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1、第二章 大氣污染控制基礎(chǔ) 本章要點(diǎn) 燃燒反應(yīng)物 燃料的分類和性質(zhì) 完全燃燒與不完全燃燒過程 燃燒反應(yīng)產(chǎn)物 污染物的生成機(jī)理、計(jì) 算煙氣排放量、計(jì)算污染物排放量 一、燃燒與大氣污染 燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理 活化分子碰撞理論 鏈瑣反應(yīng)理論 燃燒基本理論 著火理論 自燃著火理論 點(diǎn)燃著火理論 有關(guān)燃燒的基本概念 （ 1）燃燒 燃燒是指一種物質(zhì)起劇烈的氧化反 應(yīng)，同時(shí)發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象。 （ 2）燃料 用以產(chǎn)生熱量或動(dòng)力的可燃性物質(zhì)， 如煤、焦炭、木柴等。 （ 3）理論空氣量、實(shí)際空氣量與空氣過剩系數(shù)。 理論空氣

2、量： 按照燃料中各可燃質(zhì)氧化反應(yīng)方程來計(jì)算燃料燃 燒過程所需的空氣量，用 V0表示 實(shí)際空氣量： 實(shí)際供給的空氣量稱為實(shí)際空氣量。實(shí)際空氣量 用 Vk表示。 空氣過剩系數(shù)： 0/ VV k 1.機(jī)理 活化分子碰撞理論 反應(yīng)物 活化分子 生成物 +放熱 分子能量 活 化能 原子間振動(dòng)大 原子間聯(lián)系小 新產(chǎn)物 鏈鎖反應(yīng)理論 活化分子碰撞理論在闡述溫度對反應(yīng)速度的影響時(shí)，能夠正確地反應(yīng)客觀規(guī)律。但是，不一定能解釋燃燒反應(yīng)過程中的某些 現(xiàn)象。如干燥的 CO和 O2混合氣體，即使在 700 高溫下也幾乎

3、不 會發(fā)生反應(yīng)；若在其中加入微量的水蒸汽，就能大大加速這一 反應(yīng)，甚至著火燃燒。其反應(yīng)式仍為 2CO+O2 2CO 2 ，這就不 能用有效碰撞理論來解釋了，需要有新的理論來解釋，如鏈鎖 反應(yīng)理論。 鏈鎖反應(yīng)理論認(rèn)為有很多化學(xué)反應(yīng)需要經(jīng)過若干中間基元反應(yīng) 才能完成。在這些中間反應(yīng)中會產(chǎn)生一些活性很高的活性產(chǎn)物 （活性中心），再由這些活性中心與原始反應(yīng)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)， 這時(shí)除產(chǎn)生最終生成物外會再生出若干活性中心，使得化學(xué)反 應(yīng)得以繼續(xù)。 活性中心是一些很不穩(wěn)定的自由原子、自由基，它們與原始反 應(yīng)物反應(yīng)時(shí)的活化能很低，能大大提高化學(xué)反應(yīng)速率。 鏈鎖反應(yīng)有不分支鏈鎖反應(yīng)與分支鏈鎖反應(yīng)兩大

4、類。 222 C O O 2 C O 均相燃燒過程中的鏈鎖反應(yīng) 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 總反應(yīng) : 2.著火理論 自燃 自燃 點(diǎn)燃： 依靠外熱能量強(qiáng)化局部可燃混合氣化 學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)速率急劇升高而達(dá)到爆炸式反 應(yīng)，并向周圍未燃的可燃混合氣傳播的現(xiàn)象。 熱自燃 ： 鏈鎖自燃 自身化學(xué)反應(yīng) ： 活性中心迅速繁殖 氣體燃料的燃燒 褶皺層流火焰的表面燃燒理論 微擴(kuò)散的容積燃燒理論 液體燃料的燃燒 （乳化油） 微爆理論 水

5、煤氣反應(yīng)理論 固體燃料的燃燒 層燃式燃燒 流化床燃燒 懸浮式燃燒 油滴的燃燒 油霧的燃燒 乳化油的燃燒 3. 燃 料 與 燃 燒 方 式 （紊流火焰） 紊流燃燒 擴(kuò)散燃燒 氣體燃料的燃燒 褶皺層流火焰的表面燃燒理論 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 微擴(kuò)散的容積燃燒理論 紊流火焰的傳播速度增大不是由于火焰 前鋒面面積的增加，而是由于紊流中熱傳遞和 質(zhì)量（即活化

6、中心）擴(kuò)散等紊流遷移性質(zhì)的加 強(qiáng)，加速了火焰中的化學(xué)反應(yīng)、加大了燃燒區(qū) 的寬度。 液體燃料的燃燒 a.油滴的燃燒 油滴蒸發(fā) 油滴熱解和裂化 著火燃燒 添圖 b.油霧的燃燒 c.乳化油的燃燒 燃料油乳化之后燃燒，既節(jié)約了燃 料，又強(qiáng)化了燃燒過程，是一種較 常用的燃燒方法。一般采用機(jī)械法、 氣動(dòng)法或超聲波法使水分散在油中， 形成油包水型乳化液。有兩種理論 對乳化油燃燒過程做出較好的解釋。 微爆理論 水煤氣反應(yīng)理論 固體燃料的燃燒 a. 煤的燃燒階段特征 揮發(fā)分燃燒階段 焦炭燃燒階段 燃燼階段 b. 燃燒

7、方式 層燃式燃燒 流化床燃燒 懸浮式燃燒 、 煤的有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu) 圖 2-5 揮發(fā)分燃燒階段 焦炭燃燒階段 燃燼階段 層燃式燃燒主要的優(yōu)點(diǎn)是： 能獲得最大的熱密度 可以較大地增加鼓風(fēng) 燃燒過程穩(wěn)定 流化床燃燒示意圖 流化床的料層溫度一般控制在 850 1050 ， 流化層的高度為 1.0 1.5m. 優(yōu)點(diǎn) : 很快升溫并著火燃燒 熱負(fù)荷大 ,溫度分布比較均勻 可實(shí)現(xiàn)低溫燃燒 工況不穩(wěn)定時(shí)不完全燃燒 煤氣質(zhì)量低 缺點(diǎn)： 懸浮式燃燒 懸浮式燃燒 直流燃燒 渦流燃燒：燃燒強(qiáng)度大 優(yōu)點(diǎn)

8、 ： 容易調(diào)節(jié)爐溫 ， 改善勞動(dòng)條件 缺點(diǎn) ： 大量的飛灰 直流燃燒 /火炬式 渦流燃燒 /旋風(fēng)式 直流燃燒與層燃式相比，最大優(yōu)點(diǎn) 是可以大量使用劣質(zhì)煤和煤屑，甚 至還可以摻用一部分無煙煤和焦炭 屑。用層燃式燃燒發(fā)熱量較低和灰 分含量較高的劣質(zhì)煤時(shí)，爐溫只能 達(dá)到 1100 ，改用直流燃燒法時(shí)， 爐溫可達(dá)到 1300 。 影響燃燒過程的因素： （ 1） 燃料種類和性質(zhì)。包括燃料中 所含的水分、揮發(fā)物灰量及其可熔性 燃料的發(fā)熱量，燃料的粘結(jié)性和熱穩(wěn)定 性 （ 2）化學(xué)反應(yīng)速度和氧氣向燃料表面 的擴(kuò)散速度。 燃燒與大氣污染物 煙塵：是指煤等固體燃料在燃燒過

9、程中由 煙囪排出的煙氣中所含的煙、煙黑、灰分、 粒狀浮游物質(zhì)的混合物 硫氧化物：包括，有機(jī)硫和無機(jī)硫（如黃 鐵礦、硫酸鹽類等） 氮氧化物：燃燒過程中的 NOx主要來源于空 氣和燃料中含有的氮 碳氧化物：主要來自燃料燃燒和機(jī)動(dòng)車排 氣。 二 .燃燒過程與污染控制 CO與 CO2的生成與控制 煙塵的生成與控制 硫氧化物的生成與控制 NOX生成與控制 碳?xì)浠衔锏纳膳c控制 （ 1） CO與 CO2的生成與控制 CO與 CO2的生成 (最基本的反應(yīng) ) C O2 CO2 Q 2C O2 2CO Q C CO2 2C

10、O Q 2CO O2 2CO2 Q CO的控制方法 充分的氧氣，停留時(shí)間足夠 水蒸氣含量較多時(shí)： C 2H2OCO H2 C 2H2O CO 2 2H2 3C 4H2O 4H 2 CO 2CO2 C 2H2 CH4 在固體表面的催化下， H2O容易與 CO、 CO2發(fā)生反應(yīng)： 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）煙塵的生成與控制 生成原因：不完全燃燒 氣體燃料 碳黑 液體燃料 積碳 +碳粒 煤

11、 黑煙（主要含有苯、芘、蒽、苯并芘等） 碳煙的生成 煙塵的控制 改進(jìn)燃燒過程 控制 特殊燃燒方法 煙塵再燃燒法 加入添加劑燃燒法 煤中的含硫量一般為 0.5%5%，以有機(jī)硫和黃鐵 礦硫形式存在的硫在燃燒過程中全部參加反應(yīng)， 氧化為 SO2；而硫酸鹽硫則不參與燃燒，一部分 留在底灰中，另一部分以飛灰形式排出。 液體燃料的硫種類很多，以有機(jī)化合物的形式存 在于燃料中，也有游離硫、硫化氫等形式。原油 的含硫量因產(chǎn)地而異，一般為 0.5%2%，重油的 含硫量較高，一般為原油含硫量的 1.5倍。 氣體燃料中

12、硫以氣態(tài)硫化氫的形式存在，天然氣 中含硫量一般小于 1%。 （ 3）硫氧化物的生成與控制 SO2的生成 S O2SO 2 Q 含硫量和 SO2的生成量的關(guān)系 原因：部 分 SO2轉(zhuǎn)化 為 SO3 SO2生成量還可按理論計(jì)算式獲得： 10 0 22SO BSG 式中 GSO2 指由所計(jì)算的燃燒裝置排出的 SO2質(zhì) 量， kg/h； S 所用燃料含硫量，重量 %； B 單位時(shí)間消耗的燃料量， kg/h。 對流受熱面上的積灰和氧化 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

13、 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參與反應(yīng) 平衡值 V2O5 Fe2O3 SO3的危害 ：鍋爐尾部受熱面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象 影響 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； 空氣過剩系數(shù)越大， SO3的生成量越多； 火焰中心溫度越高，生成的 SO3也越多； 煙氣停留時(shí)間越長， SO3生成量就越多。 硫酸的生成 控制硫氧化物的生成的燃燒技術(shù) 低氧燃燒 流化床燃燒脫硫 3 2 2 4S O H O H S O （ 4）

14、NOx 據(jù)燃燒原因： NOX 熱機(jī)理型 NOx 瞬時(shí)機(jī)理型 NOx 燃料型 NOx NNOON 2 ONOON 2 %)N67.6N5.9N58.41(100 32 生成量相對少得多 在鍋爐的燃燒溫度下， NO生成反應(yīng)尚未達(dá) 到化學(xué)平衡， NO的生成量將隨著煙氣在高 溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間的延長而增大。 氧氣的濃度越高， NO的生 成量相應(yīng)越高。 控制 NOx生成的燃燒技術(shù) 控制技術(shù) 低氧燃燒法 煙氣再循環(huán)燃燒 噴水法 低 NOx的燃燒器 其它 二級燃燒 降低熱風(fēng)溫度 降低燃燒室的熱強(qiáng)度 增加爐膛的水冷程度 好的燃燒設(shè)備 乳化油燃燒技術(shù)

15、 低 NOx的燃燒器 （ 5）碳?xì)浠衔锏纳膳c控制 碳?xì)浠衔锏纳? RH+O2R +HO2 R+O2 RO 2 RO2 +RH ROOH+ R 影響因素 空燃比 空燃比應(yīng)為 1415 點(diǎn)火時(shí)間 推遲點(diǎn)火時(shí)間，可 使 C mHn的濃度 下降。但在汽車減速時(shí)推遲點(diǎn)火，使斷 火的可能性增大， C mHn的濃度反而會增 高。 其他影響因素，包括： 殘余氣體； 冷卻水的溫度； 汽車運(yùn)行情況 。 三 .大氣污染控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算 物料衡算 煤 液體燃料與氣體燃料

16、 燃燒所需空氣量的計(jì)算 燃燒產(chǎn)生煙氣量的計(jì)算 煙氣中 CO含量的計(jì)算 SO2的排放濃度與脫硫效率的計(jì)算 三 .大氣污染控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算 1.物料衡算 F- D=A 其中， F為進(jìn)料量， D為出料量， A為積累量 連續(xù)燃燒過程， A=0， 上式演變 為 F= D 2.煤 碳（ C）：一般占煤成分的 20%70% 氫 （ H）： 3%5% ， 以化合態(tài)形式存在 氧（ O） ： 無煙煤： 1%2%，泥炭中 含量可達(dá) 40%。 硫（ S）： 分為可燃硫（ Sr）和不可燃燒硫 （ Sly）。 氮（

17、N）： 0.5%2.5%。 灰份 （ A）： 不可燃燒雜質(zhì) 水分（ W）： 外在水分 （ Ww）和內(nèi)在水分 3.液體燃料與氣體燃料 原油是優(yōu)良的液體燃料，但很少用作鍋 爐燃料。原油在常壓和一定溫度下分餾， 分離出汽油、煤油和柴油等輕質(zhì)油類， 剩下的殘留物就是重油或渣油。重油再 經(jīng)過減壓蒸餾，分離出重柴油和蠟油， 殘余物為減壓重油。工業(yè)鍋爐與電廠鍋 爐所使用的液體燃料，通常是重油或減 壓重油。 4.燃燒所需空氣量的計(jì)算 碳燃燒時(shí)所需氧氣量 C+O2 CO 2 若燃料中含碳量為 Cy kg/kg， 則 1kg燃料中碳 燃燒所需的氧氣量為 22.4/12

18、Cy=1.886 Cy 氫燃燒時(shí)所需氧氣量 2H2+O2 2H 2O 若燃料中含氫量為 Hy kg/kg， 則 1kg燃料中氫燃燒 所需的氧氣量為 22.4/(4x1.008)Hy=5.55 Hy 硫燃燒時(shí)所需氧氣量 S+O2 SO 2 若燃料中含碳量為 Sy kg/kg， 則 1kg燃料中硫燃 燒 所需的氧氣量為 22.4/32Sy=0.7 Sy 燃料中氧的當(dāng)量 若燃料中含氧量為 Oy kg/kg， 則 1kg燃料中氧的 當(dāng)量為：

19、 22.4/32Oy=0.7 Oy 因此 ， 燃燒 1kg燃料所需的氧氣量即為上述四項(xiàng)之和： 1.886 Cy+ 5.55 Hy+ 0.7 Sy- 0.7 Oy 燃燒 1kg燃料所需的空氣量 V0（ 單位為 m3/kg） 為： V0=8.89 Cy+3.33 Sy+26.5 Hy-3.33Oy 若以質(zhì)量來表示 ， 則理論空氣量為： L0=1.293V0 空氣的密度 （ 2）燃燒產(chǎn)生煙氣量的計(jì)算 理論煙氣量的計(jì)算 理論煙氣量（ Vyo） 由 Vco2、 Vso2與理論水 蒸氣量 VH2O0以及

20、理論空氣量中的氮?dú)饬?VN20所 組成。 a.燃料含碳率為 Cykg/kg， ， 1kg燃料完全 燃燒產(chǎn)生的 CO2為： 22.4 /12Cy=1.886 Cy b.燃料含硫率為 Sykg/kg， 1kg燃料完全燃 燒產(chǎn)生的 SO2為： 22.4/32Sy=0.7 Sy VRO2=Vco2+Vso2= 1.886( Cy+0.375 Sy) 理論氮?dú)饬?VN20 理論氮?dú)饬坑袃蓚€(gè)來源：燃料中的的氮與空氣中的 氮 。 理論 VN20=0.8Ny+0.79V0 理論水蒸氣量 VH2O

21、0 理論水蒸氣量有四個(gè)來源 :燃料的水分 Wy 、 燃 料 中氫燃燒產(chǎn)生 Hy 、 理論空氣帶入 V0 和采用蒸汽 霧化重油燃燒時(shí) ， 隨同重油噴入的水蒸氣 Gwh。 理論蒸汽量 VH2O0 =1.24 Wy +1.11 Hy +0.0161V0+1.24Gwh 實(shí)際煙氣量的計(jì)算 計(jì)算關(guān)系見 P81圖 2-27 不完全燃燒時(shí)干煙氣量的計(jì)算： Vgy=1.866(Cy+0.375Sy)/(RO2 +CO) 見 P82表 2-7， 2-8 (3)煙氣中 CO含量的計(jì)算 不完全燃燒方程： CO=(0.21 O2（ 1+） RO2)/

22、(0.605+ ) 其中， =2.35(Hy (Oy/8)+0.038Ny)/(Cy+0.375 Sy) 為燃燒特性系數(shù)， (4)SO2的排放濃度與脫硫效率的計(jì)算 煤粉爐煙氣中 SO2的排放系數(shù) 如果燃煤鍋爐的 SO2允許排放濃度為 CSO2*， 則可以計(jì)算 滿足環(huán)境保護(hù)要求所需達(dá)到的脫硫效率 63 34 .5 0. 99 jA （ ） 22 2 2 * S O S O SO SO 100% CC C 例題 2燃煤的折算含硫量 0.75g/MJ，排放 系數(shù) =85.8%，求不脫硫時(shí)煙氣中 SO2濃度， 及不同排放要求時(shí)所必須達(dá)到的脫硫率。 解：利用圖 2-29，可以查出在不采用脫硫措 施時(shí)排煙中原始 SO2濃度為 3500mg/Nm3；如果 SO2的 =600mg/Nm3，則要求為 80%；如果為 400mg/Nm3，則要求達(dá)到 90%。 當(dāng)然，也可以按式 2-108計(jì)算脫硫率。 作業(yè)（二選一） 1.論述能源的合理使用、先進(jìn)技術(shù)的采用 與可持續(xù)發(fā)展。 2.可再生能源相關(guān)議題！