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大氣污染控制工程——燃燒與大氣污染

		點擊數：	更新時間： 2025年07月16日
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第2章  燃燒與大氣污染
教學內容
§1  燃料的性質 
§2  燃料燃燒過程 
§3  煙氣體積及污染物排放計算 
§4  燃燒過程中硫氧化物的形成 
§5  燃燒過程中顆粒物的形成 
§6  燃燒過程中其他污染物的形成

§2  燃燒與大氣污染(1)
1.教學要求
    了解常見民用及工業燃料的組成和性質； 
    掌握氣態、液態和固態燃料的燃燒過程，學會分析影響燃燒過程的因素； 
    學會計算燃燒過程產生的煙氣量和污染物濃度； 
    掌握顆粒物、硫氧化物和氮氧化物的產生機理，理解通過改變燃燒條件減少污染物生成的途徑
2、教學重點
        重點理解燃燒的基本原理和相關污染物形成機理，重點掌握燃燒過程污染物排放計算。
3、教學難點
      燃燒過程污染物排放計算。
建議學時數：4學時
§1燃料的性質
1、燃料的分類

按獲得方法分  按物態分 	天然燃料 	人工燃料 
固體燃料 	木柴、煤、油頁巖 	木炭、焦炭、煤粉等 
液體燃料 	石油 	汽油、煤油、柴油、重油 
氣體燃料 	天然氣 	高爐煤氣、發生爐煤氣、焦爐煤氣 
燃料的定義：指燃燒過程中能放出熱量，且經濟上可行的物質

2. 燃料的化學組成 
典型氣體、液體和固體燃料的化學組成成分

2. 燃料的化學組成
典型氣體、液體和固體燃料的化學組成成分（續）
3. 燃料組成對燃燒的影響
碳：可燃元素。1 kg純碳完全燃燒時，放出7850 kcal的熱量。當不完全燃燒生成CO時，放出2214 kcal的熱量。純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰也短。煤中的碳不是單質狀態存在，而是與氫、氮、硫等組成有機化合物。煤形成的地質年代越長，其揮發性成分含量越少，而含碳量則相對增加。例如，無煙煤含碳量約90-98%，一般煤的含碳量約50-95%。

氫：是燃料中發熱量最高的元素。固體燃料中氫的含量為2-10%，以碳氫化合物的形式存在，1 kg氫完全燃燒時能放出28780 kcal的熱量。 
3. 燃料組成對燃燒的影響

氧：氧在燃料中與碳和氫生成化合物，降低了燃料的發熱量

氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5-1.5%

硫：以三種形態存在：有機硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱之為揮發硫。硫燃燒生成產物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。

3. 燃料組成對燃燒的影響

水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內部水分）組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內部水分要放在干燥箱中加熱到102-105?C，保持2h后才能除掉。

灰分：是燃料中不可燃礦物質，為燃料中有害成分。

4.煤的分類和組成 
煤的基本分類 
 
褐煤 
最低品味的煤，形成年代最短，熱值較低 
煙煤 
形成年代較褐煤長，碳含量75%~90％。成焦性較強，適宜工業一般應用 
無煙煤 
煤化時間最長，含碳量最高（高于93％），成焦性差,發熱量大

4.煤的分類和組成 
煤的成分分析 
 
工業分析（ proximate analysis ） 
      測定煤中水分、揮發分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱值，是評價工業用煤的主要指標。 
 
 
元素分析（ ultimate analysis ） 
         用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。
煤的成分分析

工業分析（ proximate analysis ）
      測定煤中水分、揮發分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱量，是評價工業用煤的主要指標。

√元素分析（ ultimate analysis ）
         用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。
（1）煤的工業分析
水分：
一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內318-323K溫度下干燥8小時，取出冷卻，稱重   ? 外部水分
將失去外部水分的煤樣保持在375-380K下，約2h后，稱重  ? 內部水分
外部水分＋內部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使熱值降低，影響燃燒穩定，一般控制煤中水分在10%～13%。

揮發分：
失去水分的試樣密封在坩堝內，放在1200K的馬弗爐中加熱7分鐘，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重 。
（1）煤的工業分析
        √ 固定碳
從煤中扣除水分、灰分以及揮發分后剩余的部分為固定碳，是煤的主要可燃物質。
失去水分和揮發分后的剩余部分（焦炭）放在800?20?C的環境中灼燒到重量不在變化時，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳。
√灰分：
灰分是煤中不可燃礦物物質的總稱。
      高灰分、低熔點的煤極易結渣，從爾影響熱效率。

（1）煤的工業分析
煤中灰分的組成：

我國煤炭的平均灰分含量為25％
灰分的存在降低了煤的熱值，也增加了煙塵污染和出渣量

（2）煤的元素分析

碳和氫：通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定

氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉化為氨，堿液吸收，滴定

硫：與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應，S   SO42-，滴定

（3）煤中硫的形態

（3）煤中硫的形態
a.硫化鐵硫：是主要的含硫成分，常見形態是黃鐵礦硫。
黃鐵礦：硬度  6—6.5 ,     比重  4.7—5.2
本無磁性，但在強磁場感應下能轉變為順磁性物，吸收微波能力較強，據此，可把其從煤中脫除。
b. 硫酸鹽硫: 硫酸鹽硫在燃燒時不參加燃燒，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它形態的硫能燃燒放出熱量。通常所說的SOx污染物只包括有機硫、硫化物，不包括MeSO4。
c.有機硫：以各種官能團形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分選的方法除去，需采用化學方法脫硫。

（4）煤的成分的表示方法
要確切說明煤的特性，必須同時指明百分比的基準，常用的基準有以下四種：
√收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分

空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實驗室內進行燃料分析時的試樣成分

（4）煤的成分的表示方法

干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少

干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分
（4）煤的成分的表示方法
煤的成分的表示方法及其組成的相互關系 
    
（4）煤的成分的表示方法
我國部分煤種的分析結果 
    
（4）煤的成分的表示方法
我國部分煤種的分析結果(續） 
    
        二、石油
液體燃料的主要來源
鏈烷烴、環烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物
主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧
氫含量增加時，比重減少，發熱量增加

天然氣
典型的氣體燃料
一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％
      四、其他燃料 
非常規燃料
城市固體廢棄物
商業和工業固體廢棄物
農產物和農村廢物
水生植物和水生廢物
污泥處理廠廢物
可燃性工業和采礦廢物
天然存在的含碳和含碳氫的資源
合成燃料
   非常規燃料通常需要專門技術轉化為易于利用的形式
城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問題
五、燃料組成的表示方法:  CxHySzOwNv 
Sample:  C: 77.2%, H: 5.2%, N: 1.2%, S: 2.6%, O: 5.9% and ash: 7.9% by weight. Determine the normalized molar composition.

Element       Wt %           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
    ash             7.9                   ?  6.43  = 1.23 g/molC
The normalized molar composition:CH0.808N0.013S0.013O0.057 
  六、燃料的最重要的兩個屬性
熱值
決定燃料的消耗量

雜質
污染物產生的來源

§2 燃料燃燒過程 
一.影響燃燒過程的主要因素
1.燃燒過程及燃燒產物 
完全燃燒：CO2、H2O
不完全燃燒： CO2、H2O &amp;amp; CO、黑煙及其他部分氧化產物
如果燃料中含有S和N，則會生成SO2和NO
空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx
   一.影響燃燒過程的主要因素
2.燃料完全燃燒的條件（3T）
空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失
溫度條件（Temperature）：達到燃料的著火溫度
時間條件（Time）：燃料在高溫區停留時間應超過燃料燃燒所需時間
燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合
  一.影響燃燒過程的主要因素  
典型燃料的著火溫度

一.影響燃燒過程的主要因素
燃燒火焰溫度與燃料混合比的關系（以CH4為例）

一.影響燃燒過程的主要因素
典型鍋爐熱損失與過剩空氣量的關系

一.影響燃燒過程的主要因素
燃氣比和混合程度對燃燒產物的影響

二.燃料燃燒的理論空氣量
1.理論空氣量
建立燃燒方程式的假定：
空氣組成        
   20.9%O2和79.1%N2，兩者體積比為：N2/ O2 = 3.78
燃料中固定氧可用于燃燒
燃料中硫主要被氧化為 SO2
不考慮NOX的生成
燃料中的N在燃燒時轉化為N2
燃料的化學方程式為CxHySzOw

二.燃料燃燒的理論空氣量
燃燒方程式：

燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w
煤 4-7 m3/kg，液體燃料10-11 m3/kg?

二.燃料燃燒的理論空氣量
理論空氣量:
二.燃料燃燒的理論空氣量
                                   3.6~6.0  褐煤
一般煤的理論空氣量        7.5~8.5  無煙煤?
                                   9~10    煙煤

液體燃料（燃料油）的
             煤爐：4.5~5.5                    
煤氣       液化氣：2.97     
             高爐：   ~0.7

干:    8.84~9.01
 天然氣
                      濕：11.4~12.1

二.燃料燃燒的理論空氣量
例題：
二.燃料燃燒的理論空氣量
2.空氣過剩系數
實際空氣量與理論空氣量之比。以?表示，?通常>1

部分爐型的空氣過剩系數
    二.燃料燃燒的理論空氣量
3．空燃比（AF）
定義：單位質量燃料燃燒所需的空氣質量，它可由燃燒方程直接求得。
例如，甲烷在理想空氣量下的完全燃燒：
CH4＋2O2＋7.56N2→CO2＋7.56N2
空燃比：
AF=2×32＋7.56×28/1×16=17.2
汽油（～C8H18）的理論空燃比為15
純碳的理論空燃比約為11.5

三.燃燒過程中產生的污染物
燃料種類對燃燒產物的影響（以1000MW電站為例）：
   二.燃料燃燒的理論空氣量
例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結果如下（按質量）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。
解：以1kg重油燃燒為基礎，則：

重量（g）

摩爾數
（mol）

需氧量
（mol）

883

73．58

47．5

23．75

0．5

H2O

0．5

0．0278

二.燃料燃燒的理論空氣量
理論需氧量為：  
73.58+23.75+0.5=97.83  mol/kg重油
假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比)
    則，理論空氣量為：
                                        mol/kg重油

即                               Nm3/kg重油

二.燃料燃燒的理論空氣量
三.燃燒過程中產生的污染物
燃燒可能釋放的污染物：

CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等

溫度對燃燒產物的絕對量和相對量都有影響

燃料種類和燃燒方式對燃燒產物也有影響
   三.燃燒過程中產生的污染物
燃燒產物與溫度的關系：

三.燃燒過程中產生的污染物
典型固態燃料的燃燒產物：
  三.燃燒過程中產生的污染物
典型液態燃料的燃燒產物：
   三.燃燒過程中產生的污染物
典型氣態燃料的燃燒產物：
       四.熱化學關系式
1.發熱量：
單位燃料完全燃燒時，所放出的熱量，即在反應物開始狀態和反應產物終了狀態相同下的熱量變化（ kJ/kg or kcal/kg ）
高位發熱量：包括燃料生成物中水蒸氣的汽化潛熱
低位發熱量：燃燒產物中的水蒸氣仍以氣態存在時，完全燃燒過程所釋放的熱量

四.熱化學關系式
2.燃燒設備的熱損失
排煙熱損失
不完全燃燒熱損失
散熱損失

在充分混合的條件下，熱損失在理論空氣量條件下最低
不充分混合時，熱損失最小值出現在空氣過剩一側。

四.熱化學關系式
3.燃燒熱損失與空燃比的關系

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