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大气污染控制工程——燃烧与大气污染

		点击数：	更新时间： 2025年07月16日
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第2章  燃烧与大气污染
教学内容
§1  燃料的性质 
§2  燃料燃烧过程 
§3  烟气体积及污染物排放计算 
§4  燃烧过程中硫氧化物的形成 
§5  燃烧过程中颗粒物的形成 
§6  燃烧过程中其他污染物的形成

§2  燃烧与大气污染(1)
1.教学要求
    了解常见民用及工业燃料的组成和性质； 
    掌握气态、液态和固态燃料的燃烧过程，学会分析影响燃烧过程的因素； 
    学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度； 
    掌握颗粒物、硫氧化物和氮氧化物的产生机理，理解通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径
2、教学重点
        重点理解燃烧的基本原理和相关污染物形成机理，重点掌握燃烧过程污染物排放计算。
3、教学难点
      燃烧过程污染物排放计算。
建议学时数：4学时
§1燃料的性质
1、燃料的分类

按获得方法分  按物态分 	天然燃料 	人工燃料 
固体燃料 	木柴、煤、油页岩 	木炭、焦炭、煤粉等 
液体燃料 	石油 	汽油、煤油、柴油、重油 
气体燃料 	天然气 	高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气 
燃料的定义：指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质

2. 燃料的化学组成 
典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分

2. 燃料的化学组成
典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）
3. 燃料组成对燃烧的影响
碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出7850 kcal的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出2214 kcal的热量。纯碳起燃温度很高，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、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，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90-98%，一般煤的含碳量约50-95%。

氢：是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，1 kg氢完全燃烧时能放出28780 kcal的热量。 
3. 燃料组成对燃烧的影响

氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量

氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5-1.5%

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。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。

3. 燃料组成对燃烧的影响

水分：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102-105?C，保持2h后才能除掉。

灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。

4.煤的分类和组成 
煤的基本分类 
 
褐煤 
最低品味的煤，形成年代最短，热值较低 
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 
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

4.煤的分类和组成 
煤的成分分析 
 
工业分析（ proximate analysis ） 
      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。 
 
 
元素分析（ ultimate analysis ） 
         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。
煤的成分分析

工业分析（ proximate analysis ）
      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要指标。

√元素分析（ ultimate analysis ）
         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。
（1）煤的工业分析
水分：
一定重量13mm以下粒度的煤样，在干燥箱内318-323K温度下干燥8小时，取出冷却，称重   ? 外部水分
将失去外部水分的煤样保持在375-380K下，约2h后，称重  ? 内部水分
外部水分＋内部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使热值降低，影响燃烧稳定，一般控制煤中水分在10%～13%。

挥发分：
失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200K的马弗炉中加热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重 。
（1）煤的工业分析
        √ 固定碳
从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定碳，是煤的主要可燃物质。
失去水分和挥发分后的剩余部分（焦炭）放在800?20?C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。
√灰分：
灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。
      高灰分、低熔点的煤极易结渣，从尔影响热效率。

（1）煤的工业分析
煤中灰分的组成：

我国煤炭的平均灰分含量为25％
灰分的存在降低了煤的热值，也增加了烟尘污染和出渣量

（2）煤的元素分析

碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定

氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收，滴定

硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，S   SO42-，滴定

（3）煤中硫的形态

（3）煤中硫的形态
a.硫化铁硫：是主要的含硫成分，常见形态是黄铁矿硫。
黄铁矿：硬度  6—6.5 ,     比重  4.7—5.2
本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。
b. 硫酸盐硫: 硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它形态的硫能燃烧放出热量。通常所说的SOx污染物只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4。
c.有机硫：以各种官能团形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。

（4）煤的成分的表示方法
要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的基准，常用的基准有以下四种：
√收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分

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

（4）煤的成分的表示方法

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

干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为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组成的相互关系 
    
（4）煤的成分的表示方法
我国部分煤种的分析结果 
    
（4）煤的成分的表示方法
我国部分煤种的分析结果(续） 
    
        二、石油
液体燃料的主要来源
链烷烃、环烷烃和芳香烃等多种化合物组成的混合物
主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧
氢含量增加时，比重减少，发热量增加

天然气
典型的气体燃料
一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％
      四、其他燃料 
非常规燃料
城市固体废弃物
商业和工业固体废弃物
农产物和农村废物
水生植物和水生废物
污泥处理厂废物
可燃性工业和采矿废物
天然存在的含碳和含碳氢的资源
合成燃料
   非常规燃料通常需要专门技术转化为易于利用的形式
城市固体废物用作燃料必须考虑其大气污染问题
五、燃料组成的表示方法:  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、燃料的最重要的两个属性
热值
决定燃料的消耗量

杂质
污染物产生的来源

§2 燃料燃烧过程 
一.影响燃烧过程的主要因素
1.燃烧过程及燃烧产物 
完全燃烧：CO2、H2O
不完全燃烧： CO2、H2O &amp;amp; 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
空气中的部分N可能被氧化成NO－热力型NOx
   一.影响燃烧过程的主要因素
2.燃料完全燃烧的条件（3T）
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
  一.影响燃烧过程的主要因素  
典型燃料的着火温度

一.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CH4为例）

一.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

一.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

二.燃料燃烧的理论空气量
1.理论空气量
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
燃料的化学方程式为CxHySzOw

二.燃料燃烧的理论空气量
燃烧方程式：

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

二.燃料燃烧的理论空气量
理论空气量:
二.燃料燃烧的理论空气量
                                   3.6~6.0  褐煤
一般煤的理论空气量        7.5~8.5  无烟煤?
                                   9~10    烟煤

液体燃料（燃料油）的
             煤炉：4.5~5.5                    
煤气       液化气：2.97     
             高炉：   ~0.7

干:    8.84~9.01
 天然气
                      湿：11.4~12.1

二.燃料燃烧的理论空气量
例题：
二.燃料燃烧的理论空气量
2.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

部分炉型的空气过剩系数
    二.燃料燃烧的理论空气量
3．空燃比（AF）
定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。
例如，甲烷在理想空气量下的完全燃烧：
CH4＋2O2＋7.56N2→CO2＋7.56N2
空燃比：
AF=2×32＋7.56×28/1×16=17.2
汽油（～C8H18）的理论空燃比为15
纯碳的理论空燃比约为11.5

三.燃烧过程中产生的污染物
燃料种类对燃烧产物的影响（以1000MW电站为例）：
   二.燃料燃烧的理论空气量
例：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）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。
解：以1kg重油燃烧为基础，则：

重量（g）

摩尔数
（mol）

需氧量
（mol）

883

73．58

47．5

23．75

0．5

H2O

0．5

0．0278

二.燃料燃烧的理论空气量
理论需氧量为：  
73.58+23.75+0.5=97.83  mol/kg重油
假定空气中N2与O2的摩尔比为3.76(体积比)
    则，理论空气量为：
                                        mol/kg重油

即                               Nm3/kg重油

二.燃料燃烧的理论空气量
三.燃烧过程中产生的污染物
燃烧可能释放的污染物：

CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、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有影响

燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响
   三.燃烧过程中产生的污染物
燃烧产物与温度的关系：

三.燃烧过程中产生的污染物
典型固态燃料的燃烧产物：
  三.燃烧过程中产生的污染物
典型液态燃料的燃烧产物：
   三.燃烧过程中产生的污染物
典型气态燃料的燃烧产物：
       四.热化学关系式
1.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下的热量变化（ kJ/kg or kcal/kg ）
高位发热量：包括燃料生成物中水蒸气的汽化潜热
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

四.热化学关系式
2.燃烧设备的热损失
排烟热损失
不完全燃烧热损失
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
不充分混合时，热损失最小值出现在空气过剩一侧。

四.热化学关系式
3.燃烧热损失与空燃比的关系

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