大气污染控制工程第二章燃烧与大气污染-PPT.ppt

1第二章第二章 燃烧与大气污染燃烧与大气污染2OUTLINEOUTLINE2.1燃料的性质燃料的性质2.2燃料的燃烧过程燃料的燃烧过程2.3与燃烧相关的计算与燃烧相关的计算2.4燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧过程中硫氧化物的形成2.5燃烧过程中颗粒污染物的形成燃烧过程中颗粒污染物的形成2.6燃烧过程中其他污染物的形成燃烧过程中其他污染物的形成3p燃料的分类燃料的分类p燃料的化学组成燃料的化学组成p燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响p煤煤p其他燃料其他燃料p燃料组成的化学表达式燃料组成的化学表达式2.1燃料的性质燃料的性质4 按获得方法分按获得方法分 按物态分按物态分 天然燃料天然燃料 人工燃料人工燃料 固体燃料固体燃料 木柴、煤、木柴、煤、油页岩油页岩 木炭、焦炭、煤木炭、焦炭、煤粉等粉等 液体燃料液体燃料 石油石油 汽油、煤油、柴汽油、煤油、柴油、重油油、重油 气体燃料气体燃料 天然气天然气 高炉煤气、发生高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤炉煤气、焦炉煤气气 p燃料的分类燃料的分类5p燃料的化学组成燃料的化学组成典型的气体燃料的化学组成成分典型的气体燃料的化学组成成分 6典型的液体燃料的化学组成成分典型的液体燃料的化学组成成分 7典型的固体燃料的化学组成成分典型的固体燃料的化学组成成分 8p燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响碳碳可燃元素。可燃元素。1kg纯碳完全燃烧时，放出纯碳完全燃烧时，放出7850kcal的热量。当不完全燃烧生成的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出时，放出2214kcal的热量。纯碳起燃温的热量。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短。煤中的度很高，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、碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、硫等组成有机化合物。煤形成的地质年硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含量越少，而含代越长，其挥发性成分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约约90-98%，一般煤的含碳量约，一般煤的含碳量约50-95%。9氢氢是燃料中发热量最高的元素。固体燃料是燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为中氢的含量为2-10%，以碳氢化合物的，以碳氢化合物的形式存在，形式存在，1kg氢完全燃烧时能放出氢完全燃烧时能放出28780kcal的热量。的热量。氧氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量。燃料的发热量。氮氮燃料中含氮量很少，一般为燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%。10硫硫以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐以三种形态存在：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。硫燃硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为烧生成产物为SO2和和SO3，其中，其中SO2占占95%以上。以上。水分水分其存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水其存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部分由表面水分（外部水分）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去。内部水分要放在干燥箱中加热到102-105 C，保持，保持2h后才能除掉。后才能除掉。灰分灰分是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。11p煤煤S煤是重要的固体燃料，是一种不均匀煤是重要的固体燃料，是一种不均匀的有机燃料，主要是植物的部分分解和的有机燃料，主要是植物的部分分解和变质形成。变质形成。S煤的可燃成分主要是碳、氢及少量氧、煤的可燃成分主要是碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。氮和硫等一起构成的有机聚合物。S煤中有机成分和无机成分的含量，因煤中有机成分和无机成分的含量，因煤的种类和产地的不同而有很大差别。煤的种类和产地的不同而有很大差别。12l煤的基本分类煤的基本分类褐煤褐煤 最低品位的煤，是由泥煤形成最低品位的煤，是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最短。的初始煤化物，形成年代最短。呈黑色、褐色和泥土色，其结构呈黑色、褐色和泥土色，其结构类似木材。褐煤呈现出粘结状及类似木材。褐煤呈现出粘结状及带状，水分含量高，与高品位煤带状，水分含量高，与高品位煤相比，其热值较低。相比，其热值较低。13烟煤烟煤形成年代较褐煤长，呈黑色，形成年代较褐煤长，呈黑色，外形有可见条文，挥发分含量为外形有可见条文，挥发分含量为20%-45%，碳含量为，碳含量为75%-90%。烟煤的成焦性较强，且含氧量低，烟煤的成焦性较强，且含氧量低，水分和灰分含量一般不高，适宜水分和灰分含量一般不高，适宜于工业上的一般应用。在空气中，于工业上的一般应用。在空气中，它比褐煤更能抵抗风化。它比褐煤更能抵抗风化。14无烟煤无烟煤无烟煤是碳含量最高、煤化时间无烟煤是碳含量最高、煤化时间最长的煤。它具有明显的黑色光最长的煤。它具有明显的黑色光泽，机械强度高。碳的含量一般泽，机械强度高。碳的含量一般高于高于93%，无机物含量低于，无机物含量低于10%，因而着火困难，储存时稳定，因而着火困难，储存时稳定，不易自燃。无烟煤的成焦性极差。不易自燃。无烟煤的成焦性极差。15l l煤的详细分类煤的详细分类16S工业分析（工业分析（proximateanalysis）测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热量，是评价工业用煤的主估测硫含量和热量，是评价工业用煤的主要指标。要指标。S元素分析（元素分析（ultimateanalysis）用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤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。中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。l l煤的成分分析煤的成分分析17S煤的工业分析煤的工业分析水分水分一定重量一定重量13mm以下粒度的煤样，在以下粒度的煤样，在干燥箱内干燥箱内318-323K温度下干燥温度下干燥8小时，小时，取出冷却，称重取出冷却，称重外部水分。外部水分。将失去外部水分的煤样保持在将失去外部水分的煤样保持在375-380K下，约下，约2h后，称重后，称重内部水分。内部水分。18挥发分挥发分失去水分的试样密封在坩埚内，放在失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热的马弗炉中加热7分钟，放入干燥箱中冷却分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重。至常温再称重。固定碳固定碳从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳。部分为固定碳。失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在在800 20 C的环境中灼烧到重量不在变化的环境中灼烧到重量不在变化时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳。时，取出冷却。焦炭所失去的重量为固定碳。19灰分灰分煤中不可燃矿物物质的总称。我国煤炭的平煤中不可燃矿物物质的总称。我国煤炭的平均灰分含量为均灰分含量为25。灰分的存在降低了煤的。灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量。热值，也增加了烟尘污染和出渣量。20S煤的元素分析煤的元素分析21碳碳碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。碳碳元素是组成煤的有机高分子的最主要元素。碳含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥含量随煤化度的升高而增加。在我国泥炭中干燥无灰基碳含量为无灰基碳含量为5562；成为褐煤以后碳含量；成为褐煤以后碳含量就增加到就增加到6076.5；烟煤的碳含量为；烟煤的碳含量为7792.7；一直到高变质的无烟煤，碳含量为一直到高变质的无烟煤，碳含量为88.98。个别。个别煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在煤化度更高的无烟煤，其碳含量多在90以上，以上，如北京、四望峰等地的无烟煤，碳含量高达如北京、四望峰等地的无烟煤，碳含量高达9598。煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类煤中还存在着少量的无机碳，主要来自碳酸盐类矿物，如石灰岩和方解石等。矿物，如石灰岩和方解石等。22氢氢煤中第二重要的组成元素。除有机氢外，在煤中第二重要的组成元素。除有机氢外，在煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要煤的矿物质中也含有少量的无机氢。它主要存在于矿物质的结晶水中，如高岭土存在于矿物质的结晶水中，如高岭土(Al2O32SiO22H2O)、石膏、石膏(CaSO42H2O)等。等。在煤的整个变质过程中，随着煤化度的加深，在煤的整个变质过程中，随着煤化度的加深，氢含量随碳含量的增加而降低。尤其在无烟氢含量随碳含量的增加而降低。尤其在无烟煤阶段尤为明显。当碳含量由煤阶段尤为明显。当碳含量由92%增至增至98时，氢含量则由时，氢含量则由2.1%降到降到1%以下。以下。23氧氧煤中第三重要的组成元素。以有机和无机两种煤中第三重要的组成元素。以有机和无机两种状态存在。有机氧如羧基状态存在。有机氧如羧基(-COOH)，羟基，羟基(-OH)和甲氧基（和甲氧基（-OCH3)等；无机氧主要存在于等；无机氧主要存在于煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物煤中水分、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和氧化物中等。中等。煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于煤中有机氧随煤化度的加深而减少，甚至趋于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量小于消失。褐煤在干燥无灰基碳含量小于70时，时，其氧含量可高达其氧含量可高达20以上。烟煤碳含量在以上。烟煤碳含量在85附近时，氧含量几乎都小于附近时，氧含量几乎都小于10。当无烟煤碳。当无烟煤碳含量在含量在92以上时，其氧含量都降至以上时，其氧含量都降至5%以下。以下。24氮氮煤中的氮含量比较少，约为煤中的氮含量比较少，约为0.53.0。煤中。煤中有机氮化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的有机氮化物被认为是比较稳定的杂环和复杂的非环结构的化合物。非环结构的化合物。动物脂肪、植物中的植物碱、叶绿素和其他组动物脂肪、植物中的植物碱、叶绿素和其他组织，相当稳定，在煤化过程中不发生变化，成织，相当稳定，在煤化过程中不发生变化，成为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮，为煤中保留的氮化物。以蛋白质形态存在的氮，仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没仅在泥炭和褐煤中发现，在烟煤很少，几乎没有发现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而有发现。煤中氮含量随煤的变质程度的加深而减少。它与氢含量的关系是，随氢含量的增高减少。它与氢含量的关系是，随氢含量的增高而增大。而增大。25硫硫煤中的硫是有害杂质，含硫量与煤化度的煤中的硫是有害杂质，含硫量与煤化度的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的深浅没有明显的关系，无论是变质程度高的煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫。煤或变质程度低的煤，都存在着有机硫。硫硫无机硫无机硫有机硫：有机硫：R-SH、R-S-R、R-S-S-R、杂、杂环硫化物等环硫化物等硫化铁硫：黄铁矿、白铁矿等硫化铁硫：黄铁矿、白铁矿等元素硫元素硫硫酸盐硫：石膏、绿矾等硫酸盐硫：石膏、绿矾等26碳和氢：通过燃烧后分析尾气碳和氢：通过燃烧后分析尾气中中CO2和和H2O的生成量测定的生成量测定氮：在催化剂作用下使煤中的氮氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，滴定转化为氨，碱液吸收，滴定硫：在氧化镁和无水碳酸钠混合硫：在氧化镁和无水碳酸钠混合物上加热，物上加热，SSO42-，滴定，滴定氧：通过计算求得。氧：通过计算求得。各元素的分析方法各元素的分析方法27Oad=100-Cad-Had-Nad-St,ad-Wad-Aad当空气干燥煤样中碳酸盐二氧化碳含量大于当空气干燥煤样中碳酸盐二氧化碳含量大于2%时，时，则：则：Oad=100-Cad-Had-Nad-St,ad-Wad-Aad-（CO2）adOad：空气干燥煤样的氧含量，：空气干燥煤样的氧含量，%；St,ad：空气干燥煤样的全硫含量（：空气干燥煤样的全硫含量（GB214），），%；Wad：空气干燥煤样的水分含量（：空气干燥煤样的水分含量（GB212），），%；Aad：空气干燥煤样的灰分含量（：空气干燥煤样的灰分含量（GB212），），%；(CO2)ad：空气干燥煤样中碳酸盐二氧化碳的含量：空气干燥煤样中碳酸盐二氧化碳的含量（GB218），），%。28S煤的成分表示方法煤的成分表示方法收到基：收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作为以包括全部水分和灰分的燃料作为100的成分，即锅炉燃料的实际成分。的成分，即锅炉燃料的实际成分。式中，式中，ar表示收到基成分。表示收到基成分。Car、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、War分别表示未干燥煤样中分别表示未干燥煤样中碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分的含量。碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分的含量。29空气干燥基：空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为以去掉外部水分的燃料作为100的的成分，即在实验室内进行燃料分析时成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分。的试样成分。式中，式中，ad表示空气干燥基成分。表示空气干燥基成分。Cad、Had、Oad、Nad、Sad、Aad、Wad分别表示空气干分别表示空气干燥煤样中碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水燥煤样中碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分的含量。分的含量。30干燥基：干燥基：以去掉全部水分的燃料作为以去掉全部水分的燃料作为100的的成分。成分。式中，式中，d表示干燥基成分。表示干燥基成分。Cd、Hd、Od、Nd、Sd、Ad分别表示完全干燥煤样中碳、分别表示完全干燥煤样中碳、氢、氧、氮、硫、灰分的含量。氢、氧、氮、硫、灰分的含量。31干燥无灰基：干燥无灰基：以去掉全部水分和灰分的燃料作为以去掉全部水分和灰分的燃料作为100的成分。的成分。式中，式中，daf表示干燥无灰基成分。表示干燥无灰基成分。Cdaf、Hdaf、Odaf、Ndaf、Sdaf分别表示干燥无灰煤分别表示干燥无灰煤样中碳、氢、氧、氮、硫的含量。样中碳、氢、氧、氮、硫的含量。32固体燃料成分及其组成相互关系固体燃料成分及其组成相互关系aradddafAStyCH ONSr WnWw灰分灰分固定碳固定碳挥发分挥发分水分水分固体部分（焦碳）固体部分（焦碳）挥发部分挥发部分33煤种煤种产地产地War/Ad/干燥无灰基元素分析干燥无灰基元素分析Cdaf/%Hdaf/%Odaf/%Ndaf/%Sdaf/%褐煤褐煤内蒙扎贲诺内蒙扎贲诺尔尔35.42 35.42 15.20 15.20 73.00 73.00 4.85 4.85 20.30 20.30 0.89 0.89 0.96 0.96 辽宁平庄辽宁平庄24.00 24.00 28.00 28.00 72.00 72.00 4.90 4.90 20.40 20.40 1.00 1.00 1.70 1.70 云南皂角矿云南皂角矿45.00 45.00 24.91 24.91 70.02 70.02 5.91 5.91 20.94 20.94 1.82 1.82 1.31 1.31 34煤种煤种产地产地War/Ad/干燥无灰基元素分析干燥无灰基元素分析Cdaf/%Hdaf/%Odaf/%Ndaf/%Sdaf/%烟煤烟煤河南观音河南观音堂堂3.00 3.00 26.00 26.00 87.00 87.00 5.50 5.50 5.00 5.00 1.50 1.50 1.00 1.00 安徽淮南安徽淮南6.92 6.92 22.80 22.80 81.40 81.40 5.60 5.60 10.60 10.60 1.43 1.43 0.92 0.92 黑龙江鹤黑龙江鹤岗岗5.50 5.50 24.00 24.00 83.10 83.10 5.70 5.70 10.00 10.00 0.80 0.80 0.40 0.40 广西合山广西合山4.93 4.93 49.20 49.20 77.60 77.60 4.50 4.50 6.90 6.90 1.70 1.70 9.30 9.30 35煤种煤种产地产地War/Ad/干燥无灰基元素分析干燥无灰基元素分析Cdaf/%Hdaf/%Odaf/%Ndaf/%Sdaf/%无烟煤无烟煤山西阳泉山西阳泉5.00 5.00 26.00 26.00 91.70 91.70 3.80 3.80 2.20 2.20 1.30 1.30 1.00 1.00 湖南金竹湖南金竹山山7.50 7.50 24.00 24.00 92.50 92.50 3.60 3.60 2.00 2.00 0.90 0.90 1.00 1.00 北京京西北京京西4.00 4.00 24.00 24.00 94.00 94.00 1.40 1.40 3.70 3.70 0.60 0.60 0.30 0.30 36p其他燃料其他燃料S石油石油原油是天然存在的易流动的液体燃料，比重在原油是天然存在的易流动的液体燃料，比重在0.78-1.00之间。它是多种化合物的混合物，主之间。它是多种化合物的混合物，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。成。原油通过蒸馏、裂化生产出各种汽油、溶剂、原油通过蒸馏、裂化生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。化学产品和燃料油。原油中的硫大部分以有机硫的形式存在，原油原油中的硫大部分以有机硫的形式存在，原油中硫的含量变化范围较大，一般为中硫的含量变化范围较大，一般为0.17。原油中氮的平均含量为原油中氮的平均含量为0.65%。37S天然气天然气天然气是典型的气体燃料，它的组成一天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷般为甲烷85%、乙烷、乙烷10%、丙烷、丙烷3%；含；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外的其他中。天然气还含有碳氢化合物以外的其他组分，如组分，如H2O、CO2、N2、He和和H2S等。等。天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃烧产物为硫的氧化物，因此许多国家规定烧产物为硫的氧化物，因此许多国家规定了天然气中总硫含量和硫化氢含量的最大了天然气中总硫含量和硫化氢含量的最大允许值。允许值。38S非常规燃料非常规燃料城市固体废弃物城市固体废弃物商业和工业固体废弃物商业和工业固体废弃物农产品及农村废物农产品及农村废物污水处理厂废物污水处理厂废物可燃性工业和采矿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天然存在的含碳和含碳氢的资源合成燃料合成燃料39p燃料组成的化学表达式燃料组成的化学表达式CxHyNzSmOnC:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.EXAMPLE40ElementWt%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=0.057ash7.9Thenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057SOLUTION41p燃烧过程及燃烧产物燃烧过程及燃烧产物p燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件p燃料过程中产生的污染物燃料过程中产生的污染物p热化学关系式热化学关系式2.2燃料的燃烧过程燃料的燃烧过程42p燃烧过程及燃烧产物燃烧过程及燃烧产物燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量（光和热）的释放，同时使并伴随着能量（光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化成为相应的氧化物。燃料的组成元素转化成为相应的氧化物。完全燃烧：完全燃烧：CO2、H2O不完全燃烧：不完全燃烧：CO2、H2O&CO、黑烟及、黑烟及其他部分氧化产物其他部分氧化产物如果燃料中含有如果燃料中含有S和和N，则会生成，则会生成SO2和和NO空气中的部分空气中的部分N可能被氧化成可能被氧化成NO热力热力型型NOx43p燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件空气条件：提供充足的空气；但是空气空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损量过大，会降低炉温，增加热损温度条件：达到燃料的着火温度温度条件：达到燃料的着火温度时间条件：燃料在高温区停留时间应超时间条件：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件：燃料与氧充分燃料与空气的混合条件：燃料与氧充分混合混合44典型燃料的着火温度典型燃料的着火温度45Tooleantoburn燃烧火焰温度与燃料混合燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以比的关系（以CH4为例）为例）46典型锅炉热损典型锅炉热损失与过剩空气失与过剩空气量的关系量的关系Theexhaustgastemperature47燃气比和混合程度对燃烧产物的影响燃气比和混合程度对燃烧产物的影响48p燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物燃烧可能释放的污染物：燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CxHy、烟、烟、飞灰、金属及其氧化物等飞灰、金属及其氧化物等温度对燃烧产物的绝对量和相对量都温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响有影响燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响影响49燃烧产物与温度的关系燃烧产物与温度的关系50燃料种类对燃烧产物的影响（以燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）电站为例）51典型固态燃料的燃烧产物典型固态燃料的燃烧产物52典型液态燃料的燃烧产物典型液态燃料的燃烧产物53典型气态燃料的燃烧产物典型气态燃料的燃烧产物54p热化学关系式热化学关系式S发热量：发热量：单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，单位燃料完全燃烧时，所放出的热量，即在反应物开始状态和反应产物终了状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（态相同下的热量变化（kJ/kgorkcal/kg）。）。高位发热量：包括燃料生成物中水蒸气高位发热量：包括燃料生成物中水蒸气的汽化潜热。的汽化潜热。低位发热量：燃烧产物中的水蒸气仍以低位发热量：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气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量。量。55qL：低位发热量；：低位发热量；qH：高位发热量；：高位发热量；WH：燃料中氢的质量百分数；：燃料中氢的质量百分数；WW：燃料中水分的质量百分数。：燃料中水分的质量百分数。56S燃烧设备的热损失：燃烧设备的热损失：排烟热损失排烟热损失不完全燃烧热损失不完全燃烧热损失散热损失散热损失S在充分混合的条件下，热损失在理论在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低。空气量条件下最低。S不充分混合时，热损失最小值出现在不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。空气过剩一侧。57燃料热损失与空燃比的关系燃料热损失与空燃比的关系58p燃料燃烧的空气量计算燃料燃烧的空气量计算p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2.3与燃烧相关的计算与燃烧相关的计算59p燃料燃烧的空气量计算燃料燃烧的空气量计算S理论空气量理论空气量Va0燃料燃烧所需要的氧气，一般是从空燃料燃烧所需要的氧气，一般是从空气中获得的；单位量燃料按燃烧反应气中获得的；单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量，由燃料的组成决定，可理论空气量，由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。根据燃烧方程式计算求得。60建立燃烧化学方程式时，通常假设：建立燃烧化学方程式时，通常假设：（1）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为为79.1:20.9=3.78；（2）燃料中的固态氧可用于燃烧；）燃料中的固态氧可用于燃烧；（3）燃料中的硫主要被氧化为）燃料中的硫主要被氧化为SO2；（4）热力型）热力型NOx的生成量较小，在计算理的生成量较小，在计算理论空气量时可以忽略；论空气量时可以忽略；（5）燃料中的氮在燃烧时转化为）燃料中的氮在燃烧时转化为N2和和NO，一般以一般以N2为主；为主；61于是，理论空气量于是，理论空气量 (单位质量燃料需要空气的单位质量燃料需要空气的标准体积，标准体积，m m3 3/kg)/kg)一般煤的理论空气量一般煤的理论空气量Va049m3/kg，液体燃料的，液体燃料的Va0=10-11m3/kg62计算环己烷计算环己烷(C6H12)燃烧时的理燃烧时的理论空气量，并确定燃烧产物气体论空气量，并确定燃烧产物气体的组成（以百分数表示）。的组成（以百分数表示）。Example63假定煤的化学组成以质量计为：假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%，N:1.2，S:2.6%，O:5.9%，灰分，灰分:7.9%。试计算这种煤。试计算这种煤燃烧时的理论空气量，并确定燃烧产物燃烧时的理论空气量，并确定燃烧产物气体的组成（以百分数表示）气体的组成（以百分数表示）。Example64S空气过剩系数空气过剩系数实际的燃烧装置中，实际的燃烧装置中，“三三T”条件不可能达条件不可能达到理想化的程度，为使燃料完全燃烧，必到理想化的程度，为使燃料完全燃烧，必须供给过量的空气。一般把超过理论空气须供给过量的空气。一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量实际空气量Va与理论空气量与理论空气量Va0之比定义为之比定义为空气过剩系数空气过剩系数，即，即通常通常1，值的大小取决于燃料种类、燃烧装值的大小取决于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素。置形式及燃烧条件等因素。65S空燃比空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，可以由燃烧方程式直接求得。可以由燃烧方程式直接求得。求甲烷燃烧的空燃比。求甲烷燃烧的空燃比。Example66S烟气体积烟气体积理论烟气量理论烟气量Vfg0在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积，以体积称为理论烟气体积，以Vfg0表示。烟气成分表示。烟气成分主要是主要是CO2、SO2、N2和水蒸气，通常分为干烟和水蒸气，通常分为干烟气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽）。气（不含水蒸汽）和湿烟气（含水蒸汽）。理论烟气量干烟气量水蒸气体积理论烟气量干烟气量水蒸气体积理论水蒸气体积燃料中氢燃烧后生成的水蒸理论水蒸气体积燃料中氢燃烧后生成的水蒸气体积燃料中所含的水蒸气体积由供给的气体积燃料中所含的水蒸气体积由供给的理论空气量带入的水蒸气体积理论空气量带入的水蒸气体积p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67求求C2H6在理想条件下完全燃烧时烟气中在理想条件下完全燃烧时烟气中水蒸气的含量。水蒸气的含量。Example68烟气体积和烟气密度校正烟气体积和烟气密度校正燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于燃烧装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准状态（标准状态（273K、1atm），烟气体积和密度），烟气体积和密度往往需要换算成为标准状态。假设烟气体积往往需要换算成为标准状态。假设烟气体积和密度可应用理想气体状态方程换算。于是，和密度可应用理想气体状态方程换算。于是，对于温度对于温度Ts、压力、压力Ps的烟气，其体积的烟气，其体积Vs、密、密度度s，在标准状态下（温度，在标准状态下（温度Tn、压力、压力Pn）烟）烟气的体积为气的体积为Vn，密度为，密度为n，则标准状态下的烟气体积：则标准状态下的烟气体积：69美国、日本和国际全球监测系统网的美国、日本和国际全球监测系统网的标准是标准是298K和和1atm，在作数据比较，在作数据比较或校对时需要注意。或校对时需要注意。标准状态下烟气的密度：标准状态下烟气的密度：70实际烟气体积实际烟气体积Vfg实际燃烧过程是有过剩空气的，因此燃烧过程中实际实际燃烧过程是有过剩空气的，因此燃烧过程中实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气体积之和。烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气体积之和。若空气不过剩，则烟气中仅含有若空气不过剩，则烟气中仅含有CO2和和N2C+O2+3.78N2CO2+3.78N2若空气过剩，则燃烧方程式变为：若空气过剩，则燃烧方程式变为：C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2CO2+aO2+（1+a）3.78N2a是过剩空气中是过剩空气中O2的过剩摩尔数的过剩摩尔数则过剩空气系数则过剩空气系数为：为：71如果完全燃烧，燃烧产物以下标如果完全燃烧，燃烧产物以下标p表示表示:C+（1+a）O2+（1+a）3.78N2CO2p+O2p+N2p其中，其中，O2paO2,过剩氧气量；过剩氧气量；N2p为总氮量为总氮量假定空气的体积组成为假定空气的体积组成为20.9O2和和79.1N2，则实际空气中的总氧量为：则实际空气中的总氧量为：72理论需氧量为：理论需氧量为：0.264N2p-O2p，则空气，则空气过剩系数为：过剩系数为：假定燃烧过程中产生假定燃烧过程中产生CO，则空气过剩系，则空气过剩系数校正为：数校正为：考虑过剩空气校正后，实际烟气体积为：考虑过剩空气校正后，实际烟气体积为：73Example奥萨特仪分析烟气，结果为：奥萨特仪分析烟气，结果为：CO2(10）、）、CO（1）、）、O2（4），求），求空气过剩系数。空气过剩系数。74S污染物排放量污染物排放量方法：方法：根据实测的污染物浓度和排烟量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和燃烧状况预测烟气量和污染物浓度75已知某电厂烟气温度为已知某电厂烟气温度为473K，压力等于，压力等于96.93kPa，湿烟气量，湿烟气量Q=10400m3/min，含，含水汽水汽6.25（体积），奥萨特仪分析结果（体积），奥萨特仪分析结果是：是：CO210.7，O28.2，不含，不含CO。污染物排放的质量流量是污染物排放的质量流量是22.7kg/min。求。求（1）污染物排放的质量速率（以）污染物排放的质量速率（以t/d表示）表示）；（；（2）污染物在干烟气中的浓度以）污染物在干烟气中的浓度以（mg/m3N表示）；（表示）；（3）燃烧时的空气过）燃烧时的空气过剩系数剩系数。Example76Solution（1）污染物排放的质量流量为：）污染物排放的质量流量为：（2）测定条件下的干空气量为：）测定条件下的干空气量为：测定状态下干烟气中污染物的浓度：测定状态下干烟气中污染物的浓度：标态下的浓度：标态下的浓度：77（3）空气过剩系数为：）空气过剩系数为：78某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）：结果如下（按质量）：C88.3，H9.5，S1.6，H2O0.05，灰分，灰分0.10%。试确定：。试确定：（1）燃烧）燃烧1kg重油所需要的理论空气量；重油所需要的理论空气量；（2）若燃料中硫全部转化为）若燃料中硫全部转化为SOx（其中（其中SO2占占97），试计算空气过剩系数为），试计算空气过剩系数为1.20时湿时湿烟气中烟气中SO2及及SO3的浓度，以的浓度，以10-6表示，并计表示，并计算此时干烟气中算此时干烟气中CO2的含量，以体积百分比的含量，以体积百分比表示。表示。Example79以以1kg重油燃烧为基础，则重油燃烧为基础，则重量（重量（g)摩尔数（摩尔数（mol)需氧量（需氧量（mol)C88373.5873.58H959523.75S160.50.5H2O0.50.0278/灰分灰分1.0/Solution80理论需氧量为理论需氧量为73.5823.750.597.83mol/kg重油重油干空气中氮和氧的摩尔比干空气中氮和氧的摩尔比(体积比体积比)为为3.78，则理论空气量为，则理论空气量为97.83（3.781）467.63mol/kg重油重油即即467.6322.4/1000=10.47m3N/kg重油重油理论空气量条件下烟气组成为理论空气量条件下烟气组成为(mol)为为CO2:73.58，H2O：47.50.0278，SOx:0.5，N2:97.833.78理论烟气量为：理论烟气量为：73.58(47.50.0278)0.597.833.78491.4mol/kg重油重油即即491.422.4/100011.01m3N/kg重油重油空气过剩系数空气过剩系数 1.2，实际烟气量为，实际烟气量为11.0110.47(1.2-1)13.10m3N/kg重油重油81烟气中烟气中SO2的体积为：的体积为：0.50.9722.4/1000=0.0109m3N/kg重油重油SO3的体积为：的体积为：0.50.0322.4/10003.3610-4m3N/kg重油重油所以，烟气中所以，烟气中SO2及及SO3的浓度分别为：的浓度分别为：SO2：0.0109/13.1083210-6SO3：3.3610-4/13.1025.7510-6当当 1.2时，干烟气量为：时，干烟气量为：491.4-(47.5+0.0278)22.4/1000+10.470.212.04m3NCO2的体积为：的体积为：73.5822.4/1000=1.648m3N/kg重油重油所以干烟气中所以干烟气中CO2的含量以体积百分比表示为：的含量以体积百分比表示为：1.648/12.0410013.6982p硫的氧化机理硫的氧化机理pSO2和和SO3之间的转化之间的转化2.4燃烧过程中硫氧化物的形成燃烧过程中硫氧化物的形成83p硫的氧化机理硫的氧化机理有机硫的分解温度较低有机硫的分解温度较低无机硫的分解速度较慢无机硫的分解速度较慢含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，原含硫燃料燃烧的特征是火焰呈蓝色，原因是：因是：在所有的情况下，它都作为一种重要的在所有的情况下，它都作为一种重要的反应中间体反应中间体84H2S的氧化的氧化85CS2和和COS的氧化的氧化86元素元素S的氧化的氧化87有机硫化物的氧化有机硫化物的氧化88pSO2和和SO3之间的转化之间的转化反应方程式反应方程式SO2+O+MSO3+M（1）SO3+OSO2+O2（2）SO3+HSO2+OH（3）SO3+MSO2+O+M（4）在炽热反应区在炽热反应区，O浓度很高，反应（浓度很高，反应（1）和）和（2）起支配作用）起支配作用89SO3生成速率生成速率当当dSO3/dt=0时，时，SO3浓度达到最大浓度达到最大在富燃料条件下，在富燃料条件下，O浓度低得多，浓度低得多，SO3的去除反应主要为反应（的去除反应主要为反应（3），），SO3的的最大浓度：最大浓度：90燃烧后烟气中的水蒸气可能与燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成结合生成H2SO4，转化率，转化率:转化率与温度密切相关转化率与温度密切相关H2SO4浓度越高，酸露点越高浓度越高，酸露点越高烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀的腐蚀9192p碳粒子的形成碳粒子的形成p燃煤烟尘的形成燃煤烟尘的形成2.5燃烧过程中颗粒物的形成燃烧过程中颗粒物的形成93积炭的生成：积炭的生成：核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳体碳核表面上发生非均质反应核表面上发生非均质反应较为缓慢的凝团和凝聚过程较为缓慢的凝团和凝聚过程燃料的分子结构是影响积炭的主导因素燃料的分子结构是影响积炭的主导因素积炭的生成与火焰的结构有关积炭的生成与火焰的结构有关提高氧气量可以防止积炭生成提高氧气量可以防止积炭生成压力越低则积炭的生成趋势越小压力越低则积炭的生成趋势越小p碳粒子的形成碳粒子的形成94火焰的结构火焰的结构预混火焰：气体燃料和空气在燃烧预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合前充分混合扩散火焰：燃料和空气分别进入燃扩散火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多）应用最多）扩散火焰比预混火焰