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第二章 大气污染控制基础 本章要点 燃烧反应物 燃料的分类和性质 完全燃烧与不完全燃烧过程 燃烧反应产物 污染物的生成机理、计 算烟气排放量、计算污染物排放量 一、燃烧与大气污染 燃烧的化学反应机理 活化分子碰撞理论 链琐反应理论 燃烧基本理论 着火理论 自燃着火理论 点燃着火理论 有关燃烧的基本概念 （ 1）燃烧 燃烧是指一种物质起剧烈的氧化反 应，同时发光发热的现象。 （ 2）燃料 用以产生热量或动力的可燃性物质， 如煤、焦炭、木柴等。 （ 3）理论空气量、实际空气量与空气过剩系数。 理论空气量： 按照燃料中各可燃质氧化反应方程来计算燃料燃 烧过程所需的空气量，用 V0表示 实际空气量： 实际供给的空气量称为实际空气量。实际空气量 用 Vk表示。 空气过剩系数： 0/ VV k 1.机理 活化分子碰撞理论 反应物 活化分子 生成物 +放热 分子能量 活 化能 原子间振动大 原子间联系小 新产物 链锁反应理论 活化分子碰撞理论在阐述温度对反应速度的影响时，能够正确地反应客观规律。但是，不一定能解释燃烧反应过程中的某些 现象。如干燥的 CO和 O2混合气体，即使在 700 高温下也几乎不 会发生反应；若在其中加入微量的水蒸汽，就能大大加速这一 反应，甚至着火燃烧。其反应式仍为 2CO+O2 2CO 2 ，这就不 能用有效碰撞理论来解释了，需要有新的理论来解释，如链锁 反应理论。 链锁反应理论认为有很多化学反应需要经过若干中间基元反应 才能完成。在这些中间反应中会产生一些活性很高的活性产物 （活性中心），再由这些活性中心与原始反应物进行化学反应， 这时除产生最终生成物外会再生出若干活性中心，使得化学反 应得以继续。 活性中心是一些很不稳定的自由原子、自由基，它们与原始反 应物反应时的活化能很低，能大大提高化学反应速率。 链锁反应有不分支链锁反应与分支链锁反应两大类。 222 C O O 2 C O 均相燃烧过程中的链锁反应 2 2 2 2 H O H H O H O C O C O H H O O H O O H O 2HO 总反应 : 2.着火理论 自燃 自燃 点燃： 依靠外热能量强化局部可燃混合气化 学反应，使反应速率急剧升高而达到爆炸式反 应，并向周围未燃的可燃混合气传播的现象。 热自燃 ： 链锁自燃 自身化学反应 ： 活性中心迅速繁殖 气体燃料的燃烧 褶皱层流火焰的表面燃烧理论 微扩散的容积燃烧理论 液体燃料的燃烧 （乳化油） 微爆理论 水煤气反应理论 固体燃料的燃烧 层燃式燃烧 流化床燃烧 悬浮式燃烧 油滴的燃烧 油雾的燃烧 乳化油的燃烧 3. 燃 料 与 燃 烧 方 式 （紊流火焰） 紊流燃烧 扩散燃烧 气体燃料的燃烧 褶皱层流火焰的表面燃烧理论 小尺度紊流 大尺度紊流 修正公式 2 1 KTL R LuSS 2 22 1TL L uSS S 2 2 2 l n 1 TL L uSS u S 微扩散的容积燃烧理论 紊流火焰的传播速度增大不是由于火焰 前锋面面积的增加，而是由于紊流中热传递和 质量（即活化中心）扩散等紊流迁移性质的加 强，加速了火焰中的化学反应、加大了燃烧区 的宽度。 液体燃料的燃烧 a.油滴的燃烧 油滴蒸发 油滴热解和裂化 着火燃烧 添图 b.油雾的燃烧 c.乳化油的燃烧 燃料油乳化之后燃烧，既节约了燃 料，又强化了燃烧过程，是一种较 常用的燃烧方法。一般采用机械法、 气动法或超声波法使水分散在油中， 形成油包水型乳化液。有两种理论 对乳化油燃烧过程做出较好的解释。 微爆理论 水煤气反应理论 固体燃料的燃烧 a. 煤的燃烧阶段特征 挥发分燃烧阶段 焦炭燃烧阶段 燃烬阶段 b. 燃烧方式 层燃式燃烧 流化床燃烧 悬浮式燃烧 、 煤的有机化学结构 图 2-5 挥发分燃烧阶段 焦炭燃烧阶段 燃烬阶段 层燃式燃烧主要的优点是： 能获得最大的热密度 可以较大地增加鼓风 燃烧过程稳定 流化床燃烧示意图 流化床的料层温度一般控制在 850 1050 ， 流化层的高度为 1.0 1.5m. 优点 : 很快升温并着火燃烧 热负荷大 ,温度分布比较均匀 可实现低温燃烧 工况不稳定时不完全燃烧 煤气质量低 缺点： 悬浮式燃烧 悬浮式燃烧 直流燃烧 涡流燃烧：燃烧强度大 优点 ： 容易调节炉温 ， 改善劳动条件 缺点 ： 大量的飞灰 直流燃烧 /火炬式 涡流燃烧 /旋风式 直流燃烧与层燃式相比，最大优点 是可以大量使用劣质煤和煤屑，甚 至还可以掺用一部分无烟煤和焦炭 屑。用层燃式燃烧发热量较低和灰 分含量较高的劣质煤时，炉温只能 达到 1100 ，改用直流燃烧法时， 炉温可达到 1300 。 影响燃烧过程的因素： （ 1） 燃料种类和性质。包括燃料中 所含的水分、挥发物灰量及其可熔性 燃料的发热量，燃料的粘结性和热稳定 性 （ 2）化学反应速度和氧气向燃料表面 的扩散速度。 燃烧与大气污染物 烟尘：是指煤等固体燃料在燃烧过程中由 烟囱排出的烟气中所含的烟、烟黑、灰分、 粒状浮游物质的混合物 硫氧化物：包括，有机硫和无机硫（如黄 铁矿、硫酸盐类等） 氮氧化物：燃烧过程中的 NOx主要来源于空 气和燃料中含有的氮 碳氧化物：主要来自燃料燃烧和机动车排 气。 二 .燃烧过程与污染控制 CO与 CO2的生成与控制 烟尘的生成与控制 硫氧化物的生成与控制 NOX生成与控制 碳氢化合物的生成与控制 （ 1） CO与 CO2的生成与控制 CO与 CO2的生成 (最基本的反应 ) C O2 CO2 Q 2C O2 2CO Q C CO2 2CO Q 2CO O2 2CO2 Q CO的控制方法 充分的氧气，停留时间足够 水蒸气含量较多时： C 2H2OCO H2 C 2H2O CO 2 2H2 3C 4H2O 4H 2 CO 2CO2 C 2H2 CH4 在固体表面的催化下， H2O容易与 CO、 CO2发生反应： CO H2 O CO 2 H2 2CO 2H2 CO2 CH4 CO 3H2 H2 O CH4 CO2 4H2 2H2 O CH4 2CO CO 2 C （ 2）烟尘的生成与控制 生成原因：不完全燃烧 气体燃料 碳黑 液体燃料 积碳 +碳粒 煤 黑烟（主要含有苯、芘、蒽、苯并芘等） 碳烟的生成 烟尘的控制 改进燃烧过程 控制 特殊燃烧方法 烟尘再燃烧法 加入添加剂燃烧法 煤中的含硫量一般为 0.5%5%，以有机硫和黄铁 矿硫形式存在的硫在燃烧过程中全部参加反应， 氧化为 SO2；而硫酸盐硫则不参与燃烧，一部分 留在底灰中，另一部分以飞灰形式排出。 液体燃料的硫种类很多，以有机化合物的形式存 在于燃料中，也有游离硫、硫化氢等形式。原油 的含硫量因产地而异，一般为 0.5%2%，重油的 含硫量较高，一般为原油含硫量的 1.5倍。 气体燃料中硫以气态硫化氢的形式存在，天然气 中含硫量一般小于 1%。 （ 3）硫氧化物的生成与控制 SO2的生成 S O2SO 2 Q 含硫量和 SO2的生成量的关系 原因：部 分 SO2转化 为 SO3 SO2生成量还可按理论计算式获得： 10 0 22SO BSG 式中 GSO2 指由所计算的燃烧装置排出的 SO2质 量， kg/h； S 所用燃料含硫量，重量 %； B 单位时间消耗的燃料量， kg/h。 对流受热面上的积灰和氧化 膜的催化作用 2 2 2 4 42 S O O V O 2 V O S O S 4 2 5 3 22 V O O V O S O S O SO3的生成 2 23 O O + O SO + O SO 火焰中生成的原子氧参与反应 平衡值 V2O5 Fe2O3 SO3的危害 ：锅炉尾部受热面发生腐蚀现象 影响 SO3生成量的主要因素 ： 燃料中的含硫量越多， SO2和 SO3的生成量越多； 空气过剩系数越大， SO3的生成量越多； 火焰中心温度越高，生成的 SO3也越多； 烟气停留时间越长， SO3生成量就越多。 硫酸的生成 控制硫氧化物的生成的燃烧技术 低氧燃烧 流化床燃烧脱硫 3 2 2 4S O H O H S O （ 4） NOx 据燃烧原因： NOX 热机理型 NOx 瞬时机理型 NOx 燃料型 NOx NNOON 2 ONOON 2 %)N67.6N5.9N58.41(100 32 生成量相对少得多 在锅炉的燃烧温度下， NO生成反应尚未达 到化学平衡， NO的生成量将随着烟气在高 温区内的停留时间的延长而增大。 氧气的浓度越高， NO的生 成量相应越高。 控制 NOx生成的燃烧技术 控制技术 低氧燃烧法 烟气再循环燃烧 喷水法 低 NOx的燃烧器 其它 二级燃烧 降低热风温度 降低燃烧室的热强度 增加炉膛的水冷程度 好的燃烧设备 乳化油燃烧技术 低 NOx的燃烧器 （ 5）碳氢化合物的生成与控制 碳氢化合物的生成 RH+O2R +HO2 R+O2 RO 2 RO2 +RH ROOH+ R 影响因素 空燃比 空燃比应为 1415 点火时间 推迟点火时间，可 使 C mHn的浓度 下降。但在汽车减速时推迟点火，使断 火的可能性增大， C mHn的浓度反而会增 高。 其他影响因素，包括： 残余气体； 冷却水的温度； 汽车运行情况 。 三 .大气污染控制基础数据计算 物料衡算 煤 液体燃料与气体燃料 燃烧所需空气量的计算 燃烧产生烟气量的计算 烟气中 CO含量的计算 SO2的排放浓度与脱硫效率的计算 三 .大气污染控制基础数据计算 1.物料衡算 F- D=A 其中， F为进料量， D为出料量， A为积累量 连续燃烧过程， A=0， 上式演变 为 F= D 2.煤 碳（ C）：一般占煤成分的 20%70% 氢 （ H）： 3%5% ， 以化合态形式存在 氧（ O） ： 无烟煤： 1%2%，泥炭中 含量可达 40%。 硫（ S）： 分为可燃硫（ Sr）和不可燃烧硫 （ Sly）。 氮（ N）： 0.5%2.5%。 灰份 （ A）： 不可燃烧杂质 水分（ W）： 外在水分 （ Ww）和内在水分 3.液体燃料与气体燃料 原油是优良的液体燃料，但很少用作锅 炉燃料。原油在常压和一定温度下分馏， 分离出汽油、煤油和柴油等轻质油类， 剩下的残留物就是重油或渣油。重油再 经过减压蒸馏，分离出重柴油和蜡油， 残余物为减压重油。工业锅炉与电厂锅 炉所使用的液体燃料，通常是重油或减 压重油。 4.燃烧所需空气量的计算 碳燃烧时所需氧气量 C+O2 CO 2 若燃料中含碳量为 Cy kg/kg， 则 1kg燃料中碳 燃烧所需的氧气量为 22.4/12Cy=1.886 Cy 氢燃烧时所需氧气量 2H2+O2 2H 2O 若燃料中含氢量为 Hy kg/kg， 则 1kg燃料中氢燃烧 所需的氧气量为 22.4/(4x1.008)Hy=5.55 Hy 硫燃烧时所需氧气量 S+O2 SO 2 若燃料中含碳量为 Sy kg/kg， 则 1kg燃料中硫燃 烧 所需的氧气量为 22.4/32Sy=0.7 Sy 燃料中氧的当量 若燃料中含氧量为 Oy kg/kg， 则 1kg燃料中氧的 当量为： 22.4/32Oy=0.7 Oy 因此 ， 燃烧 1kg燃料所需的氧气量即为上述四项之和： 1.886 Cy+ 5.55 Hy+ 0.7 Sy- 0.7 Oy 燃烧 1kg燃料所需的空气量 V0（ 单位为 m3/kg） 为： V0=8.89 Cy+3.33 Sy+26.5 Hy-3.33Oy 若以质量来表示 ， 则理论空气量为： L0=1.293V0 空气的密度 （ 2）燃烧产生烟气量的计算 理论烟气量的计算 理论烟气量（ Vyo） 由 Vco2、 Vso2与理论水 蒸气量 VH2O0以及理论空气量中的氮气量 VN20所 组成。 a.燃料含碳率为 Cykg/kg， ， 1kg燃料完全 燃烧产生的 CO2为： 22.4 /12Cy=1.886 Cy b.燃料含硫率为 Sykg/kg， 1kg燃料完全燃 烧产生的 SO2为： 22.4/32Sy=0.7 Sy VRO2=Vco2+Vso2= 1.886( Cy+0.375 Sy) 理论氮气量 VN20 理论氮气量有两个来源：燃料中的的氮与空气中的 氮 。 理论 VN20=0.8Ny+0.79V0 理论水蒸气量 VH2O0 理论水蒸气量有四个来源 :燃料的水分 Wy 、 燃 料 中氢燃烧产生 Hy 、 理论空气带入 V0 和采用蒸汽 雾化重油燃烧时 ， 随同重油喷入的水蒸气 Gwh。 理论蒸汽量 VH2O0 =1.24 Wy +1.11 Hy +0.0161V0+1.24Gwh 实际烟气量的计算 计算关系见 P81图 2-27 不完全燃烧时干烟气量的计算： Vgy=1.866(Cy+0.375Sy)/(RO2 +CO) 见 P82表 2-7， 2-8 (3)烟气中 CO含量的计算 不完全燃烧方程： CO=(0.21 O2（ 1+） RO2)/(0.605+ ) 其中， =2.35(Hy (Oy/8)+0.038Ny)/(Cy+0.375 Sy) 为燃烧特性系数， (4)SO2的排放浓度与脱硫效率的计算 煤粉炉烟气中 SO2的排放系数 如果燃煤锅炉的 SO2允许排放浓度为 CSO2*， 则可以计算 满足环境保护要求所需达到的脱硫效率 63 34 .5 0. 99 jA （ ） 22 2 2 * S O S O SO SO 100% CC C 例题 2燃煤的折算含硫量 0.75g/MJ，排放 系数 =85.8%，求不脱硫时烟气中 SO2浓度， 及不同排放要求时所必须达到的脱硫率。 解：利用图 2-29，可以查出在不采用脱硫措 施时排烟中原始 SO2浓度为 3500mg/Nm3；如果 SO2的 =600mg/Nm3，则要求为 80%；如果为 400mg/Nm3，则要求达到 90%。 当然，也可以按式 2-108计算脱硫率。 作业（二选一） 1.论述能源的合理使用、先进技术的采用 与可持续发展。 2.可再生能源相关议题！