第三章有害气体的燃烧净化

Y=64/22.4×10=28.5 mg/m3
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根据完全燃烧反应所需的氧原子数估算有机物的爆炸下限和上限，其经验公 式如下。
式中：L下——可燃性混合物爆炸下限，％； L上——可燃性混合物爆炸上限，％； N——每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数； M——可燃气体的摩尔质量，g／mol；Vt——可燃气体摩尔体积，L／mol。
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燃烧的充分条件： 但是，并不是上述三个条件同时存在，就一定会发生燃烧现象，还必须这三个因素相 互作用才能发生燃烧。 1、可燃物与助燃物达到一定的比例； 2、助燃物达到达到一定的浓度； 3、超过最小的点火能或超过一定强度的升温明火源； 4、满足了燃烧所需要的燃烧诱导期。 （二）混合气体的燃烧与爆炸 爆炸是大量能量在瞬间以对外做功的形式迅速释放，物系状态发生突变。表现为气体 的迅速膨胀。
为50mm的爆炸管或球形爆炸容器。 5．点火源的影响
当点火源的活化能量越大，加热面积越大，作用时间越长，爆炸极限范围 也越大。一般情况下，爆炸极限均在较高的点火能量下测得，如测甲烷与空气 混合气体的爆炸极限时，用10J以上的点火能量，其爆炸极限为5％～15％。但 当点火能源高到一定程度时，爆炸极限会趋于一个稳定值，不再变宽。
2燃烧净化法燃烧或分解的最终产物是无毒无害的物质；
3.燃烧净化法不能获得原物质的回收； 4.在燃烧净化中可以回收燃烧氧化过程中的热量。
工业上燃烧净化法广泛用于处理有机溶剂蒸气、碳氢化合物及恶臭气体的
净化处理，这些物质在燃烧过程中被氧化成二氧化碳和水蒸气，同时回收 燃烧过程中的热量。
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第3章
第一节 第二节 第三节
有害气体的燃烧净化
概述 热力燃烧原理 热力燃烧炉
第四节
第五节
催化燃烧原理
催化燃烧装臵
第六节
安全措施
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第一节
概述
将有毒有害气体、蒸气和烟尘用燃烧的方法进行消除，称为燃烧净化技术。
燃烧净化具有以下三个持点： 1.燃烧净化法适用于对可燃物质或在高温下可进行分解的物质的处理；
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4．爆炸容器对爆炸极限的影响 爆炸容器的材料和尺寸对爆炸极限有影响，若容器材料的传热性好，管径 越细，火焰在其中越难传播，爆炸极限范围变小。当容器直径或火焰通道小到 某一数值时，火焰就不能传播下去，这一直径称为临界直径或最大灭火间距。
如甲烷的临界直径为0.4～0.5mm，氢和乙炔为0.1～0.2 mm.目前一般采用直径
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（2）热力燃烧
1）定义：利用辅助燃料燃烧放出的热量将混合气体加热到要求的温度，使 可燃有害组分在高温下分解成无害物，以达到净化的目的 2）燃烧过程 ①附加燃料首先和部分废气混合并进行燃烧，产生高温气体 ②大部分废气则与附加燃料燃烧生成的高温气休混合，并使其达到反应温度 ③可燃污染物在高温下与氧反应，转化成非污染物后排放。 4）热力燃烧的特点 ①需要进行预热，温度范围控制在540-820度，可以烧掉废气中的炭粒，气 态污染物最终被氧化分解为C02、H2O等。 ②燃烧状态时在较高温度下停留一定时间的有焰燃烧 ③适用于各种气体的燃烧，能除去有机物及超细颗粒物 ④结构简单，占用空间小，维修费用低
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第二节 热力燃烧原理
一、有关燃烧的几个概念 （一）燃烧与热力燃烧 燃烧反应必须具有如下3个特征： (1) 是一个剧烈的氧化还原反应； (2) 放出大量的热； (3) 发出光。
燃烧的必要条件：
即可燃物：凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧化学反应的物质称为可燃物。可燃物按其 物理化学反应状态分为气体可燃物、液体可燃物和固体可燃物三种类别。 氧化剂：帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反应的物质称为氧化剂。燃烧过 程中的氧化剂主要是空气中游离的氧，另外如氟、氯等也可以作为燃烧反应的氧化剂。 温度（引火源）：是指供给可燃物与氧或助燃剂发生燃烧反应能量来源。常见的是热能，其 它还有化学能、电能、机械能等转变的热能。
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3．惰性气体含量 爆炸性混合气体中加入惰性气体，如氮、氧、水蒸气、二氧化碳、四氯化碳 等，可以使可燃气分子和氧分子隔离，在它们之间形成一层不燃烧的屏障。 这层屏障可以吸收能量，使游离基消失，链锁反应中断，阻止火焰蔓延到 其他可燃气分子上去，抑制燃烧进行，起到防火和灭火的作用。 混合气体中增加惰性气体含量，会使爆炸上限显著降低，爆炸范围缩小。惰 性气体增到一定浓度时，可使爆炸范围为零，混合物不再燃烧。惰性气体 含量对上限的影响较之对下限的影响更为显著的原因，是因为在爆炸上限 时，混合气中缺氧使可燃气不能完全燃烧，若增加惰性气体含量，会使氧 量更加不足，燃烧更不完全，由此导致爆炸上限急剧下降。
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为了保证生产过程的安全性，应用燃烧净化技术时，应尽量避开爆炸极限浓 度范围。 若生产过程中有多种物质与空气混合时，其爆炸极限可计算。
100 A混 = a b c ...... Aa Ab Ac
A混：几种蒸汽与空气混合后的爆炸极限 Aa、Ab、Ac：每种组分的爆炸极限% A、b、c各组分在几种蒸汽混合物中的含量%
M M 103 C Y C 22 .4 22.4 103
Y-有害气体的质量浓度，mg/m3 M-有害气体的摩尔质量，g/mol C-有害气体的体积分数，Ml/m3
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[例1-1]
在标准状态下,10 mg/m3?
ML/m3的二氧化硫相当于多少
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6、火焰的传播方向(点火位置) 当从下部点火，火焰垂直由下向上传播时，爆炸下限值最小，上限值最大； 当从上部点火，火焰垂直由上向下传播时，爆炸下限值最大，上限值最小； 火焰水平传播时，爆炸上下限值介于前两者之间。 7、含氧量 当混合气中含氧量增加时，爆炸极限范围变宽。 增加氧含量使爆炸上限显著增加，但对爆炸下限影响不大，由于空气中含氧 量为21%（体积百分数），处于空气中爆炸的下限时，其组分中氧含量已很高， 也就是说处在下限浓度时，氧气对燃气是过量的。增加氧含量对爆炸下限影 响不大。
1）爆炸的特征：
① 爆炸过程进行得很快；② 爆炸点附近瞬间压力急剧上升；③ 发出声响； ④ 周围建筑物或装臵发生震动或遭到破坏。
2）爆炸的破坏形式: ① 直接的爆炸破坏：对周围设备、建筑和人的直接作用，它直接造成机械设备、 装臵、容器和建筑的毁坏和人员伤亡；② 冲击波的破坏；③ 造成火灾。
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各种可燃气体和燃性液体蒸气的爆炸极限，可用专门仪器测定出来，或用经验公 式估算。爆炸极限的估算值与实验值一般有些出入，其原因是在计算式中只考虑 到混合物的组成，而无法考虑其他一系列因素的影响，但仍不失去参考价值。
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[例4] 试求乙烷在空气中的爆炸浓度下限和上限。
写出乙烷的燃烧反应式： 2C2H6十7O2 = 4CO2十6H2O
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爆炸分类 爆炸可分为：物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三大类。 1、物理爆炸 物理爆炸是物理过程，只发生物态变化，不发生化学反应。如锅炉爆炸、轮 胎爆炸等。 2、化学爆炸 化学爆炸是化学过程，爆炸前后物质的化学组成及化学性质都发生了变化。
化学爆炸可分为分解爆炸（简单分解爆炸：不一定有燃烧发生；复杂分解爆 炸：有燃烧发生）和爆炸性混合物爆炸（爆炸混合物至少由两种组分组成）
两类。
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（三）爆炸极限浓度范围 可燃性气体或蒸汽预先按一定比例与空气的混合物，称为爆炸性混合气体。 当混合物中可燃气体的含量接近化学当量时，燃烧最快或最剧烈。 可燃性气体、蒸气的爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的所占体 积分数来表示；可燃粉尘的爆炸极限是以在混合物中的质量浓度(g／m3) 来表示。 可燃性气体的体积分数及质量浓度比在20℃时的换算公式如下：
（四）火焰传播理论
1.热传播理论
这类理论认为：火焰传播是依靠燃烧时所放出的热量加热周围的气体，使其达 到燃烧所需要的温度而实现的。即火焰正常传播是依靠气体分子热运动的导热 方式将热量从高温的燃烧区(即火焰前沿)传给与火焰临近的低温未燃气体燃料， 使未燃的新鲜气体燃料的温度提高到着火温度而燃烧，燃烧的火焰就会一层层 地传播到整个容器 因此，能否实现火焰传播主要与三个方面的因素有关：①混合气体中的含 氧量；②混合气体中含有可燃组分的浓度；③辅助燃料燃烧过程中所放出的热 量。当燃烧过程中放出的热量不足以使周围的气体达到燃烧所需要的温度，火 焰自然不能向外传播；当助燃废气中的含氧量不足，燃烧过程难以进行，火焰 也不能传播出去。 2.自由基连锁反应理论 该种理论认为：在燃烧室中，火焰之所以能够进行很快的氧化反应，就是因为 火焰中存在着大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不饱和价的自由原子 或原子团，极易同其他的原子或自由基发生连续的连锁反应，而使得火焰得以 传播。
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1．初始温度 混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加，导致爆炸范围扩大， 即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了混合物的爆炸危险性。 2．初始压力 增加混合气体的初始压力，通常会使上限显著提高，爆炸范围扩大。增加压 力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合气在较低的着火温度下能够发 生燃烧。原因在于，处在高压下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分 子间传热和发生化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失却显著减 少。压力对甲烷爆炸极限的影响。在已知的气体中，只有CO的爆炸范围是 随压力增加而变窄的。 混合气在减压的情况下，爆炸范围会随之减小。压力降到某一数值，上限与 下限重合，这一压力称为临界压力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸 的危险。在一些化工生产中，对爆炸危险性大的物料的生产、贮运往往采 用在临界压力以下的条件进行，如环氧乙烷的生产和贮运。
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例如：一天然气组成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、 丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）求爆炸下限。
Am=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.369
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用爆炸上限与下限浓度之差与爆炸下限浓度之比值表示其危险度H，即： H = (L上—L下)/ L下 或 H = (Y上—Y下)/ Y下 例如，甲烷气体的危险度为： H 甲烷 = (L甲烷上—L甲烷下)/ L甲烷下 =（15－4.9）/4.9 = 2.06 H 乙炔 = (L乙炔上—L乙炔下)/ L乙炔下 =（80－2.55）/2.55 = 30.37 H值越大，表示可燃性混合物的爆炸极限范围越宽，其爆炸危险性越 大。 爆炸极限浓度范围取决于有毒有害物质的种类、混合气体成分、温度、压力、 燃点等因素，另外，其燃烧过程在一定程度上还取决于容器的形状和混合 气体的流速等因素。
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（3）催化燃烧 利用催化剂使废弃中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化方法。 在催化剂的作用下，加快污染物质的燃烧速度。 1）流程 ①预处理：除去粉尘、液滴及有害组分，避免催化床层的堵塞和催化剂中毒； ②预热：进入催化床层的气体必须，达到起燃温度 ③回收利用：催化放出大量的热，燃烧尾气温度高，对这部分热量必须加以回收利用 2）特点 ①需预热，温度控制在200-400度，为无火焰燃烧，安全性好 ②燃烧温度低，辅助燃料消耗少 ③对可燃性组分的浓度和热值限制较少，但组分中不能含有尘粒、雾滴和易使催化剂中 毒的气体 ④催化剂费用高
（1）直接燃烧（直接火焰燃烧） ①概念：把废气中可燃的有害组分当作燃料直接燃烧，从而达到净化的目的。 只适用于可燃有害组分浓度较高或燃烧热值较高的气体。即废气中的可燃物质 浓度较高，燃烧产生的热量足以维持燃烧过程连续进行时采用 ②特点： A 不需要预热 B 燃烧状态是在高温下滞留短时间的有火焰燃烧，能回收热能 C 适用于净化可燃组分浓度较高或燃烧热值较高的气体