大气燃烧与大气污染.ppt

1,第二章 燃烧与大气污染,本章侧重介绍燃料燃烧过程的基本原理、污染物的生成机理以及如何控制燃烧过程以便减少污染物的产生量。,第二章 燃烧与大气污染,主要内容：第一节 燃料的性质 第二节 燃料燃烧过程 第三节 烟气体积及污染物排放量计算 第四节 燃烧过程硫氧化物的形成 第五节 燃烧过程中其他污染物的形成,第一节 燃料的性质,引言 一、燃料的分类 二、燃料的化学组成 三、煤 四、石油 五、天然气 六、非常规然燃料 小结,4,第一节 燃料的性质一、燃料的分类什么是燃料？所谓燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质。,有哪些常用燃料？燃烧形式？,燃料按物理状态分：固体燃料、液体燃料和气体燃料。,5,燃料的性质影响燃烧设备设计和各种操作条件，也影响大气污染物的形成和排放。,6,二、燃料的化学组成碳：,完全燃烧：7850kcal热量/kg,不完全燃烧：2214kcal热量/kg,与氢、氮、硫等组成有机化合物存在,氢,7,完全燃烧：28780kcal热量/kg,固体燃料中氢含量为2-10%,以碳氢化合物的形式存在,氧和氮,8,硫,与碳、氢生成化合物，降低燃料的发热量,燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%,有机硫,硫化铁硫,硫酸盐硫,挥发硫，产物：SO2和SO3,9,水分,灰分：燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分,外部水分（表面水分）：自然干燥除去,内部水分（吸附水分）：102-105下烘干2h,10,三、煤 1煤的分类,11,2煤的工业分析,我国煤炭的平均灰分为25%,12,表 煤中灰分的组成,煤中灰分的组成,13,煤的结构模型,14,3.煤的元素分析及成分表示方法煤中主要成分包括：碳、氧、氮、硫等元素。常用的基准有：收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种。,收到基（ar-as received）以全部灰分和水分的燃料作为100%成分。各收到基成分的总和用下式表示：,15,16,空气干燥基ad(air dry basis）以去掉外部水分的燃料作为100%的成分，也即在实验室内进行燃料分析时的试样成分。,17,干燥基(dry basis)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。,18,干燥无灰基daf(dry ash free）以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分。干燥无灰基避免了水分和灰分的影响，故比较稳定。,19,神华万利煤矿煤和燃料煤质分析表,四、石油,20,液体燃料,比重0.781.00,含量0.1-7(质量),S以有机硫的形式存在,S 80-90于重馏分中,在轻馏份中，硫以H2S、硫醇、一硫化物、二硫化物、环状硫化物（四氢噻吩）形态存在,五、天燃气,气体燃料,组成：甲烷85、乙烷10、丙烷3,少量其它组分：H20、C02、N2、He和H2S,22,六、非常规燃料,注意二次污染，需要专门的制备技术！,第二节 燃料燃烧过程,引言 一、影响燃烧过程的主要因素 二、燃料燃烧的理论空气量 三、燃烧产生的污染物 四、热化学关系式 小结,24,一、影响燃烧过程的主要因素 1、燃烧过程及燃烧产物 燃烧过程是可燃混合物快速氧化过程，并伴随能量（光和热）的释放。燃烧产物：完全燃烧：CO2、水蒸气、SO2、NO等不完全燃烧：黑烟、CO、其他部分氧化产物燃料燃烧的条件？,25,必要条件,温度条件(temperature):达到着火温度。按 固、液、气体燃料的顺序上升.,燃料与空气的混合条件（湍流度turbulent）,空气条件,时间条件(time):燃料在高温区的停留时间,2、燃料完全燃烧的条件,通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“3T”,26,当温度高于着火温度时，只有燃烧过程的放热速率高于向周围的散热速率，从而能够维持在较高的温度时，才能使燃烧过程继续进行.,27,二、燃料燃烧的理论空气量 1理论空气量 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.它由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。,28,建立燃烧化学方程式时，通常假定：(1)空气仅是由氮和氧组成的,其体积比为79.1/20.93.78；(2)燃料中的固定态氧可用于燃烧；(3)燃料中的硫主要被氧化为SO2；(4)热型NOx的生成量较小，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可以忽略；(5)燃料中的氮在燃烧时转化为N2和NO,一般以N2为主；(6)燃料的化学式为CxHYSZOw，其中下标x、y、Z、W分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。,29,由此可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式。,30,那么，理论空气量,一般煤的理论空气量,液体燃料的,31,2空气过剩系数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，即,通常1，值的大小决定于燃料种类、燃烧装置型式及燃烧条件等因素。,32,33,3.空燃比 空燃比定义为单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧方程式直接求得。例如，甲烷在理论空气量下的完全燃烧,空燃比,34,随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量增加，理论空燃比随之减小。例:汽油(-C8H18)的理论空燃比为：,汽油质量：128+1.00818=114.14,空气的质量：3212.5+283.7812.5=1723,空燃比,35,例2-1 某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下(按质量)：C 88.3；H 9.5；S 1.6；H2O 0.05;灰分0.10。试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量。,36,解：以1kg重油燃烧为基础，则：重量/g 摩尔数 理论需氧数/mol C 883 73.58 73.58 H 95 95 23.75 S 16 0.5 0.5 H2O 0.5 0.0278 0 所以理论需氧量为 73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油。,37,假定干空气中氮和氧的摩尔比（体积比）为3.78，则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为:,38,三、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。,发热量,39,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,40,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,wH、wW-为燃料中氢和水分的质量分数。,燃烧设备的热损失有哪些？,41,2.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。,42,43,（2）不完全燃烧热损失化学不完全燃烧：损失不大，煤粉炉不超过0.5%，油炉和气炉约为1-1.5%，层燃炉1%左右。机械不完全燃烧:由于灰中含有未燃尽的碳造成的。是比较大的一项损失。煤粉炉约为1-5%；液体、气体炉正常燃烧可使该项损失减少到零；层燃炉可高达5-15%。（3）炉体散热损失 这项损失取决于锅炉外表面积的大小、绝热层质量的优劣以及环境温度和风速等。,44,在充分混合条件下，热量总损失在理论空气量下最低；当混合不充分时，热量总损失的最小值出现在空气过量一侧。,第三节 烟气体积及污染物排放量计算,引言 一、燃烧产生的污染物 二、烟气体积计算 三、污染物排放量的计算 小结,46,一、燃烧产生的污染物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（主要为N2）等组成。燃烧可能释放出的污染物有：一氧化碳、硫的氧化物、氮的氧化物、烟、飞灰、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物等。形成与燃烧条件有关。,47,图2-2 燃烧产物与温度的关系,48,二、烟气体积计算 1理论烟气体积在理论空气量下，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。烟气分为干烟气、湿烟气,49,理论烟气体积等于干烟气体积和水蒸气体积之和理论水蒸气体积=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+理论空气量带入的水蒸气体积,50,2烟气体积和密度的校正 若设观测状态下：Ts、Ps、Vs、s 标准状态下：TN、PN、VN、N 根据理想气体状态方程可得标准状态下（273K、1atm）的烟气体积。美国、日本和国际全球监测系统网标态：293K、1atm,51,则标准状态下的烟气体积:,标准状态下烟气的密度:,52,3过剩空气校正实际烟气体积=理论烟气体积+过剩空气量 用奥氏烟气分析仪测定烟气中CO2、O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。,53,以纯碳在空气中的完全燃烧为例:C+O2+3.78N2CO2+3.78N2 若空气过量，则燃烧方程式变为C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2+aO2+(1+a)3.78N2 根据定义，空气过剩系数,要计算，必须知道过剩氧的摩尔数,54,设燃烧是完全燃烧，则过剩空气中的氧只以O2的形式存在，燃烧产物以下标p表示C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2CO2p+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。假定空气的体积组成为20.9O2和79.1N2，则实际空气量中所含的总氧量为：,55,理论需氧量为0.264N2p-O2p，因此空气过剩系数,若燃烧不完全会产生CO，过剩氧量必须加以校正，即从测得的过剩氧中减去氧化CO为CO2所需要的氧。因此,式中各组分的量均为奥式仪所测得的各组分的百分数。,56,例如奥式仪分析结果为：CO210，O24，CO1、那么N285，则:,考虑过剩空气校正后，实际烟气体积：,57,三、污染物排放量的计算 例2-2 对于例2-1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=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以10-6表示（体积比）；并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。,58,解：由例2-1知：重量(g)摩尔数(mol)需氧数(mol)C 883 73.58 73.58 H 95 95 23.75 S 16 0.5 0.5 H2O 0.5 0.0278 0 理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2:73.58 H2O:47.5+0.0278 SOX：0.5 N2:97.833.78,理论需氧量,59,理论烟气量为:73.58+(47.5+0.0278)+0.5+97.833.78=491.4mol/kg重油,即,空气过剩系数=1.20时，实际烟气量为:,烟气中SO2的体积为,SO3的体积为：,理论空气量,60,所以烟气中SO2和SO3的浓度分别为:,当=1.2时，干烟气量为：,CO2的体积为：,所以干烟气中CO2的含量以体积计为：,第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成,引言 一、燃料中硫的氧化机理 二、S02和S03之间的转化 小结,62,一、燃料中硫的氧化机理 1.燃料中硫的氧化产物 主要产物是SO2和S03。在富燃料状态，还有一些其它硫的氧化物。2.硫氧化物(H2S、CS2、COS、元素硫、有机硫)的氧化机理（自学）,63,二、S02和S03之间的转化低浓度的S03通过下述反应产生于燃烧过程中 SO2+O+M SO3+M（1）在高温下，SO3可能会通过下列反应而被消耗:S03+0 S02+02(2)S03+H S02+OH(3)S03+M S02+O+M(4),k1,k2,k3,64,a.在炽热的反应区:反应(1)和(2)支配整个的反应。S03生成速率,当,SO3浓度达到最大,根据k1、k2和M的估值可以求得SO3max的数值。估算结果：SO3max为SO2浓度的0.1%-5%。,65,b.在富燃料条件下，O浓度低得多，SO3的去除反应主要为（3），则:,O/H控制着SO3max的数值；防腐；动力学预测：SO3最终浓度是浓度的1/40-1/80，这与工业上的经验是一致的。,66,在有些燃烧设备中，烟气离开炉膛进入低温受热面，烟气温度虽然降低了，但SO3的生成量不断增加,为什么？,67,原因：金属氧化物的催化作用（与温度有关）Fe2O3在590左右催化作用最大；V2O5在540左右出现最大值；据报道，在富含钒的燃料油燃烧烟气中，SO3的产生量高达30%；其他氧化物如氧化硅、氧化铝、氧化钠等对SO2的氧化均有一定的催化作用；受热面的燃料灰也能促进催化作用；SCR法烟气脱硝过程也会导致SO2向SO3的转化。,第五节 燃烧过程中颗粒污染物的形成,引言 一、炭粒子的形成 二、燃煤烟尘的形成 小结,69,一、碳粒子的形成1.积炭的生成：气相反应生成积炭火焰中形成的积炭至少含有1%（重量）的氢，近似相当于C8H。粒子直径在100-2000范围。,生成积炭的过程：,核化过程：发生气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳,非均质反应：在核表面发生,凝聚过程,70,是否出现积炭取决于核化步骤和氧化这些中间体的那些反应速率是否较快。影响积炭的主导因素：燃料的分子结构在扩散火焰中，碳的生成顺序：萘苯炔双烯单烯烷或 芳香烃炔烃烯烃烷烃在预混火焰中 萘苯醇烷烯醛炔,71,防止积炭生成：燃料与足量的氧化合；压力越低，积炭生成趋势越小；三氧化硫、气态氢、镍和碱土金属盐能够抑制碳的生成。工业汽油中加入钡盐抑制积炭的生成。,72,2.石油焦和煤胞的生成（液态烃燃料高温分解）石油焦：比积炭更硬煤胞：多组分重残油燃烧生成，生成顺序：烷烃烯烃带支链芳香烃凝聚环系柏油沥青半圆体沥青沥青焦焦炭煤胞外形为微小空心的球形粒子，其大小与油滴的直径成正比，一般为10-300m。,73,二、燃煤烟尘的形成1、燃煤粉尘的形成：固体燃料燃烧产生，包括黑烟和飞灰理想条件下，是否容易形成黑烟，与煤的种类和质量有很大关系。易于燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤焦煤褐煤低挥发分烟煤高挥发分烟煤,74,2、影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素,煤质,燃烧方式,烟气流速,炉排和炉膛热负荷,锅炉运行负荷,75,煤质(灰分和水分含量以及颗粒大小)：灰分越高，含水量越少，则排尘浓度就越高；,76,燃烧方式对烟尘浓度及颗粒分布影响很大（煤粉炉烟尘颗粒最细）。,77,煤粉炉,抛煤机炉,流化床燃烧,气旋炉,78,几种燃烧方式的烟尘颗粒概况,烟气流速（锅炉引风）：自然引风锅炉排尘浓度较低，只适用于小锅炉；机械引风锅炉，需合理地控制风量，防止引风带尘的浓度过高。,79,80,炉排和炉膛的热负荷：炉排热负荷是指每平方米炉排面积上每小时燃料燃烧所释放出来的热量。炉排热负荷增加，灰分被气流夹带而飞逸的可能性就越大。炉膛热负荷是每立方米炉膛容积内每小时燃料燃烧所释放出的热量。保持足够的燃烧空间，提高消烟效果。,81,锅炉运行负荷：锅炉运行负荷是指锅炉每小时蒸发量与该锅炉额定蒸发量的百分比。锅炉负荷越高，燃煤量越大，烟气量必然增大，排尘浓度就会增加。,第六节 燃烧过程中汞污染物的形成,引言 一、煤炭中汞含量及赋存形态 二、影响烟气中汞存在形态的主要因素 小结,83,一、煤炭中汞含量及赋存形态1、煤炭中汞含量美国煤炭中平均汞含量为0.060.33mg/kg;我国煤炭中平均汞含量为0.15mg/kg。2、煤中汞的赋存形态与其成因密切相关：黄铁矿是煤中最普遍的汞载体；汞也以硒化物形式存在，或以有机汞的形式存在。,84,图 2-12 煤燃烧过程颗粒态汞的形成路径,燃煤烟气中汞有三种形态：与颗粒结合的汞(Hgp)、单质汞(Hg0)、二价的气态汞(Hg2+),二、影响烟气中汞存在形态的主要因素1、燃煤种类的影响 燃烧所用煤种不同，烟气中汞的形态分布也不同。烟煤燃烧时，烟气中Hg2+含量较高，Hg0含量偏低；褐煤在燃烧时，烟气中Hg0的含量却较高。褐煤燃烧所产生烟气中单质汞含量最高，亚烟煤次之，烟煤最低。,85,86,2、燃烧方式以及添加剂的影响 与司炉和链条炉相比，煤粉炉中煤粉与空气接触更加充分，燃烧效率较高，形成的烟气中气态汞含量相对较高，而留在底渣中的汞相对较少。在燃烧过程中，向炉膛内加入一定量的CaO等添加剂，温度超过400时，所释放的烟气中气态单质汞含量将明显减少。,87,88,对燃煤的循环流化床锅炉的汞平衡计算结果表明：不加石灰石，烟气中汞的浓度为0.17mg/m3N；添加石灰石（Ca/S=2.2）下，烟气中汞的浓度为0.0180.044mg/m3N，且在飞灰和灰渣中的汞的比例明显增加。燃煤飞灰和添加的吸附剂可以捕集烟气中的汞。,89,图2-13 煤燃烧过程中汞的流向示意图,3、温度的影响温度高于900K时，烟气中的汞主要是以Hg0(g)的形式存在，占99%，同时有少量的氧化汞HgO，约占1%。温度低于750K时，主要形式是氯化汞HgCl2(g),90,4、烟气成分的影响（1）含氯物质一般认为烟气中Hg的氧化态物质主要是HgCl2，是含氯物质(Cl2、HCl、Cl等)与Hg作用的结果。,91,（2）硫元素 在氧化性气氛的烟气中，随着烟气温度的降低，单质汞将发生化学反应而生成氧化汞，硫元素的存在可以促进汞元素以固相硫酸汞(HgSO4)的形式沉积下来。但烟气中高硫含量会抑制汞元素蒸气的氧化以及氯化汞的形成，使硫酸汞作为稳定相的温度范围变窄。,92,煤中S/Cl比率较低时，硫元素基本上不影响烟气中汞的存在形态,取而代之的是氯元素。提高S/Cl比率会抑制氯化汞的形成，使单质汞作为稳定相的温度范围增宽。烟气中高浓度的SO2不仅会促进硫酸汞在灰粒表面凝结，而且还会通过抑制Cl2(g)的形成抑制HgCl2(g)的形成。,93,（3）一氧化氮 NO既能促进单质汞的氧化也能阻碍单质汞的氧化,这取决于NO浓度的高低，而NO能与OH的反应,应是阻碍单质汞氧化的原因。,94,（4）飞灰 飞灰对汞形态分布的影响主要包括以下2个方面：(1)对气相汞的吸附；(2)对气相单质汞的催化氧化。飞 灰对汞的吸附主要通过以下途经：物理吸附、化学吸附、化学反应以及上述3者的结合。,95,3.5 烟气气氛的影响 过量空气系数对Hg0和Hg2+比例影响较大，氧化性烟气气氛对元素汞的氧化有促进作用，而还原性烟气气氛则不利于氧化态汞的生成。大部分锅炉烟气都是还原性气氛，这是元素汞占总汞主要部分的原因。,96,有效控制燃煤过程汞的排放，是控制燃煤污染的课题之一。,2015年起,汞的排放将纳入国家的监管,需要引起注意和观察。,思考题1、燃料的分类、煤的分类？煤的工业分析指标？煤的元素分析常用的基准？煤中硫的形态？2、燃料完全燃烧的条件？什么是理论空气量、空气过剩系数、空燃比、发热量？3、理论空气量的计算？4、燃烧设备的热损失包括哪些方面？5、什么是理论烟气体积？6、理论烟气体积、实际烟气体积的计算？烟气中污染物浓度的计算？7、影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素8、煤中汞的赋存形态？燃烧烟气中汞的存在形态？,97,