2《大气污染控制工程》第二章Word格式文档下载.docx

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它具有明亮的黑色光泽，机械强度高。

碳含量一般高于93％，无机物含量低于10％，因而着火困难，储存时稳定，不易自燃。

成焦性极差。

2.煤的工业分析

煤的工业分析包括测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳，以及估测硫含量和热值，这些是评价工业用煤的主要指标。

①水分：

水分包括外部水分和内部水分。

测定外部水分的方法是：

称取一定量的13mm以下粒度的煤样，置于干燥箱内，在318—323K温度下干燥8h，取出冷却．干燥后所失去的水分质量占煤样原来质量的百分数就是煤的外部水分（Ww）。

测定内部水分的方法是：

将上述失去外部水分的煤样继续在375—380K下干燥约2h．所失去的水分质量占试样原来质量的百分数即内部水分（Wn）。

两部分水分之和即为煤所含的全水分。

②灰分：

灰分是煤中不可燃矿物物质的总称，其含量和组成因煤种及粗加工的不同而异。

煤中灰分的存在，降低了煤的热值，也增加了烟尘污染及出渣率。

高灰分、低的熔点的煤极易结渣，使煤不能充分燃烧，从而影响热效率。

（我国煤碳的平均灰分约为25%），以氧化物形式表示，灰分的组成见表2-1（P29）

③挥发分：

挥发分系煤干馏时所释放出的气态可燃物质．通过将风干的煤样在1200K的炉个加热7min而测定。

挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳及少量的硫化氢等组成。

在相同的热值下，煤中挥发分越高，就越容易燃着，火焰越长，越易燃烧完全；

但含量过高容易污染环境，这主要是因为含量过高，在炉膛内无法充分燃烧，形成大量的碳粒子与烟气从烟囱排出。

④固定碳：

从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分。

是煤的主要可燃物质。

煤中的碳不是以单质形态存在的，而是与氢、氮、硫、氧等组成有机化合物。

3.元素分析

元素分折是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。

碳和氢是通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量而测定的。

氮含量的测定是在催化剂作用下使煤中氮转变为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。

硫含量测定，是将样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物上加热、使硫化物转变为硫酸盐，再以重量法测定硫酸钡沉淀而决定的。

氧含量的测定，分为直接法和间接法。

4.煤中硫的形态

煤中含有四种形态的硫：

黄铁矿硫（FeS2）。

硫酸盐硫（MeSO4）、有机硫（CXHYSZ）和元素硫。

人们一般把硫分划为硫化铁硫、有机硫和硫酸盐硫三种。

（1）硫化铁硫：

代表为黄铁矿硫，煤中主要的含硫成分，呈独立相分布，可转变为顺磁性物质，吸收微波能力强，根据这些特性可采用不同的物理或化学方法除去。

（2）有机硫：

可分为

原生有机硫：

来源于成煤植物蛋白质的原生质，一般蛋白质含硫量为5%。

次生有机硫：

是在成煤时期形成的，在形成黄铁矿的同时分离出来的。

有机硫分与煤中有机质构成复杂的分子．不宜用一般重力分选的办法除去，需要采用化学方法进行脱硫。

（3）硫酸盐硫：

硫酸盐硫主要以钙、铁和锰的硫酸盐形式存在，以石膏（CaSO4·

2H2O）为主，含量比前两种硫少得多。

5.煤的成分表示法

由于煤中水分和灰分受外界条件影响时其百分比随之发生改变，因此，要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的基准。

煤成分表示方法的常用基准有收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基。

（1）收到基：

以包括全部水分和灰分的燃料作为100％的成分，即锅炉燃料的实际成分可表示为：

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+War=100%

ar—收到基成份

（2）空气干燥基：

以去掉外部水分的燃料作为100%的成分表示法。

Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Wad=100%

ad—空气干燥基成份

（3）干燥基：

以去掉全部全部水分的燃料作为100％的成分表示法。

Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%

ad—干燥基成份

（4）干燥无灰基：

以去掉水分和挥发分的燃料作为100％的成分表示法。

Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%

daf—干燥无灰基成份

干燥无灰基因为避免了水分和灰分的影响，故而比较稳定。

煤矿通常提供的煤质资料为干燥无灰基成分。

我国煤质分析见表2-2（P35）

二、石油

石油是液体燃料的主要来源，多种化合物的混合物，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。

这些化合物主要含碳和氢，还有少量的硫、氮、氧，含量因产地而异。

原油虽然是易燃物，但一般将原油加工为各种石油化工产品，通过蒸馏、裂化和重整过程，生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。

燃料油的一个重要性质是其相对密度，为燃料没的化学组成和发热值提供了一种指示。

例如：

当氢含量增加时，相对密度减少，发热量增加。

三、天然气

天然气是典型的气体燃料，组成一般为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％，含碳更高的碳氢化合物也可能存在与天然气中；

天然气还含有碳氢化合物以外的其他组分，如H2O、CO2、N2、He、H2S等。

天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃烧产物为硫的氧化物，因此对天然气中硫的含量有相关规定，超标需要脱硫。

四、非常规燃料

除了煤、石油、天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之例，某些低级的化石燃料，如泥碳、焦油砂、油页岩等，也作为非常规燃料。

根据来源，非常规燃料可分为如下几类：

（1）城市固体废弃物；

（2）商业和工业固体废弃物；

（3）农业废物及农村废物；

（4）水生植物和水生废物；

（5）污泥处理厂废物；

（6）可燃性工业和采矿废物；

（7）天然存在的含碳和含碳氢的资源；

（8）合成燃料。

非常规燃料的重要性在于它能够在某些领域代替日益减少的化石燃料的供应，同时也是处理废物的有效方式，例如生活垃圾燃料。

它既能提供能源，又能处置废物，减轻对环境的压力。

城市垃圾衍生燃料制备方法见表2-3（P37）。

第二节燃料燃烧过程

一、影响燃烧过程的主要因素

1．燃烧过程及燃烧产物

燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。

多数化石燃料完全燃烧的产物是二氧化碳和水蒸气。

不完全燃烧过程将产生黑烟、一氧化碳和其它部分氧化产物等大气污染物。

例如当燃料中含有硫和氮时，则会生产SO2和NO，以污染物的形式存在于烟气中；

此外，当燃烧室内温度较高时，空气中的部分氮也会被氧化成NOx，即热力型氮氧化物。

因此下面对燃料的燃烧过程作一介绍。

2．燃料完全燃烧的条件

综上所述，要使燃料完全燃烧．必须具备如下条件。

（1）空气条件：

很显然，燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气量。

如果空气供应不足，燃烧就不完全。

相反空气量过大，也会降低炉温．增加锅炉的排烟损失。

（2）温度条件：

燃料只有达到着火温度．才能与氧化合而燃烧。

着火温度系在氧存在下可燃质开始燃烧所必须达到的最低温度。

各种燃料都具有自己特征的着火温度，按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺序依次上升。

（3）时间条件：

燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素。

燃料在高温区的停留时间应超过燃烧所需时间。

因此，在所要求的燃烧反应速率下，停留时间将决定于燃烧室的大小和形状；

反应速度随温度的升高而加快，所以在较高温度下燃烧所需要的时间较短。

（4）燃料与空气的混合程度：

燃料和空气中氧的充分混合也是有效燃烧的基本条件。

二者需充分混合。

混合程度取决于空气的湍流度。

适当的控制这四个因素——空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真地考虑这些因素。

通常把温度、时间和湍流度称为燃烧过程的“三T”。

二、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，可由燃烧方程式计算求得。

建立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79.1/20.9=3.78

（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成SO2.

（4）热力型氮氧化物的生成量较小，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氮气和一氧化氮，一般以氮气为主。

（6）燃料的化学式为CxHySzOw,其中x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。

由此得燃烧方程式：

则理论空气量

m3/kg

讲解例题2-1，2-2，2-3。

2．空气过剩系数

把超过理论空气量多供给得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。

用α表示。

3.空燃比

单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可由方程式求得。

如甲烷在理论空气量下的完全燃烧：

CH4+2O2+7.56N2CO2+H2O+7.56N2

则空燃比为

AF=（2×

32+7.56×

28）/（1×

16）=17.2

随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量的增加，理论空燃比随之减少。

例如汽油（C8H18）的理论空燃比为15，纯碳的理论空燃比约为11.5。

同时也可以根据燃烧方程式计算燃烧产物的量，即燃料燃烧产生的烟气量。

三、燃烧产生的污染物

燃烧产生的污染物有：

CO2、CO、SOx、NOx、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。

这些都是有害物质，它们的形成与燃烧条件有关。

从图2－4可以看出，温度对各种燃烧产物的绝对量和相对量都有影响。

[例2—3]某燃烧装量采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）：

C88.3％；

H9.5％；

S1.6％；

H2O0.05％；

灰分0.10％。

试确定燃烧1kg重油所需要的理论空气量。

解：

以1kg重油燃烧为基础，则：

重量（g）摩尔数（mol）需氧数（mol）

C88373.5873.58

H9547.523.75

S160.50.5

H2O0.50.02780

所以理论需氧量为73.58＋23.75十0.5＝97.83mol／kg重油。

假定干空气中氮和氧的摩尔比（体积比）为3.76，则1kg重油完全燃烧所需要的理论空气量为

97.83×

（3.78十1）＝467.63mol／kg重油

即467.63×

22.4/1000＝10.47m3N／kg重油

四、热化学关系式

1.发热量

燃烧过程是放热反应、释放的能量（光和热）产生于化学键的重新排列。

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的情况下（通常为298K和1atm）的热量变化，称为燃料的发热量，单位是kJ／kg〔固体、液体燃料）或kJ／m3（气体燃料）。

燃料的发热量有高位发热量和低位发热量之分；

高位发热量包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热；

低位发热量是指燃料燃烧产物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧过程中所释放的热量。

一般燃烧设备的排烟温度均远超过水蒸汽的凝结温度，因此大都按低位发热量计算燃料发热量。

若已知燃料中氢和水的含量，低位发热量qL可由高位发热量qH减去水蒸汽的凝结热而求得。

若发热量以KJ/kg表示，则：

式中：

wH和wW——燃料中氢和水分的质量分数。

2.燃料设备的热损失

燃料燃烧产生的热量仅有一部分能够被有效利用，这是因为所有的燃烧设备都存在热损失。

燃烧设备的热损失．主要包括排烟热损失、不完金燃烧热损失和炉体散热损失等。

（1）排烟热损失：

这是由于排烟带走了一部分热量造成的；

一般锅炉排烟热损失为6%～12％。

可根据排烟的焓与进入锅炉冷空气的焓之差计算。

影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟体积。

例如烟温发升高12～15K，排烟热损失可增加1%。

又如锅炉尾部设置省煤器和空气预热器，就是为了降低排烟温度。

但也应防止烟温过低造成受热面的酸性腐蚀。

工业锅炉的排烟温度选取160～200℃,大、中型锅炉的排烟温度选取110～180℃

（2）不完全燃烧热损失：

包括化学不完全燃烧和机械不完全燃烧造成的热损失。

前者是由于烟气中含有残余的可燃气体所造成的，主要为CO，还有少量的H2、CH4等。

机械不完全燃烧热损失是由于灰中含有末燃尽的碳造成的，它包括灰渣损失．飞灰损失、漏煤损失。

机械不完全燃烧损失是比较大的一项损失。

（3）散热损失：

由于锅炉炉墙、锅筒、联箱、汽水管道等部分温度高于周围空气温度，因而有部分热量散失到空气中从而造成热损失。

下图表明了空燃比对燃烧热量损失的影响。

在充分混合的条件下，热量总损失在理论空气量条件下最低；

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，精确位置取决于燃料与空气之间混合的程度，也取决于各种燃料的特征燃烧速度。

第三节烟气体积计算

一、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休积。

以Vfg0表示。

烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气。

通常把烟气中除了水蒸气以外的部分称为干烟气。

把包括水蒸气在内的烟气称为湿烟气。

所以理论烟气体积等于干烟气体积和水蒸气体积之和。

理论水蒸气体积是由三部分构成的：

①燃料中氢燃烧后生成的水蒸气体积；

②燃料中所含的水燕气体积；

③由供给的理论空气量带入的水蒸气体积。

2.烟气体积和密度的校正

燃烧装置产生的烟气温度和压力总是高于标准状况（273K、101325Pa），在烟气体积和密度计算中往往需要换算成为标准状况条件下，以便于计算。

大多数烟气可以视为理想气体，所以在烟气体积和密度换算中可以应用理想气体状态方程。

若设观测状态下（温度Ts、压力Ps）烟气的体积为Vs、密度为ρs．在标准状态下（温度TN、压力PN）烟气的体积为VN，密度为ρN,则由理想气体状态方程式可以得到标准状态下的烟气体积。

标准状态下的烟气密度：

注意此公式要板书演示计算过程。

3．过剩空气校正

因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气之和。

以碳在空气中的完全燃烧为例：

C+O2+3.78N2→CO2+3.78N2

烟气中仅含有CO2和N2。

若空气过量，则燃烧方程式变为：

C+（1＋a）O2+（1＋a）3.78N2→CO2+aO2+（1+a）3.78N2

若燃烧是完全的，过剩空气中的氧仅以O2的形式存在；

如燃烧产物以下标P表示，则上式改为：

C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2→CO2p+O2p+N2p

N2p为实际供给空气量中所含的总氮量；

假定空气的体积组成为20.9%O2和79.1％N2，则实际供给总氧量为：

实际供氧量：

理论需氧量

。

因此，空气过剩系数α

假如燃烧过程产生CO，则需从过剩氧中减去氧化CO为CO2所需的氧。

因此：

考虑到过剩空气校正后，实际烟气体积：

Vfg=Vfg0+Va（α-1）Va实际供给空气量。

例题：

用仪器测定烟气组成为：

CO2=10%，O2=4%，CO=1%。

则该炉过剩空气系数α是多少？

烟气中N2体积比为：

100-10-4-1=85%，故：

二、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，很容易计算污染物的排放量。

但在许多情况下，需要根据同类燃烧设备的排污系数、燃料组成和燃烧状况，预测烟气量和污染物浓度。

下面以例题来说明有关的计算。

【例2—4】对于例2一3给定的重油，若燃料中硫全部转化为SO2〔其中SO2占97％）。

试计算空气过剩系数：

＝1.20时烟气中SO2及SO3的体积分数，以ppm表尔；

并计算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比表示。

（此题首先要计算出烟气总体积，再计算相应成分的浓度）

解：

由例2一3知，理论空气量条件下烟气组成：

CO2：

73.58；

H2O:

47.5+0.0278。

SO2：

0.5；

N2：

97.83×

3.78

理论烟气量为

73.58+（47.5+0.0278）+0.5+97.83×

3.78＝491.4mol/kg重油

即：

491.4×

22.4/1000＝11.01mN3／kg重油

空气过剩系数

＝1.2时．实际烟气量为

11.01+10.47×

0.2＝13.10mN3／kg重油；

烟气中SO2的体积为

0.5×

0.97×

22.4／1000＝0.0109mN3／kg重油

烟气中SO3的体积为

0.5×

0.03×

22.4／1000＝3.36×

10-4mN3／kg重油

所以烟气中SO2及SO3的浓度分别为

ρSO2＝0.0109/13.10＝832ppm

ρSO3＝3.36×

10-4/13.10＝25.6ppm

当

＝1.2时，干烟气量为：

〔491.4－（47.5十0.0278）]×

22.4/1000+10.47×

0.2＝12.04mN3

CO2的体积为：

73.58×

22.4/1000＝1.648mN3／kg重油

所以干烟气中CO2的含量以体积计为：

1.648×

100/12.04＝13.69％

讲解例2-5

第四节燃烧过程硫的氧化物的形成

一、燃料中硫的氧化机理（这部分学生自学）

1.燃料中硫的氧化产物

2.硫化氢的氧化

3.CS2和COS的氧化

4.元素硫的氧化

5.有机硫化物的氧化

二、SO2和SO3之间的转化

燃料燃烧后烟气中含有部分水蒸汽，这些水分和生成的SO3化合生成H2SO4蒸汽，SO3向H2SO4转化的份额定义为：

转化率x与温度的关系很大。

当温度低于473K时，烟气中SO3明显地转成H2SO4蒸汽，而且温度越低，x转化越大。

当温度低至383K时，几乎全部的SO3都和水蒸汽结合成硫酸蒸汽（图2-6）。

硫酸蒸汽的存在使烟气的露点（通常称酸露点）显著升高，例如体积分数为1ppm的硫酸蒸汽可使含水蒸汽11%的烟气的露点由48℃升高到110℃；

硫酸浓度越高，酸露点则越高（图2-7）。

烟气露点的升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀。

第五节燃烧过程中颗粒污染物的形成

一、碳粒子的生成

1.积碳的生成

多数人认为，积炭的生成过程有三个阶段：

第一阶段是复杂的所谓核化过程，即发生气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳；

后一阶段就在这些核表面发生一些非均质反应；

最后阶段是一种较为缓慢的聚团或凝聚过程。

是否出现积炭主要取决于核比步骤和氧化这些中间体的那些反应速率是否较快。

燃料的分子结构是影响积炭的主导因素。

通常碳氢比是控制积炭趋势的度量；

在扩散火焰中，碳的生成按下列顺序：

（碳氢比依次减少）

萘＞苯＞炔＞双烯＞单烯＞烷

或按更一般的次序：

芳香烃＞炔烃＞烯烃＞烷烃

在预混火焰中．从分子结构来看，这种发烟趋势是不同的：

荼＞苯＞醇＞烷＞烯＞醛＞炔

防止积炭措施：

①实践证明，如果让碳氢化合物燃料与足量的氧化合，能够防止积碳生成；

②另外，在所有火焰中，压力越低则积炭生成趋势越小，这种受压敏感性与核化过程中的所有反应速率下降有关；

③三氧化硫、气态氢、镍和碱土金属都能抑制炭的生成，在实际应用中，可在工业汽油中加入钡盐作为积炭的一种抑制剂。

2．石油焦和煤胞的生成

在多数情况下，液态燃料的燃烧尾气不仅含有气相过程形成的积炭，而且也会含有由液态烃燃料本身生成的碳粒。

燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，会导致液相裂化，接着发生高温分解，最后出现结焦。

由此产生的碳粒叫石油焦，是一种比积炭更硬的物质。

再如，多组分重残油的燃烧试验表明：

燃料液滴燃烧的后期，将生成一种称为煤胞的焦粒，并且难以燃烧。

二、燃煤烟尘的形成

固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘；

它包括黑烟和飞灰两部分。

黑烟主要是未燃尽的碳粒；

飞灰则主要是燃料所含的不可燃矿物质微粒，是灰分的一部分。

1．煤粉燃烧过程

①正常燃烧过程

煤中挥发物对能量的释放过程影响相当大，比起其他固体可燃成分来讲，它们的燃烧速度快。

决定煤燃烧过程性能的是残留下来的固体部分，即碳的表面燃烧速率决定煤的燃烧性能。

试验已经证明，靠近碳表面的燃烧产物是CO，它扩散离开表面，并与氧反应生成CO2，然后CO2在两个方向上——向着碳表面和离开表面。

当CO2达到碳表面时，它通过反应CO2+C→2CO还原成CO；

实际上到达碳表面的氧气很少，碳主要消耗在使CO2还原成CO上面。

表面燃烧碳层中气体成分和温度的分布如下图：

②碳氧比对燃烧的影响

研究证明，碳氧比接近于1.0时，最容易形成黑烟。

③煤质对燃烧的影响

在理想条件下，是否容易形成黑烟，与煤的种类和质量有很大关系。

据研究易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：

无烟煤、焦炭、褐煤、低挥发分烟煤、高挥发分烟煤。

即烟煤最易形成黑烟。

④灰分层的影响

一方面灰分层的存在对非均质碳的燃烧反应具有催化作用，然而也增加了气体扩散阻力。

如下图所示：

⑤改善燃烧过程措施

相关研究表明，碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、粒子表面温度、氧气浓度等有关。

因此，减少燃煤层气体中未燃尽碳粒的主要途径应当是改善燃料和空气的混合，保证足够高的燃烧温度，以及碳粒在高温区必要的停留时间。

2.影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素

燃煤尾气中飞灰的浓度和粒度与煤质、燃烧方式、烟气流速、炉排和炉膛的热负荷、锅炉运行负荷以及锅炉结构等多种因素有关。

（详见教材58-59页）