1 2燃燒與大氣污染 1 1 教學(xué)要求了解常見(jiàn)民用及工業(yè)燃料的組成和性質(zhì) 掌握氣態(tài) 液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒過(guò)程 學(xué)會(huì)分析影響燃燒過(guò)程的因素 學(xué)會(huì)計(jì)算燃燒過(guò)程產(chǎn)生的煙氣量和污染物濃度 掌握顆粒物 硫氧化物和氮氧化物的產(chǎn)生機(jī)理 理解通過(guò)改變?nèi)紵龡l件減少污染物生成的途徑2 教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)理解燃燒的基本原理和相關(guān)污染物形成機(jī)理 重點(diǎn)掌握燃燒過(guò)程污染物排放計(jì)算 3 教學(xué)難點(diǎn)燃燒過(guò)程污染物排放計(jì)算 建議學(xué)時(shí)數(shù) 4學(xué)時(shí) 2 焚燒秸稈 3 4 300MW 600MW W 形火焰燃低揮發(fā)份無(wú)煙煤鍋爐 5 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐 6 300MW 600MW W 形火焰燃低揮發(fā)份無(wú)煙煤鍋爐該鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn) 分級(jí)送風(fēng)的雙拱爐膛 旋風(fēng)分離式煤粉濃縮型燃燒器 雙進(jìn)雙出球磨機(jī)正壓直吹式燃燒系統(tǒng) 7 600MW及以上超臨界本生直流機(jī)組鍋爐 8 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐 600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐 9 10 1燃料的性質(zhì) 燃料的分類 燃料的定義 指燃燒過(guò)程中能放出熱量 且經(jīng)濟(jì)上可行的物質(zhì) 11 1燃料的性質(zhì) 一 煤煤定義 是一種復(fù)雜的物質(zhì)聚集體 主要可燃成分是C H及少量O2 N2 S等一起構(gòu)成的有機(jī)聚合物 性質(zhì) 煤中有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分的含量因種類 產(chǎn)地不同而異 12 13 14 1燃料的性質(zhì) 1 煤的分類 按基于沉積年代的分類法分為褐煤 煙煤 無(wú)煙煤 1 褐煤 是由泥煤形成的初始煤化物 是煤中等級(jí)最低的一類 形成年代最短 呈黑色 褐色 泥土色 象木材結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 揮發(fā)分較高 析出溫度低 燃燒熱值低 不能制炭 干燥后 C含量60 75 O2含量20 25 15 1燃料的性質(zhì) 2 煙煤 形成歷史較褐煤長(zhǎng) 黑色 外形有可見(jiàn)條紋 揮發(fā)分20 45 C75 90 成焦性較強(qiáng) 氧含量低 水分及灰分含量不高 適宜工業(yè)使用 3 無(wú)煙煤 碳含量最高 煤化時(shí)間最長(zhǎng)的煤 具有明顯的黑色光澤 機(jī)械強(qiáng)度高 C含量 93 無(wú)機(jī)物量 10 著火難 不易自燃 成焦性差 16 2 燃料組成對(duì)燃燒的影響 碳 可燃元素 1kg純碳完全燃燒時(shí) 放出7850kcal的熱量 當(dāng)不完全燃燒生成CO時(shí) 放出2214kcal的熱量 純碳起燃溫度很高 燃燒緩慢 火焰也短 煤中的碳不是單質(zhì)狀態(tài)存在 而是與氫 氮 硫等組成有機(jī)化合物 煤形成的地質(zhì)年代越長(zhǎng) 其揮發(fā)性成分含量越少 而含碳量則相對(duì)增加 例如 無(wú)煙煤含碳量約90 98 一般煤的含碳量約50 95 氫 是燃料中發(fā)熱量最高的元素 固體燃料中氫的含量為2 10 以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖?1kg氫完全燃燒時(shí)能放出28780kcal的熱量 17 2 燃料組成對(duì)燃燒的影響 氧 氧在燃料中與碳和氫生成化合物 降低了燃料的發(fā)熱量氮 燃料中含氮量很少 一般為0 5 1 5 硫 以三種形態(tài)存在 有機(jī)硫 硫化鐵硫和硫酸鹽硫 前兩種能放出熱量 稱之為揮發(fā)硫 硫燃燒生成產(chǎn)物為SO2和SO3 其中SO2占95 以上 18 2 燃料組成對(duì)燃燒的影響 水分 水分的存在使燃料中可燃成分相對(duì)地減少 煤中水分由表面水分 外部水分 和吸附水分 內(nèi)部水分 組成 外部水分可以靠自然干燥方法除去 內(nèi)部水分要放在干燥箱中加熱到102 105 C 保持2h后才能除掉 灰分 是燃料中不可燃礦物質(zhì) 為燃料中有害成分 19 3 煤的成分分析 工業(yè)分析 proximateanalysis 測(cè)定煤中水分 揮發(fā)分 灰分和固定碳 估測(cè)硫含量和熱量 是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo) 元素分析 ultimateanalysis 用化學(xué)分析的方法測(cè)定去掉外部水分的煤中主要組分碳 氫 氮 硫和氧的含量 20 1 煤的工業(yè)分析 水分 一定重量13mm以下粒度的煤樣 在干燥箱內(nèi)318 323K溫度下干燥8小時(shí) 取出冷卻 稱重 外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375 380K下 約2h后 稱重 內(nèi)部水分外部水分 內(nèi)部水分 煤所含的全水分 煤所含水分使熱值降低 影響燃燒穩(wěn)定 一般控制煤中水分在10 13 揮發(fā)分 失去水分的試樣密封在坩堝內(nèi) 放在1200K的馬弗爐中加熱7分鐘 放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重 21 1 煤的工業(yè)分析 固定碳從煤中扣除水分 灰分以及揮發(fā)分后剩余的部分為固定碳 是煤的主要可燃物質(zhì) 失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分 焦炭 放在800 20 C的環(huán)境中灼燒到重量不在變化時(shí) 取出冷卻 焦炭所失去的重量為固定碳 灰分 灰分是煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱 高灰分 低熔點(diǎn)的煤極易結(jié)渣 從爾影響熱效率 22 1 煤的工業(yè)分析 煤中灰分的組成 我國(guó)煤炭的平均灰分含量為25 灰分的存在降低了煤的熱值 也增加了煙塵污染和出渣量 23 2 煤的元素分析 碳和氫 通過(guò)燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測(cè)定氮 在催化劑作用下使煤中的氮轉(zhuǎn)化為氨 堿液吸收 滴定硫 與氧化鎂和無(wú)水硫酸鈉混合物反應(yīng) SSO42 滴定 24 3 煤中硫的形態(tài) 25 3 煤中硫的形態(tài) a 硫化鐵硫 是主要的含硫成分 常見(jiàn)形態(tài)是黃鐵礦硫 黃鐵礦 硬度6 6 5 比重4 7 5 2本無(wú)磁性 但在強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)下能轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕?吸收微波能力較強(qiáng) 據(jù)此 可把其從煤中脫除 b 硫酸鹽硫 硫酸鹽硫在燃燒時(shí)不參加燃燒 留在灰渣里 是灰分的一部分 其它形態(tài)的硫能燃燒放出熱量 通常所說(shuō)的SOx污染物只包括有機(jī)硫 硫化物 不包括MeSO4 c 有機(jī)硫 以各種官能團(tuán)形式存在 如噻吩 芳香基硫化物 硫醇等 不易用重力分選的方法除去 需采用化學(xué)方法脫硫 26 4 煤的成分的表示方法 要確切說(shuō)明煤的特性 必須同時(shí)指明百分比的基準(zhǔn) 常用的基準(zhǔn)有以下四種 收到基 鍋爐爐前使用的燃料 包括全部灰分和水分空氣干燥基 以去掉外部水分的燃料作為100 的成分 即在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時(shí)的試樣成分 27 4 煤的成分的表示方法 干燥基 以去掉全部水分的燃料作為100 的成分 干燥基更能反映出灰分的多少干燥無(wú)灰基 以去掉水分和灰分的燃料作為100 的成分 28 4 煤的成分的表示方法 煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系 29 4 煤的成分的表示方法 我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果 30 4 煤的成分的表示方法 我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果 續(xù) 31 二 石油 液體燃料的主要來(lái)源鏈烷烴 環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物主要含碳和氫 還有少量硫 氮和氧氫含量增加時(shí) 比重減少 發(fā)熱量增加天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85 乙烷10 丙烷3 32 二 石油 石油是液體燃料的主要來(lái)源 原油是天然存在的易流動(dòng)液體 比重0 78 1 00主要含C H2 少量的S N2 O2 此外 含有微量金屬 釩 鎳 砷 鉛 氯等 10ppm左右 原油中的硫大部分以有機(jī)硫形式存在 形成非碳?xì)浠衔锏木薮蠓肿訄F(tuán) 其含硫量變化范圍較大 一般為0 1 7 原油通過(guò)蒸餾 裂化和重整過(guò)程生產(chǎn)出各種產(chǎn)品 原油中的S約有80 90 留于重餾分中 硫以復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在 而需去除的僅是硫原子 故不能用物理方法分離硫化物 采用高壓下的催化加氫破壞C S C鍵形成H2S氣體 可達(dá)目的 但費(fèi)用很高 33 三 天然氣 典型的氣體燃料一般組成為CH485 乙烷10 丙烷3 此外還有H2O CO2 N2 He H2S等 天然氣中的H2S具有腐蝕性 它的燃燒產(chǎn)物為硫的氧化物 因此許多國(guó)家規(guī)定了天然氣中總硫和H2S含量的最大允許子值 34 四 燃料組成的表示方法 CxHySzOwNv Sample C 77 2 H 5 2 N 1 2 S 2 6 O 5 9 andash 7 9 byweight Determinethenormalizedmolarcomposition ElementWt mol 100gmol molC77 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 molCThenormalizedmolarcomposition CH0 808N0 013S0 013O0 057 35 五 燃料的最重要的兩個(gè)屬性 熱值決定燃料的消耗量雜質(zhì)污染物產(chǎn)生的來(lái)源 36 六 其他燃料 非常規(guī)燃料城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農(nóng)產(chǎn)物和農(nóng)村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業(yè)和采礦廢物天然存在的含碳和含碳?xì)涞馁Y源合成燃料非常規(guī)燃料通常需要專門技術(shù)轉(zhuǎn)化為易于利用的形式城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問(wèn)題 37 2燃料燃燒過(guò)程 一 影響燃燒過(guò)程的主要因素1 燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物完全燃燒 CO2 H2O不完全燃燒 CO2 H2O CO 黑煙及其他部分氧化產(chǎn)物如果燃料中含有S和N 則會(huì)生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO 熱力型NOx 38 一 影響燃燒過(guò)程的主要因素 2 燃料完全燃燒的條件 3T 空氣條件 提供充足的空氣 但是空氣量過(guò)大 會(huì)降低爐溫 增加熱損失溫度條件 Temperature 達(dá)到燃料的著火溫度時(shí)間條件 Time 燃料在高溫區(qū)停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需時(shí)間燃料與空氣的混合條件 Turbulence 燃料與氧充分混合 39 一 影響燃燒過(guò)程的主要因素 典型燃料的著火溫度 40 一 影響燃燒過(guò)程的主要因素 燃燒火焰溫度與燃料混合比的關(guān)系 以CH4為例 41 一 影響燃燒過(guò)程的主要因素 典型鍋爐熱損失與過(guò)?？諝饬康年P(guān)系 42 一 影響燃燒過(guò)程的主要因素 燃?xì)獗群突旌铣潭葘?duì)燃燒產(chǎn)物的影響 43 二 燃料燃燒的理論空氣量 1 理論空氣量建立燃燒方程式的假定 空氣組成20 9 O2和79 1 N2 兩者體積比為 N2 O2 3 78燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2不考慮NOX的生成燃料中的N在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學(xué)方程式為CxHySzOw 44 二 燃料燃燒的理論空氣量 燃燒方程式 燃料重量 12x 1 008y 32z 16w煤4 7m3 kg 液體燃料10 11m3 kg 45 二 燃料燃燒的理論空氣量 理論空氣量 46 二 燃料燃燒的理論空氣量 3 6 6 0褐煤一般煤的理論空氣量7 5 8 5無(wú)煙煤9 10煙煤液體燃料 燃料油 的煤爐 4 5 5 5煤氣液化氣 2 97高爐 0 7干 8 84 9 01天然氣濕 11 4 12 1 47 二 燃料燃燒的理論空氣量 例題 48 二 燃料燃燒的理論空氣量 2 空氣過(guò)剩系數(shù)實(shí)際空氣量與理論空氣量之比 以 表示 通常 1部分爐型的空氣過(guò)剩系數(shù) 49 二 燃料燃燒的理論空氣量 3 空燃比 AF 定義 單位質(zhì)量燃料燃燒所需的空氣質(zhì)量 它可由燃燒方程直接求得 例如 甲烷在理想空氣量下的完全燃燒 CH4 2O2 7 56N2 CO2 7 56N2空燃比 AF 2 32 7 56 28 1 16 17 2汽油 C8H18 的理論空燃比為15純碳的理論空燃比約為11 5 50 二 燃料燃燒的理論空氣量 例 某燃燒裝置采用重油作燃料 重油成分分析結(jié)果如下 按質(zhì)量 C 88 3 H 9 5 S 1 6 灰分 0 10 試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量 解 以1kg重油燃燒為基礎(chǔ) 則 51 二 燃料燃燒的理論空氣量 52 理論需氧量為 73 58 23 75 0 5 97 83mol kg重油假定空氣中N2與O2的摩爾比為3 76 體積比 則 理論空氣量為 mol kg重油即Nm3 kg重油 二 燃料燃燒的理論空氣量 53 三 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物 燃燒可能釋放的污染物 CO2 CO SOx NOx CH 煙 飛灰 金屬及其氧化物等溫度對(duì)燃燒產(chǎn)物的絕對(duì)量和相對(duì)量都有影響燃料種類和燃燒方式對(duì)燃燒產(chǎn)物也有影響 54 三 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物 燃燒產(chǎn)物與溫度的關(guān)系 55 三 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物 燃料種類對(duì)燃燒產(chǎn)物的影響 以1000MW電站為例 56 三 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物 典型固態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物 57 三 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物 典型液態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物 58 三 燃燒過(guò)程中產(chǎn)生