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1、第二章 燃烧与大气污染一、燃料性质一、燃料性质二、燃烧过程三、燃烧过程计算四、燃烧过程硫氧化物的形成五、燃烧过程中颗粒污染物的形成六、氮氧化物的形成七、燃烧过程中其他污染物的形成本章主要内容本章主要内容2一、燃料性质一、燃料性质1.1.燃料的分类燃料的分类 按获得方法分按获得方法分按获得方法分按获得方法分 按物态分按物态分按物态分按物态分 天然燃料天然燃料天然燃料天然燃料 人工燃料人工燃料人工燃料人工燃料 固体燃料固体燃料固体燃料固体燃料 木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料液体燃料
2、液体燃料液体燃料 石油石油石油石油 汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、汽油、煤油、柴油、重油重油重油重油 气体燃料气体燃料气体燃料气体燃料 天然气天然气天然气天然气 高炉煤气、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气气、焦炉煤气气、焦炉煤气气、焦炉煤气 3一、燃料性质一、燃料性质2 2.燃料的化学组成燃料的化学组成:决定热值和燃烧产物决定热值和燃烧产物典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分42 2.燃料的化学组成燃料的化学组成:决定热值和燃烧产物决定热值和燃烧产物典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分典
3、型气体、液体和固体燃料的化学组成成分(续续)一、燃料性质一、燃料性质52.2.燃料的化学组成燃料的化学组成液态燃料的挥发液态燃料的挥发(以汽油为例）以汽油为例）一、燃料性质一、燃料性质3 3.燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响燃料组成燃料组成碳碳氮氮硫硫其他其他氢氢氧氧一、燃料性质一、燃料性质73 3.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。1 kg纯碳完全燃烧放出纯碳完全燃烧放出7850 kcal的热的热量，不完全燃烧生成量，不完全燃烧生成CO时放出时放出2214 kcal的热量。煤中的热量。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、硫等组成有的碳不是单质状态
4、存在，而是与氢、氮、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，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量量越少，而含碳量则相对增加。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氢氢：燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量：燃料中发热量最高的元素。固体燃料中氢的含量为为2-10%，以碳氢化合物的形式存在，以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃氢完全燃烧时能放出烧时能放出28780 kcal的热量的热量氧：氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的
5、发热量发热量 一、燃料性质一、燃料性质83 3.燃料组成对燃烧的影响燃料组成对燃烧的影响氮：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%硫：硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。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。硫燃烧生成产物前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为为SO2和和SO3，其中，其中SO2占占95%以上以上水分：水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤水分的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（内部水中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成。外
6、部水分可以靠自然干燥方法除去。内部分）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水分要放在干燥箱中加热到102-105C，保持，保持2h后才能后才能除掉。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。一、燃料性质一、燃料性质94.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的基本分类煤的基本分类v褐褐煤煤：最最低低品品位位的的煤煤，形形成成年年代最短，热值较低代最短，热值较低v烟烟煤煤：形形成成年年代代较较褐褐煤煤长长，碳碳含含量量75-9075-90。成成焦焦性性较较强强，适宜工业一般应用适宜工业一般应用v无无烟烟煤煤：煤煤
7、化化时时间间最最长长，含含碳碳量量最最高高（高高于于9393），成成焦焦性性差差,发热量大发热量大一、燃料性质一、燃料性质104.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的详细分类煤的详细分类一、燃料性质一、燃料性质114.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的成分煤的成分v工业分析（工业分析（proximate analysis）测测定定煤煤中中水水分分、挥挥发发分分、灰灰分分和和固固定定碳碳。估估测测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。v元素分析（元素分析（ultimate analysis）用用化化学学分分析析的的方方法法测测定定去去掉掉外外部部水
8、水分分的的煤煤中中主主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。一、燃料性质一、燃料性质124.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的成分煤的成分一、燃料性质一、燃料性质134.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的工业分析煤的工业分析v水分：水分：一一定定重重量量13mm以以下下粒粒度度的的煤煤样样，在在干干燥燥箱箱内内318-323K温温度度下下干干燥燥8小小时时，取取出出冷冷却却，称称重重，得得到到外部水分外部水分将将失失去去外外部部水水分分的的煤煤样样保保持持在在375-380K下下，约约2h后，称重，得到内部水分后，称重，得到内部水分v挥发分挥发分：失失去去水水
9、分分的的试试样样密密封封在在坩坩埚埚内内，放放在在1200K的的马马弗弗炉炉中中加加热热7分分钟钟，放放入入干干燥燥箱箱中中冷冷却却至至常常温温再再称称重重 一、燃料性质一、燃料性质144.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的工业分析（续）煤的工业分析（续）v固定碳固定碳从从煤煤中中扣扣除除水水分分、灰灰分分以以及及挥挥发发分分后后剩剩余余的的部部分分为固定碳为固定碳失失去去水水分分和和挥挥发发分分后后的的剩剩余余部部分分（焦焦炭炭）放放在在80020C的的环环境境中中灼灼烧烧到到重重量量不不在在变变化化时时，取取出出冷却，焦炭所失去的重量为固定碳冷却，焦炭所失去的重量为固定碳v灰分：灰分：
10、煤中不可燃矿物物质的总称煤中不可燃矿物物质的总称一、燃料性质一、燃料性质154.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的工业分析（续）煤的工业分析（续）v灰分：灰分：我国煤炭的平均灰分含量为我国煤炭的平均灰分含量为2525灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量一、燃料性质一、燃料性质164.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的元素分析煤的元素分析v碳碳和和氢氢：通通过过燃燃烧烧后后分分析析尾尾气气中中CO2和和H2O的的生生成成量量测定测定v氮氮：在在催催化化剂剂作作用用下下使使煤煤中中的的氮氮转转化化为为氨氨，碱碱液液吸吸收，滴定
11、收，滴定v硫硫：与与氧氧化化镁镁和和无无水水硫硫酸酸钠钠混混合合物物反反应应，S SO42-，滴定滴定一、燃料性质一、燃料性质174.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的元素分析煤的元素分析煤煤中中硫硫的的形形态态一、燃料性质一、燃料性质184.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法 图 2-1 固体燃料成分及其组成相互关系一、燃料性质一、燃料性质19aradddafASlyCHOSrWnWw灰分固定碳挥发分水分固体部分（焦碳）挥发部分N4.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 煤的成分的表示方法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
12、收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分 v空空气气干干燥燥基基：以以去去掉掉外外部部水水分分的的燃燃料料作作为为100%100%的的成成分分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分即在实验室内进行燃料分析时的试样成分v干干燥燥基基：以以去去掉掉全全部部水水分分的的燃燃料料作作为为100%100%的的成成分分，干干燥燥基更能反映出灰分的多少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干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%100%的的成分成分一、燃料性质一、燃料性质204.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 我国部分煤种的分析结果我国部分煤种的分析结果 一、燃料性质
13、一、燃料性质214.4.煤的分类和组成煤的分类和组成 我我国国部部分分煤煤种种的的分分析析结结果果(续续)一、燃料性质一、燃料性质225.5.其他燃料其他燃料 石油石油v液体燃料的主要来源液体燃料的主要来源v链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物v主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧v氢含量增加时，比重减少，发热量增加氢含量增加时，比重减少，发热量增加天然气天然气v典型的气体燃料典型的气体燃料v一般组成为甲烷一般组成为甲烷85、乙烷、乙烷10、丙烷、丙烷3一、燃料性质一、燃料性质235.5.其他燃料其他燃料 非常
14、规燃料非常规燃料v城市固体废弃物城市固体废弃物v商业和工业固体废弃物商业和工业固体废弃物v农产物和农村废物农产物和农村废物v水生植物和水生废物水生植物和水生废物v污泥处理厂废物污泥处理厂废物v可燃性工业和采矿废物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天然存在的含碳和含碳氢的资源v合成燃料合成燃料非常规燃料通常需要专门技术转化为易于非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式利用的形式城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题一、燃料性质一、燃料性质246.6.燃料组成的表示方法燃料组成的表示方法:CxHySzOwNv 例题例题某某燃燃料料
15、质质量量组组成成：C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%,灰分灰分:7.9%。请确定该燃料的化学分子式。请确定该燃料的化学分子式。元素元素 质量组成，质量组成，%mol/100g mol/mol C 77.2 12 =6.43 6.43 =1.00 H 5.20 1 =5.20 6.43 =0.808 N 1.20 14 =0.0857 6.43 =0.013 S 2.60 32 =0.0812 6.43 =0.013 O 5.90 16 =0.369 6.43 =0.057 灰分灰分 7.9 6.43 =1.23 g/molC该燃料的化学分子式为：该燃料的化学
16、分子式为：CH0.808N0.013S0.013O0.057 一、燃料性质一、燃料性质25一、燃料性质二、燃烧过程二、燃烧过程三、燃烧过程计算四、燃烧过程硫氧化物的形成五、燃烧过程中颗粒污染物的形成六、氮氧化物的形成七、燃烧过程中其他污染物的形成本章主要内容本章主要内容261.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素燃烧过程及燃烧产物燃烧过程及燃烧产物 v完全燃烧：完全燃烧：CO2、H2Ov不完全燃烧：不完全燃烧：CO2、H2O&CO、黑烟及其他部、黑烟及其他部分氧化产物分氧化产物v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NOv空气中的部分空气中的部分N可能被氧化
17、成可能被氧化成NO热力型热力型NOx二、燃烧过程二、燃烧过程271.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件v空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失会降低炉温，增加热损失v温度条件温度条件(Temperature)(Temperature)：达到燃料的着火温度：达到燃料的着火温度v时间条件时间条件(Time)(Time)：燃料在高温区停留时间应超：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v燃料与空气的混合条件燃料与空气的混合条件(Turbulence)(Turbu
18、lence)：燃料与：燃料与氧充分混合氧充分混合二、燃烧过程二、燃烧过程281.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素典型燃料的着火温度典型燃料的着火温度二、燃烧过程二、燃烧过程291.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以燃烧火焰温度与燃料混合比的关系（以CH4 4为例）为例）二、燃烧过程二、燃烧过程301.1.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素典型锅炉热损失与过剩空气量的关系典型锅炉热损失与过剩空气量的关系二、燃烧过程二、燃烧过程311.影响燃烧过程的主要因素影响燃烧过程的主要因素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
19、燃烧产物的影响二、燃烧过程二、燃烧过程322.2.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量建立燃烧方程式的假定建立燃烧方程式的假定v空气组成空气组成:20.9%O2和和79.1%N2，两者体积比，两者体积比为：为：N2/O2=3.78v燃料中固定氧可用于燃烧燃料中固定氧可用于燃烧v燃料中硫主要被氧化为燃料中硫主要被氧化为 SO2v不考虑不考虑NOX的生成的生成v燃料中的燃料中的N在燃烧时转化为在燃烧时转化为N2v燃料的化学方程式为燃料的化学方程式为CxHySzOw二、燃烧过程二、燃烧过程332.2.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量建立燃烧方程式的假定建立燃烧方程式的假定v燃烧方程式：燃
20、烧方程式：v燃料重量燃料重量=12x+1.008y+32z+16wv理论空气量：理论空气量：v煤煤 4-7 m3/kg，液体燃料，液体燃料10-11 m3/kg二、燃烧过程二、燃烧过程342.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量例题例题二、燃烧过程二、燃烧过程352.2.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量空气过剩系数空气过剩系数v实际空气量与理论空气量之比。以实际空气量与理论空气量之比。以表示，表示，通通常常1v部分炉型的空气过剩系数部分炉型的空气过剩系数二、燃烧过程二、燃烧过程362.2.燃料燃烧的理论空气量燃料燃烧的理论空气量空燃比空燃比v单位质量燃料燃烧所需要的空气质量单位质量
21、燃料燃烧所需要的空气质量v例如：汽油（例如：汽油（C8H18）的完全燃烧：）的完全燃烧：v汽油的质量：汽油的质量：128+1.00818=114.14 v空气的质量：空气的质量：3212.5+283.7612.5=1716v空燃比空燃比 AF=15.03二、燃烧过程二、燃烧过程373.3.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vCO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、烟、飞灰、金属及其氧化物等金属及其氧化物等v温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响v燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响燃料种类和燃烧方式对
22、燃烧产物也有影响二、燃烧过程二、燃烧过程383.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物燃烧产物与温度的关系：燃烧产物与温度的关系：二、燃烧过程二、燃烧过程393.3.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物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1000MW1000MW电站为例）电站为例）二、燃烧过程二、燃烧过程403.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物典型固态燃料的燃烧产物典型固态燃料的燃烧产物二、燃烧过程二、燃烧过程413.燃烧过程中产生的污染物燃烧过程中产生的污染物典型典型液液态燃料的燃烧产物态燃料的燃烧产物二、燃烧过程二、燃烧过程424.4.热化
23、学关系式热化学关系式发热量发热量单单位位燃燃料料完完全全燃燃烧烧时时，所所放放出出的的热热量量，即即在在反反应应物物开开始始状状态态和反应产物终了状态相同下的热量变化和反应产物终了状态相同下的热量变化(kJ/kg or kcal/kg)低位发热量低位发热量：燃烧产物中的：燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时，完水蒸气仍以气态存在时，完全燃烧过程所释放的热量全燃烧过程所释放的热量高位发热量高位发热量：包括燃料生成包括燃料生成物中水蒸气的物中水蒸气的汽化潜热汽化潜热水蒸气的汽化潜热水蒸气的汽化潜热二、燃烧过程二、燃烧过程434.4.热化学关系式热化学关系式燃烧设备的热损失燃烧设备的热损失v排烟热损失排烟热损失v不完全燃烧热损失不完全燃烧热损失v散热损失散热损失在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低在充分混合的条件下，热损失在理论空气量条件下最低不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。二、燃烧过程二、燃烧过程444.4.热化学关系式热化学关系式燃烧热损失与空燃比的关系燃烧热损失与空燃比的关系二、燃烧过程二、燃烧过程45