO x濃度的方法相矛盾。 二、二、 CO的形成的形成 CO是所有污染物中量最大、分布最廣的一種，也是由燃燒過(guò)程產(chǎn)生的主要污染物之一。主要來(lái)源是汽車(chē)尾氣。自然界大氣中：北半球 0.14 ppm、南半球 0.06 ppm 所有燃料中含有的碳都將優(yōu)先形成CO，然后與氧繼續(xù)反應(yīng)生成CO2。 當(dāng)氧氣足夠多且反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，CO可降低到很低的水平。 燃燒過(guò)程中，CO的濃度總是大于平衡濃度。控制CO的濃度應(yīng)集中在完全氧化CO，而非控制它的形成 。三、汞的形成與排放三、汞的形成與排放 汞揮發(fā)性很強(qiáng)，對(duì)人造成腎功能衰減、損害神經(jīng)系統(tǒng)等。 燃燒溫度高于900時(shí)，汞柝出率過(guò)90%。還原氣氛下的析出率低于氧化氣氛。添加石灰時(shí)，在飛灰和灰渣中的汞的比例明顯增加。 有效控制燃煤過(guò)程的汞排放，是控制燃煤污染的新課題之一。