燃烧与大气污染分解.pptx

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1、第一节第一节 燃料的性质燃料的性质1.1 1.1 燃料的分类 按获得方法分按获得方法分按获得方法分按获得方法分 按物态分按物态分按物态分按物态分 天然燃料天然燃料天然燃料天然燃料 人工燃料人工燃料人工燃料人工燃料 固体燃料固体燃料固体燃料固体燃料 木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料液体燃料液体燃料液体燃料 石油石油石油石油 汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、重油重油重油重油 气体燃料气体燃料气体燃料气体燃料 天然气天然气天然气天然气 高炉煤气、

2、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气气、焦炉煤气气、焦炉煤气气、焦炉煤气 第1页/共69页1.2 1.2 燃料的化学组成典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分第2页/共69页典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）第3页/共69页液态燃料的挥发（以汽油为例）第4页/共69页1.3 1.3 燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出32860kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、硫等组成有机化合

3、物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90%98%，一般煤的含碳量约50%95%。氢：是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为2%10%，以碳氢化合物的形式存在，1kg氢完全燃烧时能放出120500kJ的热量。第5页/共69页氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。第6页/共69页水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水分由表面水分（外部水

4、分）和吸附水分（内部水分）组成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。内部水分要放在干燥箱中加热到102105 C，保持2h后才能除掉。灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。第7页/共69页1.4 1.4 煤的分类和组成1.4.1 1.4.1 煤的分类煤的基本分类q褐煤最低品味的煤，形成年代最短，热值较低q烟煤形成年代较褐煤长，碳含量75%90。成焦性较强，适宜工业一般应用q无烟煤煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差,发热量大第8页/共69页煤的详细分类第9页/共69页1.4.2 1.4.2 煤的成分分析煤的成分分析方法工业分析（proximate analysis proxima

5、te analysis）测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。元素分析（ultimate analysis ultimate analysis）用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。第10页/共69页煤的工业分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318323K温度下干燥8h，取出冷却，称重外部水分将失去外部水分的煤样保持在375380K下，约2h后，称重内部水分挥发分：失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热7min，放入干燥箱中冷却至常温再称重第11页/共69页煤的工业分析（续）固定碳失

6、去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在800 20 C的环境中灼烧到重量不再变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳灰分：从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳第12页/共69页煤中灰分的组成：我国煤炭的平均灰分含量为2525灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量第13页/共69页煤的元素分析碳和氢：通过燃烧后分析尾气中COCO2 2和H H2 2O O的生成量测定氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，滴定硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，S SOS SO4 42-2-，滴定第14页/共69页1.4.3 1.4.3 煤中硫的形态第15页/共69页1.4.4

7、 1.4.4 煤的成分的表示方法 要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的基准，常用的基准有以下四种：收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分 空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%100%的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分 第16页/共69页干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少 干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%100%的成分第17页/共69页1.4.5 煤的成分的表示方法及其组成的相互关系 第18页/共69页1.4.6我国部分煤种的分析结果 第19页/共69页 第20页/共69页1.5其他燃料1 1.5.1其它

8、常规燃料 石油液体燃料的主要来源链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧氢含量增加时，比重减少，发热量增加天然气典型的气体燃料一般组成为甲烷8585、乙烷1010、丙烷3 3第21页/共69页1.5.2其他非常规燃料 城市固体废弃物商业和工业固体废弃物农产物和农村废物水生植物和水生废物污泥处理厂废物可燃性工业和采矿废物天然存在的含碳和含碳氢的资源合成燃料 非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题第22页/共69页1.6燃料组成的表示方法:CxHySzOwNv Sample（样品含重）:C:77.2%,H:5.

9、2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%and ash（灰）:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.（决定标准摩尔组成）（元素）（含重）ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.2 12=6.43 6.43=1.00H5.20 1=5.20 6.43=0.808N1.20 14=0.0857 6.43=0.013S2.60 32=0.0812 6.43=0.013O5.90 16=0.369 6.43=0.057ash7.9 6.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcompo

10、sition:CH0.808N0.013S0.013O0.057（标准摩尔组成）第23页/共69页1.7燃料的最重要的两个属性v热值决定燃料的消耗量v杂质污染物产生的来源第24页/共69页第二节第二节燃料燃烧过程燃料燃烧过程2.1影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素2.1.1 2.1.1 燃烧过程及燃烧产物 完全燃烧：CO2、H2O不完全燃烧：CO2、H2O&CO、黑烟及其他部分氧化产物如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NO空气中的部分N可能被氧化成NO热力型NOx第25页/共69页2.1.2燃料完全燃烧的条件（3T）空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失

11、温度条件（TemperatureTemperature）：达到燃料的着火温度时间条件（TimeTime）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件（TurbulenceTurbulence）：燃料与氧充分混合第26页/共69页2.1.3典型燃料的着火温度第27页/共69页 2.1.4 燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4为例）第28页/共69页 2.1.5典型锅炉热损失与过剩空气量的关系第29页/共69页 2.1.6燃气比和混合程度对燃烧产物的影响第30页/共69页2.2 不同燃料的燃烧过程 2.2.1气体燃料的燃烧过程 气体燃料的燃烧过程可分为三个阶段：气体燃料与空

12、气的混合阶段 气体燃料与空气的混合是一个物理过程，两种气体之间的混合需要一定的时间，还要消耗一定的能量。混合后可燃气的加热和着火阶段 加热和着火阶段与上相同。可燃气燃烧反应阶段 燃烧反应是一个激烈的化学氧化过程，在瞬间即可完成。前两个阶段对整个燃料燃烧过程起控制作用。第31页/共69页 根据气体燃料和空气混合状态的不同，其燃烧过程具有三种不同的状态：有焰燃烧 有焰燃烧的特征是：1）气体燃料和空气在燃烧器（简称为烧嘴）中不预先混合，而是分别送入燃烧室或炉膛中边混合边燃烧，在炉膛中可见明显的火焰。2）由于两种气体不预先混合，因此气体燃料和空气均可预热到较高的温度，这样燃烧时既不受燃料着火温度的限制

13、，也不必担心回火和爆炸。3）有焰燃烧在利用低热值煤气获得较高的燃烧温度和充分利用废气余热、节约燃料等方面都有着现实意义。第32页/共69页有焰燃烧的缺点：当燃烧含较高的气体燃料时，由于气体燃料与空气没有预先混合,炭氢化合物在缺氧情况下受高温加热作用，将会裂解出较多的固体碳黑（又称黑烟子）从而污染环境。减少碳黑生成的主要途径：由于燃烧室或炉膛内有焰燃烧的速度主要取决于气体燃料和空气的混合速度，因此，强化燃烧过程、减少碳黑生成的主要途径是设法改进气体燃料和空气在燃烧室内的混合条件，燃烧工艺上应采用能使气体燃料与空气良好混合的燃烧器（烧嘴）。有焰燃烧多用在需要长火焰的大型窑炉中。第33页/共69页无

14、焰燃烧无焰燃烧是指气体燃料和空气在进入燃烧室或炉膛之前就已混合均匀，因此它的燃烧速度比有焰燃烧快的多，整个燃烧过程在安装燃烧嘴的砖墙通道内就可以结束。无焰燃烧的火焰很短，几乎看不到火焰。无焰燃烧的特点为：空气过剩系数较小，一般为1.021.05；燃烧速度很快，燃烧空间的热强度比有焰燃烧大1001000倍；高温区比较集中，燃烧温度比有焰燃烧的温度要高；由于燃烧速度很快，气体燃料中的碳氢化合物来不及分解出游离碳黑，对环境的污染程度比有焰燃烧轻；为了防止烧嘴内燃烧和爆炸，气体燃料和空气的预热温度不能太高，原则上不能超过可燃气体的着火温度，一般要低于400。第34页/共69页半无焰燃烧 半无焰燃烧又称

15、部分预混合燃烧。这种燃烧方式是将燃烧所需的空气分两部分与气体燃料相互混合，一次空气在烧嘴的混合室与气体燃料相混合。二次空气借助于混合后可燃气体的喷射作用，一边混合一边燃烧。无焰燃烧与半无焰燃烧所产生的游离碳黑量远比有焰燃烧少，因此对环境的污染程度也远比有焰燃烧轻。第35页/共69页2.2.2液体燃料的燃烧过程 液体燃料包括各种燃料油及酒精等，下面仅讨论燃料油的燃烧过程。燃料油的燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。它包括四个过程：燃料油的雾化油雾粒子中的可燃组分的蒸发与扩散可燃气体与空气的混合可燃气体的氧化燃烧与气体燃料的燃烧过程类似，前三个阶段对整个燃料燃烧过程起着控制作用。第36页/共69页燃

16、料油的雾化是燃料油燃烧的先决条件，雾化的油滴粒子愈细，燃料油与空气接触的表面积就愈大，就愈有利于油滴粒子中可燃组分的蒸发与扩散，就愈有利于油滴粒子中可燃气体与空气的混合，有利于燃料油完全燃烧以及降低污染物的生成。所谓油的雾化，就是把燃料油分散成细小烟雾粒子的过程。在工业上，这个过程是通过燃油烧嘴来实现的。燃料油中的可燃气体与空气的混合是重质油燃烧过程中的很重要的问题。燃烧重质油所需要的空气量比燃烧气体燃料大，而油蒸气与空气混合也不象气体燃料与空气混合的那样好。因此不太容易得到更短的火焰；燃烧完全程度也不如气体燃料好。对于燃油锅炉及窑炉，应该设法改善或强化油雾与空气的混合过程。第37页/共69页

17、2.2.3粉煤的燃烧过程 粉煤的燃烧过程比气体或液体燃料燃烧更为复杂。粉煤的燃烧是将磨成一定细度的煤粉与空气一同喷入炉内后进行燃烧。在燃烧过程中，不仅发生气体与气体之间的同相燃烧，而且还发生气体与固体之间的异相燃烧。同相燃烧 气体与气体之间的燃烧异相燃烧 气体与固体之间的燃烧第38页/共69页煤粉喷入炉内受热后，首先蒸发出水分，继而从煤粉内部扩散出可燃性挥发性气体，炉内的氧气与挥发性气体相遇，在着火温度以上即发生迅速燃烧，此为同相燃烧。随着煤粉中挥发性气体不断向外扩散，煤粉粒子被干馏，逐渐形成焦炭粒子。焦炭粒子与空气之间发生的燃烧为异相燃烧。在实际燃烧过程中，通常是将燃烧所需要的空气分两次或三

18、次加入。一次空气与煤粉混合喷入炉内，主要用于挥发分的燃烧，以后加入的空气主要用于强化燃烧过程、使焦炭得到充分燃烧。第39页/共69页 影响粉煤的燃烧过程的因素有四个：一次空气的用量 它与煤粉的品种及挥发分含量有关，一般为总空气量的2040；煤粉的喷出速度 它必须大于火焰的传播速度，否则容易发生回火。火焰的传播速度也与煤粉的品种及挥发分含量有关。煤粉的火焰传播速度大约为34 m/s。一次空气与煤粉混合后的喷出速度至少应为火焰传播速度的34倍；煤粉的燃烧时间 煤粉的燃烧时间不仅与煤粉的细度、挥发分含量和火焰的燃烧温度有关，而且还与燃烧室的空间大小、过剩空气系数的大小以及二次空气的加入方式和气流扰动

19、状况等多种因素有关。煤粉的细度与过剩空气系数 煤粉的细度与煤粉的品种有关，煤粉的粒径范围一般为170微米，其中2050微米的煤粉粒子为最多。过剩空气系数一般为1.21.3。第40页/共69页2.2.4块状固体燃料的燃烧过程 块状固体燃料的燃烧与气体燃料、液体燃料、煤粉的燃烧方法不同。块状固体燃料的燃烧是将块状固体燃料置于炉栅上或随炉栅移动而燃烧的。由于块状固体燃料燃烧时不随气体流动，因而空气流经煤块表面时的相对速度较大，包围在煤块表面外围的燃烧产物气层较薄，有利于氧气分子与煤块进行扩散燃烧。煤块在炉栅上燃烧，也是先干馏出挥发分而残留焦炭，因此，煤块燃烧过程也可看作是由挥发分气体与及焦炭两种燃烧

20、过程所组成。第41页/共69页 煤块在炉内的燃烧方式与加煤方法有关，常见的有二种燃烧方式：从炉栅上部加入煤块，在炉栅上呈层状燃烧的燃烧方式 其煤层从上至下依次为干燥干馏层、还原层、氧化层和灰层，层状燃烧所需的一次空气从炉栅下部通入，先经灰渣层预热，然后与其上部氧化层的焦炭进行氧化反应，生成CO和CO2，氧化层的温度最高，其厚度大约为4060mm，经过氧化层的空气，其中的氧气已大部分被消耗。还原层中的还原反应是吸热反应，CO2转变为CO，气体温度有所下降。具有一定温度的、CO含量较高的可燃性气体穿过最上一层煤层时，使煤层得到预热、干燥和干馏。经过干燥干馏层的可燃性气体进入燃烧室，与送入的二次空气

21、继续燃烧。将煤块加到向前移动的炉栅上，煤块随炉栅一起移动 一次空气仍从炉栅下部通入，此时，炉栅的前端为预热、干燥、干馏带，中端为氧化带，末端为灰渣带。通过预热、干燥、干馏带及灰渣带的空气，在燃烧室中作为二次空气与氧化带上升的可燃性挥发分继续二次燃烧。第42页/共69页2.3 2.3 燃烧计算2.3.1 2.3.1 燃料燃烧的理论空气量计算建立燃烧方程式的假定：空气组成 20.9%O2和79.1%N2，两者体积比为：N2/O2=3.78燃料中固定氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为SO2不考虑NOX的生成燃料中的N在燃烧时转化为N2燃料的化学式为CxHySzOw第43页/共69页2.3.2 2.3.

22、2 燃烧方程式燃料重量燃料重量 =12=12x x+1.008+1.008y y+32+32z z+16+16ww理论空气量：理论空气量：煤煤 47 m47 m3 3/kg/kg，液体燃料，液体燃料1011 m1011 m3 3/kg/kg 第44页/共69页 例题第45页/共69页2.3.3 2.3.3 空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比。以 表示，通常1部分炉型的空气过剩系数第46页/共69页2.3.4 2.3.4 空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例如：汽油（C8H18）的完全燃烧：汽油的质量：128+1.00818=114.14 空气的质量：3212.5+283.7812.5=

23、1723空燃比 AF=15.11第47页/共69页2.4 燃烧过程中产生的污染物燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物等温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响第48页/共69页2.5 2.5 燃烧产物与温度的关系第49页/共69页2.6 2.6 燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW1000MW电站为例）第50页/共69页 典型固态燃料的燃烧产物：第51页/共69页 典型液态燃料的燃烧产物第52页/共69页 典型气态燃料的燃烧产物第53页/共69页2.7 2.7 热化学关系式发热量：单位燃料完全燃烧时，所放出的热

24、量，即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下的热量变化（kJ/kgorkcal/kg）高位发热量：包括燃烧生成物中水蒸气的汽化潜热低位发热量：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第54页/共69页标准煤 我国标准煤低位发热量为:29309KJ/kg 即7000kcal/kg。在能源利用方面，常使用标准煤进行比较。第55页/共69页 例题 甲厂用煤量1300kg/h,其低位发热量为16748KJ/kg,乙厂用煤量900kg/h,其低位发热量为27215.5KJ/kg,丙厂用煤量800kg/h,其低位发热量为29309KJ/kg,试求三个厂的煤耗，并比较其燃料利用率。第56

25、页/共69页甲厂标准煤耗：甲厂标准煤耗：丙厂标准煤耗：丙厂标准煤耗：乙厂标准煤耗：乙厂标准煤耗：甲厂标准煤耗最低，燃料利用率高甲厂标准煤耗最低，燃料利用率高第57页/共69页燃烧设备的热损失排烟热损失不完全燃烧热损失散热损失在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧第58页/共69页燃烧热损失与空燃比的关系第59页/共69页第三节第三节烟气体积及污染物排放量计算烟气体积及污染物排放量计算3.1烟气体积计算烟气体积计算理论烟气体积CO2、SO2、N2和H2O干烟气、标准干烟气、湿烟气烟气体积和密度的校正转化为标态下（273K、1atm）的体积和密

26、度注意：美、日和全球监测系统网的标态为298K、1atm。第60页/共69页过剩空气校正实际空气量=（1+）（O2+3.78N2）完全燃烧：与理论空气量相比多 （O2+3.78N2）此 时 烟 气 中，O2的 量 为 O2P=O2，N2的 量 为 N2P=3.78（1+）N2空气中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即进入燃烧系统的空气总氧量为0.264N2P第61页/共69页过剩空气校正理论需氧量=0.264N2P-O2P，空气过剩系数=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃烧过程中产生CO，过剩氧量必须加以校正：O2P-0.5COP=1+（O2P-0.5COP）/0.264N2P-（O2P-0.5COP）以上组分的量均可由烟气分析仪测定。第62页/共69页3.2 污染物排放量计算方法：根据实测的污染物浓度和排烟量根据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排放因子（EmissionFactor）排放评价的通用方程排放活化速度排放因素全部排放减少率第63页/共69页排放因子举例（烟煤、次烟煤SOx、NOx、CO）第64页/共69页排放因子举例（烟煤、次烟煤PM）第65页/共69页排放因子举例（机动车）EFEF车型车型 污染物污染物第66页/共69页例题：第67页/共69页例题（续）：第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页