第二章燃烧与大气污染全解

第二节 燃料燃烧过程
一、影响燃烧过程的主要因素
二、燃料燃烧的理论空气量 三、燃烧产生的污染物
四、热化学关系式
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 & 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
2、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
三、天然气

是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷 85 ％、 乙烷10％、丙烷3％；含碳更高的碳氢化合物也可
能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外
的其它组分，如H20、CO2、N2 He和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。
四、非常规燃料
根据来源、非常规燃料可分为如下几类：
什么是洗中煤？（P35）
一般炼焦用煤、化工用煤、出口用煤及某些特殊用 煤的原煤，都要预先送选煤厂洗选。在重力选煤过
程中的中间产物称洗中煤。经过洗选后的精煤，其
灰分、硫分都大大降低。洗中煤是选煤厂选出的灰 分高于精煤而低于煤矸石的产品。
我国洗中煤的挥发分Vdaf约在25-40范围内，水
分Mar根据脱水程度而异，一般在10-15，灰分
二、石油
液体燃料的主要来源，比重0.78至1.00之间。
主要是链烷烃、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、氮和
它们的含量因产地而异。
氧，
原油还含有微量金属，钒和镍，也会受到氯、砷和铅的 污染。这些微量金属和污染物质通常的体积分数为 10*10-6左右。
原油虽然是易燃的、但出于安全和经济的考虑，一般将
煤矿井下常见的自然灾害有顶板、水、火、 瓦斯和煤尘五种，简称“五害”，工作的核心
仍然是防治瓦斯、煤尘事故。
瓦斯是矿井在开采过程中，从煤岩体内涌 出的有害气体的总称，其主要成分是甲烷 （CH4），俗称沼气，它是一种无色、无味、 无臭的气体，而且具有燃烧性和爆炸性，对安
全生产危害最大。
瓦斯爆炸必须同时具备三个条件：一是瓦斯浓
[2]灰分
灰分是煤中不可燃矿物物质的总称。其含量和组
成因煤种和粗加工的不同而异。我国煤炭的平均
灰分为25%。灰分的存在降低了煤的热值，增加 了烟尘污染和出渣量。高灰分、低熔点的煤极易 结渣，使煤不能充分燃烧，从而影响热效率。 以氧化物形式表示。
[3]挥发分：
系干馏时（与空气隔绝的条件下加热分解）所 释放出的可燃气体物质，通过将风干的煤样在 1200K的炉中加热7min而测定。 挥发分主要有氢气、碳氢化合物、一氧化碳和 少量的硫化氢等组成。
际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数
α。
Va 0 Va
பைடு நூலகம்
3、空燃比 (AF)： 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。 它可以由燃烧方程式直接求得。 例如：甲烷在理论空气量下的完全燃烧：
第二章 燃烧与大气污染
第一节 燃料的性质
第二节 燃料燃烧过程
第三节 烟气体积与污染物排放量的计算
第四节 燃烧过程硫氧化物的形成
第五节 燃烧过程中颗粒污染物的形成
第六节 燃烧过程中其他污染物的形成
第一节 燃烧的性质

燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，
且在经济上可行的物质。

主要燃料是煤、石油和天然气等常规燃料， 以及统称为非常规燃料的多种其它燃料。
7500kcal/kg。
(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。碳的含量 一般高于 93 ％，无机物含量低于 10 ％，成焦
性极差。适于民用、冶金、建材、气化。
2、煤组成-工业分析
测定煤组成的方法分工业分析和元素分析 两大类。 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。
(4)热力型NOx的生成量较小, 燃料中合氮量也较
低，算理论空气量即可以忽略； 为主。 (5)燃料的氮在燃烧时转化为N2和NO,一般以N2 (6) 燃烧的化学式为 CXHySZOW ，其中下标 x 、 y 、 z ,w别代表碳、氢、硫和氧的原子数。
燃料完全燃烧的化学反应方程式：
C X H Y S Z OW ( x y w y w z )O2 3.78( x z ) N 2 4 2 4 2 y y w xCO2 H 2 O zSO2 3.78( x z ) N 2 Q 2 4 2
原油加工为各种石油化学产品。
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。
原油中的硫大部分以有机硫的形式存在、形成非碳
氢化合物的巨大分子团重馏分。重馏中含硫化合物 的量可能占到全部质量的一半以上。高压下的催化 加氢，以破坏 C-S-C 键 , 形成硫化氢气体，可以达 到降低硫的目的、但费用很高。
(1)城市固体废弃物；
(2)商业和工业固体废弃物； (3)农产物及农村废物； (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。
重要性：能提供能源，又能处置废物 , 减轻对
环境的压力。 非常规燃料的燃烧：常常产生较常规燃料更 严重的空气污染和水体污染，应引起特殊 的注意。
入矿石中的岩石（废石）。俗称矸子。煤层中
间的薄岩层叫夹石或夹心矸子。在煤的开采中， 大于50毫米的矸石量占全部煤产量的百分率称 为含矸率。矸石常是煤的灰分增加的重要原因 。 所以在生产过程中应积极采取措施，减少矸石
的混入，降低含矸率，提高原煤质量。
煤矸石是一种沉积岩，是在煤层形成的时 候就同期形成的，大多数是石灰岩，由于长 期受煤层浸润扩散，也有比较低的含碳量， 颜色呈黑灰色，煤矸石单独燃烧很困难，可 以制成粉末状配合好煤在煤粉炉中燃烧利用， 也可以在特殊设计的沸腾炉中当作燃料，粉 煤灰可以当作建材原料。
通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的三”T”。
二、燃料燃烧的理论空气量
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。
建立燃烧化学方程式的假定：
(1)空气仅由氮和氧的组成的，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为S02；
度在5%-16%范围内；二是具有一定温度的
高温热源；三是氧浓度，一般在12%以上。
爆炸的危害：主要表现在两个方面；一是产生 高温高压导致人员伤亡，破坏矿井设备；二是 产生CO等有害气体，这是造成人员伤害的主要 原因。
煤尘是煤矿生产中的另一大危害。其危害主要 有两个方面：一方面是引起职业病——煤肺病
[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318323K（45-50℃）温度下于燥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（WW）。
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(102-107℃) 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Wn。两部分 水分之和即为煤所含的全水分。
热值为3000-4000kcal/kg
最低品位的煤，形成年代最短 挥发分大于40%，适于烧锅炉、气化。
(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，挥发分含量为20-45％，碳含量为75-90％。
烟煤的成焦性较强 , 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 , 热值为 4200-
燃料分类
按获得方法
天然燃料 按物态分 固体燃料 木柴、煤等 木炭、焦炭等 汽油、煤油、柴油、 重油 高炉煤气、转炉煤 气、焦炉煤气 人工燃料
液体燃料
气体燃料
石油
天然气
一、煤

是最重要的固体燃料，能源结构中占80%以
上，它是一种不均匀的有机燃料，主要是植
物的部分分解和变质形成的。煤中的有机成 分和无机成分因煤的产地和种类不同有较大 的差别。 煤的可燃成分 : 主要是由碳、氢及少量氧、氮
3、煤组成-元素分折
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二氧化碳和 水生成量而测定的。

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。

测定硫的含量，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，
和硫等一起构成的有机聚合物。
煤的不可燃成分：灰份、水分
1、煤的分类
煤是由古代的生物特别是植物在地层内部经过长
时间碳化衍变形成，并且碳化年代越老，煤质越
好，含碳量越高。
最常用的是基于沉积年代的分类法。 分为： (1)褐煤 (2)烟煤 (3)无烟煤
(1)褐煤：
褐煤是由泥煤形成的初始煤化物，形成年代最 短。呈黑色、褐色、或泥土色，其结构类似木 材。
(4)干燥无灰基：
以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分。
干燥无灰基用角码daf表示,即:
Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf =100% 意义：干燥无灰基成分因为避免了水分和灰分的影响 , 比较稳定。煤矿提供的煤质资料为干燥无灰基。 煤质分析结果见表2-2p34 煤的成分表示方法及组成相互关系见图2-3 p34
Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Wad=100%
意义：在试验室内进行燃料分析时的试样成分，
以角码ad表示。
(3)干燥基： 以去掉全部水分的燃料作为100%的成分，以角码d
表示，即
Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad =100%
意义：灰分含量常用干燥基成分表示，因为排除了
水分的影响，干燥基能确切的反应出灰分的多少。
理论空气量
Va0 y w 22 .4 4.78( x z ) 4 2 12 x 1.008 y 32 z 16 w
P40 例2-1
一般：
煤的理论空气量Va0＝4-9m3／kg， 液体燃料的Va0=10-11m3／kg
2、空气过剩系数 为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。 把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量。实
再以重量法测定硫酸钡沉淀而决定的。
4、煤的成分表示法
由于煤中水分和灰分受外界条件的影响 ,其百分比也随
之改变。煤的特性必须指明百分比的基准。
(1)收到基
(2)空气干燥基
(3)干燥基 (4)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，亦即锅炉燃烧的实际成分。 表示为:
和煤矽肺；另一方面是煤尘能爆炸。
煤尘爆炸同样必须具备三个条件：一是煤尘具 有爆炸性，二是空气中浮游煤尘具有一定的浓 度，三是存在能点燃煤尘的引火源。
煤的含硫量Sar大于3%的煤称为高硫煤 主要为无机硫，约为有机硫的3倍。 含硫量小于1%的是低硫煤 主要为有机硫，约为无机硫的8倍 含硫量1~3%的为中硫煤
Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+War=100%
意义：角码ar表示收到基成分 ,表示的实际燃料 ,所以在
进行燃料计算和热效应实验时 ,以它为准。但由于煤的
外部水分不稳定,收到基的百分成分也随之波动,利用收 到基评价煤的性质是不准确的。
(2)空气干燥基：
以去掉外部水分的燃料作为100%的成分
Aar则较高，一般为30-40，有的高达50。由于
送选的原煤质量都较好，故洗中煤的发热量多为 中等水平，一般Qnet,ar=16000-21000kJ/kg。
洗中煤由于灰分高，结渣的倾向较大。大多数为
电站锅炉所燃用。因此，洗中煤在动力燃料中占 有相当重要的地位。
矸石
采矿过程中，从井下或露天矿采场采出的或混
在相同的热值下，煤中挥发分越高，就越容易 着火，火焰越长，燃烧越完全。但挥发分越高， 容易造成炉膛内没有充足的空间、时间，使氧 气与逸出的挥发分充分混合，这时所分解的大 量碳粒子与烟气形成浓烟从烟囱冒出。
[4] 固定碳
从煤中扣除水分、灰分和挥发分后剩下的部
分就是固定碳，是煤的主要可燃物质。煤中 的碳不是以单质状态存在的，而是与氢、氮、 硫、氧等组成有机化合物。