2《大气污染控制工程》第二章解析

第二章燃烧与大气污染在大气污染物浓度较高的城市，烟尘、NOx和SO2等主要是由燃料燃烧产生的。

本章侧重介绍燃料燃烧过程的基本原理、污染物的生成机理、以及如何控制燃烧过程，以便减少污染物的排放量。

第一节燃料的性质（请同学们列举哪些是燃料并做总结）定义：燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可以取得效益的物质。

燃料是指用以生产产生热量或动力的可燃性物质。

可分为常规燃料和非常规燃料。

常规燃料：煤、石油和天然气等化石燃料。

非常规燃料：除了煤、石油和天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之列；如生活垃圾、农作物秸秆等。

燃料按物理状态可分为：(1)气体燃料：气体燃料的优点是燃烧迅速，其燃烧状态可基本上由空气与燃料的扩散或混合所控制。

(2)液体燃料：液体燃料也是以气态形式燃烧，因此它的燃烧速度受其蒸发过程控制。

(3)固体激料：固体燃料的燃烧则受以下二种现象控制：燃料中挥发性组分被蒸馏后以气态燃烧，而遗留下来的固定碳则以固态燃烧，后者的速率由氧向固体表面的扩散控制。

燃料的性质影响燃烧设备设计和各种操作条件，也影响大气污染物的形成和排放，所以接下来对常规燃料及非常规燃料做一简要介绍。

一、煤煤是最重要的固体燃料，它是一种复杂的物质聚集体，主要是由植物的部分分解和变质而形成的。

煤的可燃成分主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。

煤中有机成分和无机成分的含量，因煤的种类和产地不同而有很大差别。

下面对煤的分类做一介绍。

1.煤的分类：我们知道，煤是由植物做在高压覆盖和较高温度条件下经过长期过程形成的，不同的植物及其不同覆盖时间即腐蚀程度会形成不同的煤。

（我们把植物原料变成煤的过程称为“煤化”过程）根据“煤化”程度，桨煤分成以下三大类：(1)褐煤：褐煤是由泥煤形成的初始煤化物。

是煤中等级最低的一类，形成年代最短。

呈黑色、褐色或泥土色，其结构类似木材。

水分和灰分含量都较高，燃烧热值较低。

(2)烟煤：烟煤的形成历史较褐煤为长，呈黑色，外形有可见条纹。

成焦性较强，且含氧量低．水分和灰分含量一般不高，适宜工业上的一般应用。

(3)无烟煤：无烟煤是碳含量最高，煤化时间最长的煤。

它具有明亮的黑色光泽，机械强度高。

碳含量一般高于93％，无机物含量低于10％，因而着火困难，储存时稳定，不易自燃。

成焦性极差。

2.煤的工业分析煤的工业分析包括测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳，以及估测硫含量和热值，这些是评价工业用煤的主要指标。

①水分：水分包括外部水分和内部水分。

测定外部水分的方法是：称取一定量的13mm以下粒度的煤样，置于干燥箱内，在318—323K温度下干燥8h，取出冷却．干燥后所失去的水分质量占煤样原来质量的百分数就是煤的外部水分（W w）。

测定内部水分的方法是：将上述失去外部水分的煤样继续在375—380K下干燥约2h．所失去的水分质量占试样原来质量的百分数即内部水分（W n）。

两部分水分之和即为煤所含的全水分。

②灰分：灰分是煤中不可燃矿物物质的总称，其含量和组成因煤种及粗加工的不同而异。

煤中灰分的存在，降低了煤的热值，也增加了烟尘污染及出渣率。

高灰分、低的熔点的煤极易结渣，使煤不能充分燃烧，从而影响热效率。

（我国煤碳的平均灰分约为25%），以氧化物形式表示，灰分的组成见表2-1(P29)③挥发分：挥发分系煤干馏时所释放出的气态可燃物质．通过将风干的煤样在1200K的炉个加热7min而测定。

挥发分主要由氢气、碳氢化合物、一氧化碳及少量的硫化氢等组成。

在相同的热值下，煤中挥发分越高，就越容易燃着，火焰越长，越易燃烧完全；但含量过高容易污染环境，这主要是因为含量过高，在炉膛内无法充分燃烧，形成大量的碳粒子与烟气从烟囱排出。

④固定碳：从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部分。

是煤的主要可燃物质。

煤中的碳不是以单质形态存在的，而是与氢、氮、硫、氧等组成有机化合物。

3.元素分析元素分折是用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧等的含量。

碳和氢是通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量而测定的。

氮含量的测定是在催化剂作用下使煤中氮转变为氨，继而用碱吸收，最后用酸滴定。

硫含量测定，是将样品放在氧化镁和无水碳酸钠的混合物上加热、使硫化物转变为硫酸盐，再以重量法测定硫酸钡沉淀而决定的。

氧含量的测定，分为直接法和间接法。

4.煤中硫的形态煤中含有四种形态的硫：黄铁矿硫(FeS2)。

硫酸盐硫(MeSO4)、有机硫(C X H Y S Z)和元素硫。

人们一般把硫分划为硫化铁硫、有机硫和硫酸盐硫三种。

(1)硫化铁硫：代表为黄铁矿硫，煤中主要的含硫成分，呈独立相分布，可转变为顺磁性物质，吸收微波能力强，根据这些特性可采用不同的物理或化学方法除去。

(2)有机硫：可分为原生有机硫：来源于成煤植物蛋白质的原生质，一般蛋白质含硫量为5%。

次生有机硫：是在成煤时期形成的，在形成黄铁矿的同时分离出来的。

有机硫分与煤中有机质构成复杂的分子．不宜用一般重力分选的办法除去，需要采用化学方法进行脱硫。

(3)硫酸盐硫：硫酸盐硫主要以钙、铁和锰的硫酸盐形式存在，以石膏(CaSO4·2H2O)为主，含量比前两种硫少得多。

5.煤的成分表示法由于煤中水分和灰分受外界条件影响时其百分比随之发生改变，因此，要确切说明煤的特性，必须同时指明百分比的基准。

煤成分表示方法的常用基准有收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基。

(1)收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作为100％的成分，即锅炉燃料的实际成分可表示为：C ar + H ar + O ar + N ar + S ar + A ar + W ar =100%ar—收到基成份(2)空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分表示法。

C ad + H ad + O ad + N ad + S ad + A ad + W ad =100%ad—空气干燥基成份(3)干燥基：以去掉全部全部水分的燃料作为100％的成分表示法。

C d + H d + O d + N d + S d + A d =100%ad—干燥基成份(4)干燥无灰基：以去掉水分和挥发分的燃料作为100％的成分表示法。

C daf + H daf + O daf + N daf + S daf =100%daf—干燥无灰基成份干燥无灰基因为避免了水分和灰分的影响，故而比较稳定。

煤矿通常提供的煤质资料为干燥无灰基成分。

我国煤质分析见表2-2（P35）二、石油石油是液体燃料的主要来源，多种化合物的混合物，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。

这些化合物主要含碳和氢，还有少量的硫、氮、氧，含量因产地而异。

原油虽然是易燃物，但一般将原油加工为各种石油化工产品，通过蒸馏、裂化和重整过程，生产出各种汽油、溶剂、化学产品和燃料油。

燃料油的一个重要性质是其相对密度，为燃料没的化学组成和发热值提供了一种指示。

例如：当氢含量增加时，相对密度减少，发热量增加。

三、天然气天然气是典型的气体燃料，组成一般为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％，含碳更高的碳氢化合物也可能存在与天然气中；天然气还含有碳氢化合物以外的其他组分，如H2O、CO2、N2、He、H2S等。

天然气中的硫化氢具有腐蚀性，它的燃烧产物为硫的氧化物，因此对天然气中硫的含量有相关规定，超标需要脱硫。

四、非常规燃料除了煤、石油、天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之例，某些低级的化石燃料，如泥碳、焦油砂、油页岩等，也作为非常规燃料。

根据来源，非常规燃料可分为如下几类：(1)城市固体废弃物；(2)商业和工业固体废弃物；(3)农业废物及农村废物；(4)水生植物和水生废物；(5)污泥处理厂废物；(6)可燃性工业和采矿废物；(7)天然存在的含碳和含碳氢的资源；(8)合成燃料。

非常规燃料的重要性在于它能够在某些领域代替日益减少的化石燃料的供应，同时也是处理废物的有效方式，例如生活垃圾燃料。

它既能提供能源，又能处置废物，减轻对环境的压力。

城市垃圾衍生燃料制备方法见表2-3(P37)。

第二节燃料燃烧过程一、影响燃烧过程的主要因素1．燃烧过程及燃烧产物燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量(光和热)的释放，同时使燃料的组成元素转化为相应的氧化物。

多数化石燃料完全燃烧的产物是二氧化碳和水蒸气。

不完全燃烧过程将产生黑烟、一氧化碳和其它部分氧化产物等大气污染物。

例如当燃料中含有硫和氮时，则会生产SO2和NO，以污染物的形式存在于烟气中；此外，当燃烧室内温度较高时，空气中的部分氮也会被氧化成NO x，即热力型氮氧化物。

因此下面对燃料的燃烧过程作一介绍。

2．燃料完全燃烧的条件综上所述，要使燃料完全燃烧．必须具备如下条件。

(1)空气条件：很显然，燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气量。

如果空气供应不足，燃烧就不完全。

相反空气量过大，也会降低炉温．增加锅炉的排烟损失。

(2)温度条件：燃料只有达到着火温度．才能与氧化合而燃烧。

着火温度系在氧存在下可燃质开始燃烧所必须达到的最低温度。

各种燃料都具有自己特征的着火温度，按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺序依次上升。

(3)时间条件：燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素。

燃料在高温区的停留时间应超过燃烧所需时间。

因此，在所要求的燃烧反应速率下，停留时间将决定于燃烧室的大小和形状；反应速度随温度的升高而加快，所以在较高温度下燃烧所需要的时间较短。

(4)燃料与空气的混合程度：燃料和空气中氧的充分混合也是有效燃烧的基本条件。

二者需充分混合。

混合程度取决于空气的湍流度。

适当的控制这四个因素——空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必须的，评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真地考虑这些因素。

通常把温度、时间和湍流度称为燃烧过程的“三T ”。

二、燃烧的理论空气量1.理论空气量单位量燃料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。

它由燃料的组成决定，可由燃烧方程式计算求得。

建立化学方程式时通常假定：(1)空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79.1/20.9=3.78(2)燃料中的固定态氧可用于燃烧。

(3)燃料中的硫主要被氧化成SO 2.(4)热力型氮氧化物的生成量较小，燃料中含氮量也较低，在计算理论空气量时可以忽略。

(5)燃料中的氮在燃烧时转化为氮气和一氧化氮，一般以氮气为主。

(6)燃料的化学式为C x H y S z O w ,其中x 、y 、z 、w 分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。

由此得燃烧方程式：x y z w 222222C H S O +(x++z-)O +3.78(x++z-)42423.78(x++z-)242y w y w N xCO y y w H O zSO N Q →++++ 则理论空气量022.4 4.78()/(12 1.0083216)42107.1()/(12 1.0083216)42a y w V x z x y z w y w x z x y z w =⨯++-+++=++-+++ m 3/kg讲解例题2-1，2-2，2-3。