第二章燃燒與大氣污染(1)1.燃料的性質2.燃料的燃燒過程3.煙氣體積計算4.燃燒過程中硫氧化物的形成5.顆粒污染物的形成6.其他污染物的形成第一節燃料的性質1.

燃料的分類按獲得方法分

按物態分

天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁巖

木炭、焦炭、煤粉等

液體燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油

氣體燃料

天然氣

高爐煤氣、發生爐煤氣、焦爐煤氣

2.

燃料的化學組成典型氣體、液體和固體燃料的化學組成成分2.

燃料的化學組成典型氣體、液體和固體燃料的化學組成成分（續）2.

燃料的化學組成液態燃料的揮發（以汽油為例）3.

燃料組成對燃燒的影響碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒時，放出32860kJ的熱量。當不完全燃燒生成CO時，放出9268kJ的熱量。純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰也短。煤中的碳不是單質狀態存在，而是與氫、氮、硫等組成有機化合物。煤形成的地質年代越長，其揮發性成分含量越少，而含碳量則相對增加。例如，無煙煤含碳量約90%~98%，一般煤的含碳量約50%~95%。氫：是燃料中發熱量最高的元素。固體燃料中氫的含量為2%~10%，以碳氫化合物的形式存在，1kg氫完全燃燒時能放出120500kJ的熱量。

3.

燃料組成對燃燒的影響氧：氧在燃料中與碳和氫生成化合物，降低了燃料的發熱量氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5%~1.5%硫：以三種形態存在：有機硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱之為揮發硫。硫燃燒生成產物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。3.

燃料組成對燃燒的影響水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內部水分）組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內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，為燃料中有害成分。4.煤的分類和組成

煤的基本分類褐煤最低品味的煤，形成年代最短，熱值較低煙煤形成年代較褐煤長，碳含量75%~90％。成焦性較強，適宜工業一般應用無煙煤煤化時間最長，含碳量最高（高于93％），成焦性差,發熱量大4.煤的分類和組成

煤的詳細分類4.煤的分類和組成

煤的成分分析工業分析（

proximateanalysis）測定煤中水分、揮發分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱值，是評價工業用煤的主要指標。元素分析（ultimateanalysis）用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。4.煤的分類和組成煤的工業分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內318～323K溫度下干燥8h，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

內部水分揮發分：失去水分的試樣密封在坩堝內，放在1200K的馬弗爐中加熱7min，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重

4.煤的分類和組成煤的工業分析（續）固定碳失去水分和揮發分后的剩余部分（焦炭）放在800

20

C的環境中灼燒到重量不再變化時，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳灰分：從煤中扣除水分、灰分以及揮發分后剩余的部分為固定碳4.煤的分類和組成煤中灰分的組成：我國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4.煤的分類和組成煤的元素分析碳和氫：通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉化為氨，堿液吸收，滴定硫：與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應，SSO42-，滴定4.煤的分類和組成煤中硫的形態4.煤的分類和組成煤的成分的表示方法

要確切說明煤的特性，必須同時指明百分比的基準，常用的基準有以下四種：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，即在實驗室內進行燃料分析時的試樣成分

4.煤的分類和組成干燥基：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灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分4.煤的分類和組成煤的成分的表示方法及其組成的相互關系

4.煤的分類和組成我國部分煤種的分析結果

4.煤的分類和組成我國部分煤種的分析結果(續）

5.其他燃料

石油液體燃料的主要來源鏈烷烴、環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，比重減少，發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％5.其他燃料

非常規燃料城市固體廢棄物商業和工業固體廢棄物農產物和農村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業和采礦廢物天然存在的含碳和含碳氫的資源合成燃料

非常規燃料通常需要專門技術轉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題6.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/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/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

燃料的最重要的兩個屬性熱值決定燃料的消耗量雜質污染物產生的來源第二節燃料燃燒過程

1.影響燃燒過程的主要因素燃燒過程及燃燒產物

完全燃燒：CO2、H2O不完全燃燒：CO2、H2O&CO、黑煙及其他部分氧化產物如果燃料中含有S和N，則會生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx1.影響燃燒過程的主要因素燃料完全燃燒的條件（3T）空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達到燃料的著火溫度時間條件（Time）：燃料在高溫區停留時間應超過燃料燃燒所需時間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合1.影響燃燒過程的主要因素典型燃料的著火溫度1.影響燃燒過程的主要因素燃燒火焰溫度與燃料混合比的關系（以CH4為例）1.影響燃燒過程的主要因素典型鍋爐熱損失與過剩空氣量的關系1.影響燃燒過程的主要因素燃氣比和混合程度對燃燒產物的影響2.燃料燃燒的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在燃燒時轉化為N2燃料的化學式為CxHySzOw2.燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：燃料重量

=12x+1.008y+32z+16w理論空氣量：煤

4~7m3/kg，液體燃料10~11m3/kg

2.燃料燃燒的理論空氣量例題：2.燃料燃燒的理論空氣量空氣過剩系數實際空氣量與理論空氣量之比。以

表示，

通常>1部分爐型的空氣過剩系數2.燃料燃燒的理論空氣量空燃比單位質量燃料燃燒所需要的空氣質量

例如：汽油（～C8H18）的完全燃燒：汽油的質量：12

8+1.008

18=114.14空氣的質量：32

12.5+28

3.78

12.5=1723空燃比

AF=15.113.燃燒過程中產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燃燒產物的絕對量和相對量都有影響燃料種類和燃燒方式對燃燒產物也有影響3.燃燒過程中產生的污染物燃燒產物與溫度的關系：3.燃燒過程中產生的污染物燃料種類對燃燒產物的影響（以1000MW電站為例）：3.燃燒過程中產生的污染物典型固態燃料的燃燒產物：3.燃燒過程中產生的污染物典型液態燃料的燃燒產物：3.燃燒過程中產生的污染物典型氣態燃料的燃燒產物：4.熱化學關系式發熱量：單位燃料完全燃燒時，所放出的熱量，即在反應物開始狀態和反應產物終了狀態相同下的熱量變化（kJ/kgorkcal/kg）高位發熱量：包括燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱低位發熱量：燃燒產物中的水蒸氣仍以氣態存在時，完全燃燒過程所釋放的熱量4.熱化學關系式燃燒設備的熱損失排煙熱損失不完全燃燒熱損失散熱損失在充分混合的條件下，熱損失在理論空氣量條件下最低不充分混合時，熱損失最小值出現在空氣過剩一側4.熱化學關系式燃燒熱損失與空燃比的關系第三節煙氣體積及污染物排放量計算1.煙氣體積計算理論煙氣體積

CO2、SO2、N2和H2O干煙氣、標準干煙氣、濕煙氣煙氣體積和密度的校正轉化為標態下（273K、1atm）的體積和密度注意：美、日和全球監測系統網的標態為298K、1atm。1.煙氣體積計算過剩空氣校正實際空氣量

=（1+

）

（O2+3.78N2）完全燃燒：與理論空氣量相比多

（O2+3.78N2）

此時煙氣中，O2的量為O2P=

O2，N2的量為N2P=3.78

（1+

）

N2空氣中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即進入燃燒系統的空氣總氧量為0.264N2P1.煙氣體積計算過剩空氣校正理論需氧量=0.264N2P-O2P，空氣過剩系數

=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃燒過程中產生CO，過剩氧量必須加以校正：O2P-0.5COP

=1+（O2P-0.5COP

）/[0.264N2P-（O2P-0.5COP

）]

以上組分的量均可由煙氣分析儀測定。

2.污染物排放量計算方法：根據實測的污染物濃度和排煙量根據燃燒設備的排污系數、燃料組成和燃燒狀況預測煙氣量和污染物濃度排放因子（EmissionFactor）2.污染物排放量計算排放因子舉例（煙煤、次煙煤－SOx、NOx、CO）2.污染物排放量計算排放因子舉例（煙煤、次煙煤－PM）2.污染物排放量計算排放因子舉例（機動車）EF車型污染物2.污染物排放量計算例題：2.污染物排放量計算例題（續）：第二章燃燒與大氣污染(2)1.燃料的性質2.燃料的燃燒過程3.煙氣體積計算4.燃燒過程中硫氧化物的形成5.顆粒污染物的形成6.其他污染物的形成第四節燃燒過程中硫氧化物的形成

1.硫的氧化機理

有機硫的分解溫度較低無機硫的分解速度較慢含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍色，由于反應：在所有的情況下，它都作為一種重要的反應中間體1.硫的氧化機理H2S的氧化1.硫的氧化機理CS2和COS的氧化1.硫的氧化機理元素S的氧化1.硫的氧化機理有機硫化物的氧化

2.SO2和SO3之間的轉化

反應方程式SO2+O+M

SO3+M（1）SO3+O

SO2+O2

（2）SO3+H

SO2+OH

（3）SO3+M

SO2+O+M（4）

在熾熱反應區

，[O]

濃度很高，反應（1）和（2）起支配作用

2.SO2和SO3之間的轉化SO3生成速率

當d[SO3]/dt=0時，SO3濃度達到最大在富燃料條件下，[O]濃度低得多，SO3的去除反應主要為反應（3），SO3的最大濃度：2.SO2和SO3之間的轉化燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結合生成H2SO4，轉化率:轉化率與溫度密切相關H2SO4濃度越高，酸露點越高煙氣露點升高極易引起管道和空氣凈化設施的腐蝕2.SO2和SO3之間的轉化SO3的轉化率/%SO2排放因子舉例-fromAP-42第五節燃燒過程中顆粒物的形成1.碳粒子的生成積炭的生成核化過程：氣相脫氫反應并產生凝聚相固體碳核表面上發生非均質反應較為緩慢的聚團和凝聚過程燃料的分子結構是影響積炭的主導因素積炭的生成與火焰的結構有關提高氧氣量可以防止積炭生成壓力越低則積炭的生成趨勢越小1.碳粒子的生成火焰的結構預混火焰：氣體燃料和空氣在燃燒前充分混合（bursenburner,meekerburner）擴散火焰：燃料和空氣分別進入燃燒區，混合然后發生反應（實際中應用最多），不同的區域有不同的

(0～

)值1.碳粒子的生成火焰的結構（續）層流火焰：Re<2200，分子擴散和傳導是控制過程湍流火焰：Re>2200，強烈的湍流作用，但分子擴散仍然起作用Laminar transition developedturbulent heightJetvelocity1.碳粒子的生成乙炔火焰中生碳反應過程1.碳粒子的生成石油焦和煤胞的生成燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發生液相裂化和高溫分解，出現結焦多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞，難以燃燒。焦粒生成反應的順序：烷烴烯烴帶支鏈芳烴凝聚環系瀝青半園體瀝青瀝青焦焦炭

2.燃煤煙塵的形成煙塵：固體燃料燃燒產生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質微粒煤粉燃燒過程碳表面的燃燒產物為CO，它擴散離開表面并與O2反應灰層碳層外擴散2.燃煤煙塵的形成煤粉燃燒過程理論上碳與氧的摩爾比近1.0時最易形成黑煙在預混火焰中，C/O大約為0.5時最易形成黑煙易燃燒又少出現黑煙的燃料順序為：無煙煤焦炭褐煤低揮發分煙煤高灰發分煙煤碳粒子燃盡的時間與粒子的初始直徑、表面溫度、氧氣濃度等有關2.燃煤煙塵的形成燃燒碳層中成分和溫度分布2.燃煤煙塵的形成黑煙形成的化學過程2.燃煤煙塵的形成高灰分燃料的擴散燃燒2.燃煤煙塵的形成灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素2.燃煤煙塵的形成飛灰的形成過程2.燃煤煙塵的形成影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素煤質燃燒方式煙氣流速爐排和爐膛的熱負荷鍋爐運行負荷鍋爐結構2.燃煤煙塵的形成影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素——煤質2.燃煤煙塵的形成燃煤顆粒大小對飛灰含量的影響2.燃煤煙塵的形成影響煙煤煙氣中飛灰排放特征的因素——燃燒方式2.燃煤煙塵的形成幾種燃燒方式的煙塵百分比2.燃煤煙塵的形成幾種燃燒方式的煙塵顆粒概況火電廠大氣污染物排放標準本標準將火電廠按年限劃分為以下三個時段：Ⅰ時段－1992年8月1日之前建成投產或初步設計已通過審查批準的新、擴、改建火電廠；Ⅱ時段－1992年8月1日起至1996年12月31日期間環境影響報告書通過審查批準的新、擴、改建火電廠，包括1992年8月1日之前環境影響報告書通過審查批準、初步設計待審查批準的新、擴、改建火電廠；Ⅲ時段－1997年1月1日起環境影響報告書待審查批準的新、擴、改建火電廠大氣污染物排放標準火電廠大氣污染物排放標準分類煙塵最高允許排放濃度（mg/m3）在縣及縣以上城鎮規劃區內的火電廠鍋爐200在縣規劃區以外地區的火電廠鍋爐500第I時段的在縣及縣以上城鎮規劃區內、1997年1月1日后還有10年及以上剩余壽命的火電廠鍋爐600第Ⅲ時段的火電廠鍋爐最高允許煙塵排放濃度火電廠大氣污染物排放標準第Ⅲ時段火電廠各煙囪SO2最高允許排放濃度燃料收到基硫分（％）≤1.0>1.0最高允許排放濃度（mg/m3）21001200鍋爐額定蒸發量煤粉鍋爐

液態排渣固態排渣≥1000t/h1000650第Ⅲ時段的火電廠鍋爐氮氧化物最高允許排放濃度（mg/m3）2.燃煤煙塵的形成影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素——運行負荷第六節燃燒過程中其他污染物的形成1.有機污染物的形成形成歷程鏈烴