最新大气污染第02章_燃烧与大气污染2ppt课件.ppt

大气污染第大气污染第0202章章_ _燃烧与大气污燃烧与大气污染染2 2第四节第四节 燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧过程中硫氧化物的形成一、燃烧中硫的氧化机理一、燃烧中硫的氧化机理燃料中硫氧化物的形成可以分成燃料硫燃料中硫氧化物的形成可以分成燃料硫氧化到氧化到SO2，SO2氧化到氧化到SO3和和SO3氧化生成硫酸三个步骤。氧化生成硫酸三个步骤。n燃料燃烧过程中，有机硫和无机硫燃料燃烧过程中，有机硫和无机硫首先分解出含硫化合首先分解出含硫化合H2S，CS2，COS，元素硫和含硫有机物。，元素硫和含硫有机物。H2S的氧化的氧化包括直接氧化，生成包括直接氧化，生成OH和生和生成水三个阶段成水三个阶段，第二个阶段决，第二个阶段决SO2的浓度；的浓度；CS2，COS，元素硫通过，元素硫通过链反应被氧化。含硫有机物通过分链反应被氧化。含硫有机物通过分解、取代和氧化被转化为解、取代和氧化被转化为SO2。n燃燃料料中中的的硫硫在在燃燃烧烧过过程程中中与与氧氧反反应应，主主要要产产物物是是SOSO2 2和和SOSO3 3，但但SOSO3 3的的浓浓度度相相当当低低，即即使使在在贫贫燃燃料料状状态态下下，生生成成的的SOSO3 3也也只只占占SOSO2 2生生成成量量的的百百分分之之几几。在在富富燃燃料料状状态态下下，除除SOSO2 2外外，还还有有一一些些其其它它S S的的氧氧化化物物，如如SOSO及及其其二二聚聚物物（SOSO）2 2，还还有有少少量量一一氧氧化化二二硫硫S S2 2O O。这这些些产产物物化化学学反反应应能能力力强强，所所以以仅仅在在各各种种氧氧化化反反应应中中以以中中间间体形式出体形式出现现。n燃烧时燃烧时,故故一般主要生成一般主要生成SOSO2 2,计计算算时时可忽略可忽略SOSO3 3。n二、二、SOxSOx的控制的控制 n1 1、重油脱硫、重油脱硫 n重油脱硫常用的方法：在钼、钴和镍等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应，加断碳与硫的化合键，以氢置换出碳，同时氢与硫作用形成H2S，从重油中分离出来。nn重油脱硫的困难:n(1)要彻底加工燃料，破坏了原来的组织。n（2）产生新的产物：固、液、气态物。nn n2燃料脱硫燃料脱硫 n）煤炭的固态加工煤炭的固态加工 n国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是：n炼焦煤：硫分1%，灰分68%；n动力煤：硫分0.51%，灰分1520%；n故原煤必经分选以除去煤中的矿物质。n 目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低4090%的S）,此法对有机硫含量较大或精炼还不能达到环保条例的要求。n 正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等，工业上应用的很少。n型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。n2）煤炭的转化煤炭的转化煤炭的转化主要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。A.煤的气化煤的气化煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯-托切克气化；“第二代”液态排渣气化、Hygas气化、Cogas气化等未商业化；“第三代”处于实验阶段的煤催化气化。煤气主要是H2、CO、CH4等，煤中硫的H2S形式存在。生产出煤气中H2S含量几百到几千mg/m3。去除方法有干法、湿式法。B.煤的液化煤的液化直接液化SRC-法间接液化鲁奈气化-弗托合成法 煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD，要求大规模水处理设施。n3.煤燃烧二氧化硫的控制煤燃烧二氧化硫的控制n分为燃前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫和煤转化过程中脱硫，其中烟气脱硫被认为是最有效的脱硫方式。n燃前脱硫燃前脱硫:（1）重介质选煤采用磁铁矿和水配置的悬浮液作为选煤的介质，利用不同浮力进行选煤，属于物理方法。（1）淘汰选煤是各种密度、粒度和形状的物料在不断变化的流体中运动过程。属于物理选煤，主要利用煤中各种成分比例不同，而去处部分灰份和黄铁矿，不能去有机硫。（3）浮选选煤是气、液固三相界面的分选过程，包括水中矿物颗粒粘附在气泡，然后上浮到煤浆液体表面。因为煤的湿润性较好而矿物的湿润性较差。（4）高梯度强磁分离煤脱硫技术煤中有机硫为逆磁性而大部分无机硫为顺磁性，利用磁性不同分离。（5）微波辐射法煤中黄铁矿的硫最容易吸收微波，有机硫次之，煤基质基本不吸收微波。微波吸收后削弱化学键，采用浸取液洗涤煤中硫，可以去无机硫，也可以去有机硫，目前在实验室状态。（6）化学处理法，如在煤中加入碱溶液，在一定反应条件下，脱去无机和有机硫，但该工艺成本高，对煤质有一定影响，在工程上应用少。（7）生物脱硫利用微生物破坏煤中无机硫和有机硫，可以达到经济、有效的脱硫，但目前的难点是找到能破坏煤中硫而不影响碳结构的高效菌种。国外准备进行半工业实验，国内目前处于起步阶段。n（8）型煤固硫技术n将不同原料经过筛分按照一定比例配煤，粉碎后同经过预处理的粘结剂和固硫剂混合，经过机械设备成型与干燥，得到具有一定形状和成品的工业固硫型煤。固硫剂按照化学形态分为钙系、钠系及其他。LIFAC：炉内喷钙增湿活化脱硫：炉内喷钙增湿活化脱硫n在锅炉尾部烟道上安装活化反应器在锅炉尾部烟道上安装活化反应器,将烟气增湿将烟气增湿,延长滞延长滞留时间留时间,使剩余的吸收剂和使剩余的吸收剂和2发生反应。发生反应。n石灰石中的石灰石中的CaCOCaCO3 3含量应超过含量应超过9090，石灰石的颗粒度应，石灰石的颗粒度应是是8080以上的颗粒尺寸小于以上的颗粒尺寸小于40m40m。此时炉内脱硫反应。此时炉内脱硫反应所能达到的脱硫效率为所能达到的脱硫效率为20203030 n活化反应器的烟气进口温度一般在活化反应器的烟气进口温度一般在110110140140，当将，当将活化反应器出口处烟温控制在比露点温度高活化反应器出口处烟温控制在比露点温度高5 51010、Ca/SCa/S2 2时时，有可能使活化反，有可能使活化反应应器的脱硫效率达到器的脱硫效率达到6060，从而使总脱硫效率达到从而使总脱硫效率达到8080。n流化床燃烧脱硫流化床燃烧脱硫流流化化床床燃燃烧烧脱脱硫硫具有炉炉内内脱脱硝硝脱脱硫硫的优点，故普遍受到重视。n原理：流化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原气氛，热型Nox基本上不产生，因而NOx的气成量减少。n流化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云石。石灰石粉碎至与煤同样的粒度（dp2mm左右）与煤同时加入炉内。在10731173K下燃烧：n（CaO为多孔）n达固硫目的。n烟气脱硫技术烟气脱硫技术n目目前前主主要要有有吸吸收收法法和和吸吸附附法法，以以吸吸收收法法应应用用最最为为广广泛泛，另另外外还还有有许许多多物物理理方方法法，如如电电子子辐辐射射法法、等等离离子子法法等等正正在在积积极极发发展展中中。吸吸收收法法中中又又分分为为湿湿法法和和干干法法脱脱硫硫，其其中中湿湿法法脱脱硫硫是是商商业业应应用用最最为为广广泛泛的的方方法法，如如石石灰灰（石石）-石石膏膏法法，海海水水脱脱硫硫、钠钠碱碱法法、氨氨吸吸收收法法等等，干干法法中中有有旋旋转喷雾吸收法、烟气循环流化床脱硫等。转喷雾吸收法、烟气循环流化床脱硫等。n第五节第五节 燃烧过程中颗粒物的形成燃烧过程中颗粒物的形成1.1.碳粒子的生成碳粒子的生成燃烧过程中生成一些主要成分为碳的粒子，通常燃烧过程中生成一些主要成分为碳的粒子，通常气相脱气相脱氢反应并产生生成积碳，由液态烃燃料高温分解产生的氢反应并产生生成积碳，由液态烃燃料高温分解产生的粒子都是结焦或煤胞。粒子都是结焦或煤胞。n积炭的生成的积炭的生成的3个阶段：个阶段：1.核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳2.核表面上发生非均质反应核表面上发生非均质反应3.较为缓慢的聚团和凝聚过程较为缓慢的聚团和凝聚过程4.是否产生积碳主要取决于核化步骤和氧化这些中间体的反应速率是否产生积碳主要取决于核化步骤和氧化这些中间体的反应速率是否是否5.较快：较快：n燃料的分子结构是影响积炭的主导因素燃料的分子结构是影响积炭的主导因素n积炭的生成与火焰的结构有关积炭的生成与火焰的结构有关n提高氧气量可以防止积炭生成提高氧气量可以防止积炭生成n压力越低则积炭的生成趋势越小压力越低则积炭的生成趋势越小1.碳粒子的生成碳粒子的生成n火焰的结构火焰的结构n预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合（bursenburner,meekerburner）n扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多），不同的区域有不同的(0)值1.碳粒子的生成碳粒子的生成n火焰的结构（续）火焰的结构（续）n层流火焰：Re2200，强烈的湍流作用，但分子扩散仍然起作用扩散火焰中，碳的生成按如下顺序：芳香烃芳香烃炔烃炔烃烯烃烯烃烷烃烷烃而在预混火焰中则是萘萘苯苯醇醇烃烃烯烯醛醛炔炔1.碳粒子的生成碳粒子的生成n乙炔火焰中生碳反应过程乙炔火焰中生碳反应过程1.碳粒子的生成碳粒子的生成n石油焦和煤胞的生成石油焦和煤胞的生成燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相裂化和高温分解，出现结焦裂化和高温分解，出现结焦多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。焦粒生成反应的顺序：烷烃焦粒生成反应的顺序：烷烃烯烃烯烃带支链芳烃带支链芳烃凝聚环系凝聚环系沥青沥青半园体沥青半园体沥青沥青焦沥青焦焦炭焦炭煤胞是重油燃料液滴燃烧后期生成的一种焦粒，难以继续燃煤胞是重油燃料液滴燃烧后期生成的一种焦粒，难以继续燃烧。煤胞为微小空心的球形粒子，其大小与油滴的直径成正烧。煤胞为微小空心的球形粒子，其大小与油滴的直径成正比，一般为比，一般为10-300m。2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n烟尘烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：黑烟：黑烟：未燃尽的碳粒，煤粉燃烧时，碳粒表面温度和氧含量相对较低。如果燃烧不够理想，煤粉在高温下发生热解作用，产生多环化合物，这样就会冒黑烟。飞灰：飞灰：不可燃矿物质微粒，煤粉燃烧时，灰层中的部分灰分被气流裹胁，最终以飞灰形式排放。理想的燃烧条件下，几乎不产生黑烟，因此燃煤烟气产生的烟尘主要成分是飞灰。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。靠近碳表面的燃烧产物是CO,它扩散离开表面，与O2反应生成CO2，CO2向碳表面或离开表面2个方向扩散，当其到达碳表面时：CO2+CCO所以，实际到达C表面的O2很少，碳主要消耗在使CO2还原成CO煤粉燃烧过程煤粉燃烧过程2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成灰灰层层碳层碳层外扩散外扩散n碳表面的燃烧产物为碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与，它扩散离开表面并与O2反应反应2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n煤粉燃烧过程煤粉燃烧过程理论上碳与氧的摩尔比近理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟时最易形成黑烟在预混火焰中，在预混火焰中，C/O大约为大约为0.5时最易形成黑烟时最易形成黑烟易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤焦炭焦炭褐煤褐煤低挥发分烟煤低挥发分烟煤高灰发分烟煤高灰发分烟煤碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关度等有关2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n燃烧碳层中成分和温度分布燃烧碳层中成分和温度分布2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n黑烟形成的化学过程黑烟形成的化学过程裂片反应裂片反应缩合反应缩合反应脂肪类化合物脂肪类化合物2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n灰分中含有灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素等污染元素2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n飞灰的形成过程飞灰的形成过程凝固/熔化团块聚结聚结2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质：煤质：灰分越高，含水量越少，则排尘浓度越高。灰分越高，含水量越少，则排尘浓度越高。燃烧方式燃烧方式烟气流速烟气流速：自然引风锅炉，烟气流速越低，排尘浓度越低。对于：自然引风锅炉，烟气流速越低，排尘浓度越低。对于机械引风锅炉，若不合理控制风量，引风带尘的浓度将提高。机械引风锅炉，若不合理控制风量，引风带尘的浓度将提高。炉排和炉膛的热负荷炉排和炉膛的热负荷：炉排热负荷增大，灰分被气流带走，如果：炉排热负荷增大，灰分被气流带走，如果炉膛热负荷增大，燃料不能充分燃烧，未燃尽的气体将会以黑烟炉膛热负荷增大，燃料不能充分燃烧，未燃尽的气体将会以黑烟排走。排走。锅炉运行负荷锅炉运行负荷：锅炉负荷越高，燃煤量增大，烟气量增大，排尘：锅炉负荷越高，燃煤量增大，烟气量增大，排尘浓度就会增大。浓度就会增大。锅炉结构锅炉结构2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n几种燃烧方式的烟尘颗粒概况几种燃烧方式的烟尘颗粒概况2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素煤质煤质2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n几种燃烧方式的烟尘百分比几种燃烧方式的烟尘百分比2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n几种燃烧方式的烟尘颗粒概况几种燃烧方式的烟尘颗粒概况n火电厂大气污染物排放标准v本标准将火电厂按年限划分为以下三个时段：v时段1992年8月1日之前建成投产或初步设计已通过审查批准的新、扩、改建火电厂；v时段1992年8月1日起至1996年12月31日期间环境影响报告书通过审查批准的新、扩、改建火电厂，包括1992年8月1日之前环境影响报告书通过审查批准、初步设计待审查批准的新、扩、改建火电厂；v时段1997年1月1日起环境影响报告书待审查批准的新、扩、改建火电厂大气污染物排放标准大气污染物排放标准火电厂大气污染物排放标准火电厂大气污染物排放标准分类烟尘最高允许排放浓度（mg/m3）在县及县以上城镇规划区内的火电厂锅炉200在县规划区以外地区的火电厂锅炉500第I时段的在县及县以上城镇规划区内、1997年1月1日后还有10年及以上剩余寿命的火电厂锅炉600第第时段的火电厂锅炉最高允许烟尘排放浓度时段的火电厂锅炉最高允许烟尘排放浓度火电厂大气污染物排放标准火电厂大气污染物排放标准第第时段火电厂各烟囱时段火电厂各烟囱SOSO2 2最高允许排放浓度最高允许排放浓度燃料收到基硫分（）1.01.0最高允许排放浓度（mg/m3）21001200锅炉额定蒸发量煤粉锅炉液态排渣固态排渣1000t/h1000650第第时段的火电厂锅炉氮氧化物最高允许排放浓度（时段的火电厂锅炉氮氧化物最高允许排放浓度（mg/mmg/m3 3）2.燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成n影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素运行负荷运行负荷第六节第六节 燃烧过程中其他污染物的形成燃烧过程中其他污染物的形成1.1.有机污染物的形成有机污染物的形成有机污染物，常常指未燃尽的碳氢化合物，是燃料不完全燃烧的产物。燃烧过程中碳氢化合物通过链式反应进行热分解，在简单燃烧的火焰后区形成复杂的碳氢化合物。n形成历程形成历程1.链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔2.延长乙炔的链形成各种不饱和基延长乙炔的链形成各种不饱和基3.不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔4.不饱和基通过环化反应形成不饱和基通过环化反应形成C6C2型芳香族化合物型芳香族化合物5.C6C2基逐步合成为多环有机物基逐步合成为多环有机物不完全燃烧可以产生有机污染物、一氧化碳，还能导致重金属污染物如汞的析出。1.1.有机污染物的形成有机污染物的形成比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接比较活泼的碳氢化合物可能是产生光化学烟雾的直接原因原因碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关燃料中高分子碳氢化合物浓度与燃料中高分子碳氢化合物浓度与POMPOM排放水平具有相关排放水平具有相关性性燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利于于NOx的控制的控制同时减少同时减少CH和和NOx的排放需要仔细控制混合的型式、的排放需要仔细控制混合的型式、温度水平和整个系统的停留时间温度水平和整个系统的停留时间形成原因：燃料燃烧不完全形成原因：燃料燃烧不完全低温（低温（900oC时，析出率时，析出率90n还原性气氛的析出率低于氧化性气氛还原性气氛的析出率低于氧化性气氛nHg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一排放控制是燃煤污染控制的新课题之一4.NOx的形成的形成nNOx的形成机理的形成机理n氮氧化物是在氮燃烧过程中与氧发生氧化反应生成的氧化物，主要有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，由于生成的各种氧化物种类较多，因此用NOx来表示。由于燃烧条件和反应时间的不同，其生成的氮的氧化物含量也不一样。燃烧产生的氮氧化物分为三类：n燃料型燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的：燃料中的固定氮生成的NOxn热力型热力型NOx：高温下高温下N2与与O2反应生成的反应生成的NOxn瞬时瞬时NOx：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx4.NOx的形成的形成4.NOx的形成的形成5.二恶英的形成机理二恶英的形成机理5.二恶英的形成机理二恶英的形成机理n1已知某种无烟煤的收到基水分含量为已知某种无烟煤的收到基水分含量为5.0%，干燥，干燥基灰分含量基灰分含量26%，干燥无灰基元素分析结果如下：，干燥无灰基元素分析结果如下：C：91.7%，H3.8%，O2.2%，N1.3%,S1.0%。试求该种煤的收到基组成和干燥基组成。试求该种煤的收到基组成和干燥基组成。n2甲烷在空气过剩甲烷在空气过剩20%的条件下完全燃烧，已知空的条件下完全燃烧，已知空气的湿度为气的湿度为0.0116mol水水/mol干空气，试计算，燃干空气，试计算，燃烧烧1mol甲烷需要的实际空气量，燃烧产物的量以及甲烷需要的实际空气量，燃烧产物的量以及烟气组成。烟气组成。例题讲解例题讲解例题讲解例题讲解n1解：解：题中所给无烟煤的收到基水分含量为5.0%，因此灰分和干燥无灰基之和占收到基的95%，其中，灰分占收到基的95%*26%=24.7%，干燥无灰基占收到基的95%-24.7%=70.3%，占干燥基的100%-26%=74%。n因此，收到基组成为：因此，收到基组成为：n水分：5%；灰分：24.7%；C：91.7%*70.3%=64.47%；H3.8%*70.3%=2.67%；O：2.2%*70.3%=1.55%；nN1.3%*70.3%=0.91%；S：1.0%*70.3%=0.70%。n干燥基组成：干燥基组成：n灰分：26%；C：91.7%*74%=67.86%nH：3.8%*74%=2.81%；O：2.2%*74%=1.63%nN：1.3%*74%=0.96%；S：1.0%*74%=0.74%例题讲解例题讲解n2解：以解：以1mol甲烷作为计算的基准反应，反应式如下：甲烷作为计算的基准反应，反应式如下：n需要的干空气量：需要的干空气量：n需要的实际空气量：需要的实际空气量：n（2）忽略燃烧过程中）忽略燃烧过程中NOX的形成，烟气的组成为：的形成，烟气的组成为：nCO2:1mol;nH2O:(2+11.43*0.0116)mol=2.13mol；nN2：0.79nd=0.79*11.43=9.03；nO2：（11.43*0.21-2）mol=0.4mol。n烟气的总量：烟气的总量：n由此可计算各组分的体积，例如，对于由此可计算各组分的体积，例如，对于CO2，其体积分数为：，其体积分数为：课后思考与复习课后思考与复习n1、列举主要的燃料种类，从大气污染的角度，说明这些、列举主要的燃料种类，从大气污染的角度，说明这些材料各自的特点。材料各自的特点。n2、煤的成分分析的基准有哪些，解释它们的含义和换算、煤的成分分析的基准有哪些，解释它们的含义和换算关系。关系。n3、列举燃料完全燃烧需要的条件，解释、列举燃料完全燃烧需要的条件，解释“三三T”的含义。的含义。n4、空燃比对燃烧过程形成的污染物种类和总量由什么影、空燃比对燃烧过程形成的污染物种类和总量由什么影响？响？n5、燃烧过程的热损失主要有哪些？、燃烧过程的热损失主要有哪些？n6、影响燃煤飞灰排放特征的因素？、影响燃煤飞灰排放特征的因素？本章小节本章小节燃烧与大气污染燃料结构决定大气污染的类型：煤烟型、汽车尾气型燃料的燃烧燃烧过程燃烧计算燃烧过程污染物控制燃烧条件3TO2空空气气量量的的计计算算烟烟气气量量的的计计算算结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！58