燃烧与大气污染分析.pptx

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1、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 由气相反应生成积炭，由液态烃燃料高温分解产生的那些粒子都是结焦或煤胞。积炭的生成1.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；3.较为缓慢的聚团和凝聚过程。n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n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止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-1-第1页/共48页1.碳粒子的生成l火焰的结构Premixed flame:gas fuel and air are mixed before combustio

2、n（bursen burner,meeker burner)Diffusion flame:fuel and air separately enter the combustion zone,and mix before the reaction(in most practical system),different (0-)over sites.扩散火焰总是比预混火焰产生的炭粒多。用电子显微镜观测表明：积炭由大量粗糙的球形粒子组成，很像项链上的珍珠，其粒子直径在1002000 范围。止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-2-第2页/共48页1.碳粒子的生成火焰的结构（续）lLam

3、inar flame:Re2200,significant turbulence,but molecular diffusion still in playLaminartransitiondeveloped turbulentheightJet velocity止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-3-第3页/共48页1.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反应过程（续）止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-4-第4页/共48页1.碳粒子的生成燃料的分子结构是影响积炭的主导因素在扩散火焰中，碳的生成按下列顺序：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，顺

4、序为：萘苯醇烷烯醛炔如果让碳氢化合物燃料与足量的氧化合，能够防止积炭生成。在所有火焰中，压力越低则积炭生成的趋势越小。三氧化硫、气态氢、镍和碱土金属盐都能抑制碳的生成，在实用上，可在工业汽油中加入钡盐作为积炭的一种抑制剂。止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-5-第5页/共48页1.碳粒子的生成石油焦和煤胞的生成燃料油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。（石油焦）多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞（一种焦粒），难以燃烧。煤胞：外形为微小空心的球形粒子，10300微米。焦粒生成反应的顺序：烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环系 沥青 半圆体沥青 沥青焦 焦炭

5、 止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-6-第6页/共48页2.燃煤烟尘的形成烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：黑烟：未燃尽的碳粒，黑烟中含有芘、蒽、苯并芘等。飞灰：不可燃矿物质微粒，飞灰中含有煤粉燃烧过程u碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应灰层碳层 外扩散外扩散止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-7-第7页/共48页2.燃煤烟尘的形成燃烧碳层中成分和温度分析止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-8-第8页/共48页2.燃煤烟尘的形成煤粉燃烧过程u理论上碳与氧的摩尔比接近于1.0时最易形成黑烟u在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成

6、黑烟u不同燃料黑烟增加的顺序为：无烟煤 焦炭 褐煤 低挥发分烟煤 高挥发分烟煤u碳粒子燃烬的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-9-第9页/共48页2.燃煤烟尘的形成黑烟形成的化学过程脂肪族的脂肪族的止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-10-第10页/共48页2.燃煤烟尘的形成高灰分燃料的扩散燃烧止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-11-第11页/共48页2.燃煤烟尘的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-12-第12页/共48页利用声学

7、及其他的原利用声学及其他的原理，使得颗粒团聚理，使得颗粒团聚利用热解析作用分利用热解析作用分离挥发性和非挥发离挥发性和非挥发性的气溶胶性的气溶胶熔融灰的熔融灰的分离分离烟气中使之吸附烟气中使之吸附和凝结和凝结蒸汽态细粒子蒸汽态细粒子飞灰的形成过程止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-13-第13页/共48页2.燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素F煤质：一般灰分越高，含水量越少，则排尘浓度就越高。F燃烧方式 F烟气流速F炉排和炉膛的热负荷F锅炉运行负荷F锅炉结构止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-14-第14页/共48页2.燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排

8、放特征的因素煤质止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-15-第15页/共48页2.燃煤烟尘的形成燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-16-第16页/共48页2.燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素燃烧方式止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-17-第17页/共48页2.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘百分比止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-18-第18页/共48页2.燃煤烟尘的形成几种燃烧方式的烟尘颗粒概况止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-19-第19页/共48页炉排热负荷是指每平方米炉

9、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，导致单位炉排面积上燃煤量增大，则流过炉排的气流速度也将成正比增加，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。炉膛必须保持足够的燃烧空间，以使燃烧过程逸出的可燃气体有充分的时间进行燃烧，提高锅炉的消烟效果。炉排热负荷和炉膛热负荷止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-20-2.燃煤烟尘的形成第20页/共48页2.燃煤烟尘的形成影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素热负荷止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-21-第21页/共48页我国城市空气的PM2.5大大超过环境标准P

10、M2.5年平均浓度年平均浓度 g/m3清华大学环境系清华大学环境系19991999年测定年测定我国我国PMPM1010环境标准环境标准美国美国PMPM2.52.5环境标准环境标准16-216-2月月-23-23-22-第22页/共48页第六节第六节 燃烧过程中其他污染物的形燃烧过程中其他污染物的形成成1.1.有机污染物的形成 形成历程1.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3.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C6C2型芳香族化合物5.C6C2基逐步合成为多环有机物止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-23-第23页/共48页1.1.

11、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原因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多核有机化合物(POM)(POM)排放水平具有相关性燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利于NOx的控制同时减少CH和NOx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止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-24-第24页/共48页2.CO的形成CO是主要大气污染物之一；CO的全球排放量为200106 t/a；燃料中的碳都先形成CO，然后进一步氧化：在火焰温度下有足够的氧并且停留时间足够长，可以降低CO含量；CO的形成和破坏都由动力学

12、控制，反应路线：RH R RCHO RCO CO止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-25-第25页/共48页 2.CO的形成止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-26-CH4的燃烧的燃烧第26页/共48页3.Hg的形成与排放汞的挥发性很强，对人体健康的危害包括肾功能衰减，损害神经系统等。进入水体的汞经甲基化后，易累积在鱼类和以食鱼动物为主的食物链中，然后进入人的消化系统。孕妇、胎儿、婴儿最易受到伤害。止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-27-第27页/共48页黄铁矿是煤中最普遍的汞载体。第28页/共48页因为汞具有挥发性金属的性质，首先直接从煤炭颗粒挥发

13、，继而参与气相反应，通过成核过程形成新的粒子，或者凝结在已存在的颗粒表面。第29页/共48页 3.Hg的形成与排放烟气中Hg的形态：与颗粒物结合的汞(HgP)、单质汞（Hg0）和二价的气态汞（Hg2+）u煤炭燃烧是Hg的一大来源u煤中Hg的析出率与燃烧条件有关u燃烧温度900oC时，析出率90u还原性气氛的析出率低于氧化性气氛uHg排放控制是燃煤污染控制的新课题之一止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-30-第30页/共48页对燃煤循环流化床锅炉的汞平衡计算结果表明，不加石灰石的工况下，烟气中汞排放为0.17 在添加石灰石的工况(CaS2.2)下，烟气中汞的浓度为0.0180.04

14、4 当添加石灰石时，在飞灰和灰渣中的汞的比例明显增加。第31页/共48页-32-据调查，美国煤炭中平均汞含量范围为0.06-0.33 mgkg。19941995年间，仅电站锅炉向大气排放的汞达51t/a，占各行业汞排放量的32.6，排在第一位，成为最大的人为汞来源。2003年，中国人为源大气汞排放为696t，约占全球排放的1/3，煤炭燃烧和有色金属冶炼是最主要的人为汞排放源，分别占41%和40%。3.Hg的形成与排放第32页/共48页4.NOx的形成(P.380-389)nNOx的形成机理止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-33-燃料型NOx热力型NOx瞬时型NOx 燃料中的固定

15、氮生成的NO 高温下N2与O2反应生成的NOx 低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx第33页/共48页4.NOx的形成热力型NOx的形成产生NO和NO2的两个重要反应上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响平衡时NO浓度随温度升高迅速增加止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-34-第34页/共48页平衡常数和平衡浓度止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-35-热力型NOx的形成第35页/共48页热力型NOx的形成平衡常数和平衡浓度止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-36-第36页/共48页热力型NOx的形成上述数据说明：1)室温条件下，几乎没有

16、NO和NO2生成，并且所有的NO都转化为NO22)800K左右，NO与NO2生成量仍然很小，但NO生成量已经超过NO23)常规燃烧温度（1500K)下，有可观的NO生成，但NO量仍然很小止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-37-第37页/共48页热力型NOx的形成烟气冷却过程中，根据热力学计算，NOx应主要以NO2的形式存在，但实际9095的NOx以NO的形式存在，主要原因在于动力学控制lNO/NOx Ratio boilervehicles nature gas0.9-1.0 internal comb.engine 0.99-1.0 coal0.95-1.0 6#fuel o

17、il0.96-1.0 diesel engine0.77-1.0止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-38-第38页/共48页热力型NOx的形成热力型NOx形成的动力学Zeldovich模型NO生成的总速率止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-39-第39页/共48页热力型NOx的形成假定N原子的浓度保持不变l得到l代入6式得止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-40-第40页/共48页热力型NOx的形成假定O原子的浓度保持不变平衡浓度最终得止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-41-第41页/共48页热力型NOx的形成积分得NO的形成分数与时间

18、t之间的关系P.385止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-42-第42页/共48页瞬时NOx的形成碳氢化合物燃烧时，分解成CH、CH2和C2等基团，与N2发生如下反应火焰中存在大量O、OH基团，与上述产物反应止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-43-第43页/共48页燃料型NOx的形成l燃料中的N通常以原子状态与HC结合，CN键的键能较N N小，燃烧时容易分解，经氧化形成NOxl火焰中燃料氮转化为NO的比例取决于火焰区NO/O2的比例l燃料中20-80的氮转化为NOFuel NHCNN2NONHi(i=0,1,2)O,H,OHfastO,H,OHfastO,H,OHfastNHislowNHi,NOslow止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-44-第44页/共48页4.NOx的形成 止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-45-P.389第45页/共48页作业P.64-65:2-8,2-9-46-止於至善止於至善第46页/共48页止於至善止於至善16-216-2月月-23-23-47-第47页/共48页能源与环境学院环境系-48-感谢您的观看！第48页/共48页