王书肖_大气污染控制工程PPT_第二章.pptx
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,第二章燃烧与大气污染,2-1燃料的性质与分类,主要污染物源自燃烧过程,燃烧过程会产生大量污染物,汽车尾气油的燃烧,工业锅炉煤的燃烧,秸秆燃烧民用生物质燃烧,燃烧是PM2.5的主要来源,2014年,全国大部分PM2.5来源与燃烧过程有关,防治大气污染,必须首先了解燃料及其燃烧过程,本章主要内容,2.1燃料的性质与分类,2.2燃烧过程中硫氧化物的生成,2.3燃烧过程中氮氧化物的生成,2.4燃烧过程中颗粒物的生成,2.5燃烧过程计算,一、燃料的分类,1、常规燃料,按获得方法分,按物态分,固体燃料,液体燃料,气体燃料,天然燃料,人工燃料,木柴、煤、油页岩,石油,天然气,木炭、焦炭、煤粉等,汽油、煤油、柴油、重油,高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气,一、燃料的分类,2、非常规燃料,v城市固体废弃物v商业和工业固体废弃物v农产物和农业废物v水生植物和水生废物v污泥处理厂废物v可燃性工业和采矿废物v天然存在的含碳和含碳氢的资源v合成燃料,二、燃料的化学组成,燃料组成,碳,氢,氧,氮,硫,其他,二、燃料的化学组成,碳,燃料中的主要可燃元素。
1kg纯碳,7850kcal热量+3.67kgCO2气体,1kg纯碳,1kg纯碳,完全燃烧,2214kcal热量+2.33kgCO气体,不完全燃烧,氢,燃料中发热量最高的元素。
固体燃料中氢的含量为2-10%,以碳氢化合物的形式存在。
1kg氢,28780kcal热量+9kg水,完全燃烧,氧,降低发热量。
二、燃料的化学组成,氮,燃料中含氮量很少,一般为0.5-1.5%。
硫,有机硫,无机硫,硫化铁硫,硫酸盐硫,燃烧产物为SO2和SO3,其中SO2占95%以上。
水分,表面水分,吸附水分,水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。
灰分,是燃料中不可燃矿物质,是主要的有害成分,容易以飞灰的形式释放到大气中。
三、煤的性质,1、煤的基本分类,v褐煤:
最低品位的煤,形成年代最短,热值较低,v烟煤:
形成年代较褐煤长,碳含量75-90。
成焦性较强,适宜工业一般应用,v无烟煤:
煤化时间最长,含碳量最高(高于93),成焦性差,发热量大,三、煤的性质,2、煤的成分,v工业分析(proximateanalysis)测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。
估测硫含量和热值,是评价工业用煤的主要指标。
v元素分析(ultimateanalysis)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。
三、煤的性质,3、煤的成分的表示方法,v收到基:
锅炉炉前使用的燃料,包括全部灰分和水分,v空气干燥基:
以去掉外部水分的燃料作为100%的成分,即在实验室内进行燃料分析时的试样成分,三、煤的性质,3、煤的成分的表示方法,v干燥基:
以去掉全部水分的燃料作为100%的成分,干燥基更能反映出灰分的多少,v干燥无灰基:
以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分,三、煤的性质,3、煤的成分的表示方法,四、石油的组成与性质,链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物二氧化硫主要含碳和氢,还有少量硫、氮和氧原油中还含有微量金属,如钒、镍、氯、砷、铅等。
氢含量增加时,比重减少,发热量增加,液体燃料的主要来源,四、天然气的组成与性质,典型的气体燃料一般组成为甲烷85、乙烷10、丙烷3单位热量产生的CO2最少,且无灰分,是最清洁的化石燃料天然气中还含有H2O、CO2、N2、He、H2S等。
第二章燃烧与大气污染,2-2燃料燃烧过程和烟气量计算,一、燃烧过程及燃烧产物,燃烧过程及产物,完全燃烧:
CO2、H2O不完全燃烧:
除CO2、H2O外,还有CO、黑烟及其他部分氧化产物如果燃料中含有S和N,则会生成SO2和NO部分空气中的N2也会被氧化成NO热力型NOx,一、燃烧过程及燃烧产物,燃烧可能释放的污染物,CO、SOx、NOx、HC、烟、飞灰、金属及其氧化物等影响燃烧产物的因素,温度燃烧种类燃烧方式,一、燃烧过程及燃烧产物,燃烧产物与温度关系图,一、燃烧过程及燃烧产物,燃料燃烧的理论空气量单位量按燃烧反应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,可根据燃烧方程式计算求得。
空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量例如:
汽油(C8H18)在理论空气量下的完全燃烧:
AF=15.03,空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比。
以表示,通常1,一、燃烧过程及燃烧产物,空气条件对燃烧的影响,二、燃烧过程计算,燃料完全燃烧的条件,空气条件:
提供充足的空气;但是空气量过大,会降低炉温,增加热损失温度条件(Temperature):
达到燃料的着火温度时间条件(Time):
燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件(Turbulence):
燃料与氧充分混合,二、燃烧过程计算,建立燃烧方程式的假定,空气组成:
20.9%O2和79.1%N2,两者体积比为:
N2/O2=3.78燃料中固定氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为SO2不考虑NOX的生成燃料中的N在燃烧时转化为N2燃料的化学式为CxHyOzNwSv,二、燃烧过程计算,【例题】已知某种烟煤的质量组分为:
水分3.06%;灰分占干燥基的21.32%;可燃分的元素组成为:
C84.54%,H4.84%,O8.04%,N1.26%,S1.32%。
已知空气过剩系数为1.1,入口空气温度为298K,压力1atm,出口烟气温度为450K,压力1atm。
(1)求每千克煤燃烧所需的实际空气量;
(2)求每千克煤燃烧产生的烟气量;(3)求烟气中水蒸气和二氧化硫体积分数。
二、燃烧过程计算,第一步计算1kg煤中各元素的物质的量,二、燃烧过程计算,第二步:
计算实际需氧量,(53.73+36.92/4+0.31-3.83/2)1.1=67.49(mol),第三步:
列出化学计量方程,C53.73H36.92O3.93N0.69S0.31+67.49(O2+3.78N2)+1.70H2O(l)53.73CO2+20.16H2O+6.18O2+255.46N2+0.31SO2,第四步:
计算实际空气量,实际空气的量,67.494.78=322.6(mol),由理想气体状态方程得体积,二、燃烧过程计算,第五步:
计算烟气量,第六步:
计算烟气中水汽和二氧化硫比例,由化学方程式得烟气的量335.84mol由理想气体状态方程得体积,烟气状况下:
标准状况下:
水:
二氧化硫:
二、燃烧过程计算,发热量,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态相同时的热量变化(kJ/kgorkcal/kg)。
高位发热量:
燃烧产物中的水转变为液态时,完全燃烧过程所释放的热量,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量,第二章燃烧与大气污染,2-3硫氧化物的生成,一、燃料中硫的形态,一、燃料中硫的形态,石油中硫的形态,主要以有机硫存在。
80%-90%存在于重硫分中,以复杂的环状结构存在。
在轻馏分中,主要形态为:
硫化氢:
H2S硫醇:
R-S-H,如C2H5SH(乙硫醇)一硫化物:
R-S-R二硫化物:
R-S-S-R需要从燃料中去除的只是硫原子,不能有物理方法分离硫化物。
天然气中硫的形态,主要以硫化氢存在。
二、硫的氧化机理,有机硫和硫化物硫主要转化为SO2硫酸盐硫比较稳定,一般进入灰分,但高温(1800K)也会分解有机硫的分解温度较低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,由于反应:
在所有的情况下,SO都作为一种重要的反应中间体,二、硫的氧化机理,有机硫化物的氧化,三、三氧化硫的生成,SO3生成反应,SO3消耗反应,第一种途径,第二种途径,第三种途径,三、三氧化硫的生成,贫燃条件下SO3生成速率,生成反应,消耗反应,当,时,SO3浓度达到最大,三、三氧化硫的生成,富燃条件下SO3生成速率,生成反应,消耗反应,当,时,SO3浓度达到最大,三、三氧化硫的生成,燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4,转化率:
转化率与温度密切相关H2SO4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的腐蚀,三、三氧化硫的生成,金属氧化物对SO3生成的催化作用选择性催化还原(SCR)脱硝工艺中会使用V作为催化剂,四、硫与无机组分的反应,氧化钙或碳酸钙的加入:
平衡常数:
低温和稀薄燃烧有利于将二氧化硫转化为硫酸钙。
在燃烧过程中脱除二氧化硫:
循环流化床,第二章燃烧与大气污染,2-4氮氧化物的生成,一、氮氧化物的三种形成机理,燃烧过程产生的NOx,瞬时NOx,热力型NOx,燃料型NOx,低温火焰下由于含碳自由基与N2分子的反应生成的NOx,高温下N2与O2反应生成的NOx,燃料中的固定氮生成的NOx,二、热力型氮氧化物,产生NO和NO2的两个重要反应,反应的化学平衡受温度的影响平衡时NO浓度随温度升高迅速增加,二、热力型氮氧化物,二、热力型氮氧化物,上述数据说明:
室温条件下几乎没有NO和NO2生成,所有的NO都转化为NO2800K左右NO与NO2生成量仍然很小,但NO生成量已经超过NO2常规燃烧温度(1500K)下,有可观的NO生成,但NO2量仍然很小用NO2表示NOx的排放量,二、热力型氮氧化物,烟气冷却过程,9095的NOX以NO的形式存在,主要原因在于动力学控制。
一些典型的NO/NOX比例,锅炉机动车天然气0.9-1.0内燃机0.99-1.0煤0.95-1.06#燃油0.96-1.0燃油机0.77-1.0,二、热力型氮氧化物,三、燃料型氮氧化物,燃料中的N通常以原子状态与HC结合,燃烧时形成NOX火焰中燃料氮转化为NO的比例取决于火焰区NO与O2的比例燃料中20-80的氮转化为NO,四、瞬时型氮氧化物,碳氢化合物燃烧时分解成CH、CH2和C2等基团与N2发生反应,火焰中存在大量O、OH基团与上述产物反应,五、三种氮氧化物的比例,第二章燃烧与大气污染,2-5颗粒物的生成,一、火焰的结构,按混合状态分,预混火焰:
燃料和空气在燃烧前充分混合产生的火焰,火焰不同位置化学组成相对一致。
扩散火焰:
燃料和空气分别进入燃烧区,通过扩散混合。
在燃烧区的不同位置,空燃比也有差异。
一、火焰的结构,按湍流程度分,层流火焰:
Re2200,显著的湍流,但分子扩散仍起到一定作用,二、积碳的生成,积碳主要由气态燃料燃烧生成的颗粒物,核化过程,核表面发生非均相反应,凝聚长大过程,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,三、石油焦和煤胞的生成,石油焦:
燃料油滴结焦煤胞:
多组分重残油的燃烧后期生成焦粒生成反应的顺序:
烷烃烯烃带支链芳烃凝聚环系沥青半园体沥青沥青焦焦炭,四、煤燃烧中颗粒物的生成,固体燃料燃烧产生的颗粒物包括:
煤粉燃烧过程,黑烟:
未燃尽的碳粒飞灰:
不可燃矿物质微粒,碳表面的燃烧产物为CO,它扩散离开燃烧表面并与O2反应,四、黑烟的生成,黑烟生成影响因素:
火焰类型(对脂肪烃),预混火焰:
温度黑烟扩散火焰:
温度黑烟,少量氧气黑烟(催化作用),无烟煤焦炭褐煤低挥发分烟煤高挥发分烟煤,出现黑烟的顺序,四、煤燃烧中颗粒物的生成,四、煤燃烧中颗粒物的生成,影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素,煤质,锅炉结构,燃烧方式,锅炉运行负荷,炉排和炉膛的热负荷,烟气流速,飞灰的浓度与粒度,第二章燃烧与大气污染,2-6其他污染物的生成,一、有机污染物的形成,链烃分子氧化脱氢,乙炔链延长,不饱和基脱氢,环化反应,合成多环有机物,有机污染物,二、一氧化碳的形成,CO的形成和氧化都由反应动力学控制。
生成CO反应路线之一:
RHRRCHORCOCO,在碳氢火焰中CO通过与OH基反应,进一步被氧化,CO+OHCO2+H,保证充足的氧气含量和足够的停留时间,可以降低烟气中一氧化碳的含量。
二、一氧化碳的形成,三、汞的形成与控制,Hg会危害人的肾和神经系统煤燃烧是Hg的一大来源煤中Hg的析出率与燃烧条件有关燃烧温度高于900时析出率大于90还原性气氛的析出率低于氧化性气氛,三、汞的形成与控制,颗粒Hg的形成,燃烧过程中颗粒汞的形成路径,三、汞的形成与控制,燃煤飞灰和额外添加的吸附剂可以减少汞向大气的直接排放。
在飞灰利用或长期贮存过程中化学反应有可能使汞稳定也有可能导致汞的释放。
三、汞的形成与控制,影响Hg排放的因素-煤中氯含量,释放到烟气中的氯有助于将Hg0氧化为Hg2+,从而有利于污染控制设备对汞的去除。
本章知识点小结,1.燃料燃烧过程会产生污染物,燃料种类与化学组成会影响排放特征。
2.煤主要含有C、H、O、N、S等元素和灰份,煤质和燃烧方式是影响其排放性能的主要因素。
3.燃烧过程的相关计算:
理论空气量、理论烟气量、空燃比(空气过剩系数)、污染物浓度的计算。
4.燃烧中二氧化硫的产生原理。
燃烧产生的二氧化硫主要由燃料中的硫转化而来。
5.燃烧中氮氧化物的产生原理。
除了燃料中本身含有的氮元素外,空气中的氮气也会转化为氮氧化物。
热力型NOx,燃料型NOx和瞬时型NOx。
6.燃烧过程中颗粒物的产生。
其他污染物的生成。
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