3第二章 燃烧与大气污染-第二讲

2. 燃煤烟尘的形成
• 燃烧碳层中成分和温度分析
2. 燃煤烟尘的形成
• 高灰分燃料的扩散燃烧
燃烧速率方程假设： 灰层边界氧气浓度等于烟气 中氧气浓度，燃料表面氧气 浓度接近于0.
2. 燃煤烟尘的形成
• 灰分中含有Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn等污染元素
2. 燃煤烟尘的形成
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——煤质
2. CO的形成
2. CO的形成
3. Hg的形成与排放
• Hg对人的肾和神经系统有危害
日本水俣病
• 煤炭燃烧是Hg的一大来源
• 煤中Hg的析出率与燃烧条件有关
• 燃烧温度>900oC时，析出率>90％
• 还原性气氛的析出率低于氧化性气氛
燃煤中Hg的排放路径：气态+飞灰携带 排放形态：二价汞、颗粒结合态汞和单质汞
SO3 max k1SO2 M
k2
• 在富燃料条件下，[O]浓度低得多，SO3的去除反应主要为反应 （3）， SO3的最大浓度：
SO3 max k1SO2 M O k3 H
2. SO2和SO3之间的转化
• 燃烧后烟气中的水蒸气可能与SO3结合生成H2SO4，转化率:
x 100PH SO /(PSO PH SO )
2 4 3 2 4
%
• 转化率与温度密切相关 • H2SO4浓度越高，酸露点越高
• 烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀
2. SO2和SO3之间的转化
SO2排放因子举例-from AP-42
第五节
–
燃烧过程中颗粒物的形成
1.碳粒子的生成
积炭的生成
1. 2. 3. 核化过程：气相脱氢反应并产生凝聚相固体碳 核表面上发生非均质反应 较为缓慢的聚团或凝聚过程
• 乙炔火焰中生碳反应过程
影响积碳生成的主要因素
•
燃料的分子结构是影响积炭的主导因素：碳氢
比，不饱和度，支链或直链等
•
• •
积炭的生成与火焰的结构有关
提高氧气量可以防止积炭生成 压力越低则积炭的生成趋势越小
O H 2 S SO H 2
第一阶段 第二阶段 第三阶段
SO O2 SO2 O O H 2 S OH SH H 2 O OH H H O2 OH O OH H 2 H 2O H
链分支反应
• CS2和COS的氧化: CS2易燃，COS可燃性较差，是CS2火焰中的中间体。
碳氢化合物的产生量与燃料组成密切相关 燃料中高分子碳氢化合物浓度与POM排放水平具有相关性 燃料与空气的充分混合可降低有机物的含量，但不利于
NOx的控制
同时减少CH和NOx的排放需要仔细控制混合的型式、温度 水平和整个系统的停留时间
当前大气污染控制工程中的关键难题： 氮氧化物与CH、CO等的矛盾
含有较大比例烯烃和芳香烃的燃料易形成有机污染排放。 – 形成历程
1.
2. 3. 4. 5.
链烃分子氧化脱氢形成乙烯和乙炔。
延长乙炔的链形成各种不饱和基。 不饱和基进一步脱氢形成聚乙炔。 不饱和基通过环化反应形成C6－C2型芳香族化合物。 C6－C2基逐步合成为多环有机物。
燃烧过程中有机污染物生成的影响因素
2. 燃煤烟尘的形成
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素
煤质 燃烧方式
烟气流速
炉排和炉膛的热负荷 锅炉运行负荷 锅炉结构
2. 燃煤烟尘的形成
• 燃煤颗粒大小对飞灰含量的影响
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——燃烧方式
燃烧方式 手烧炉
占燃料中灰分的质量分数% 15~20
第四节
燃烧过程中硫氧化物的形成
有机硫的分解温度较低：700~800K H2S、COS 无机硫的分解速度较慢： 小于800K时FeS、S2、H2S 大于1700K时分解为Fe、S2和COS
含硫燃料燃烧的特征是火焰呈浅蓝色，由于反应：
O SO SO2 hv
• H2S的氧化：萨克简（Sachzan）等研究认为分三个阶段直接氧化、生成OH和生成水
2. 燃煤烟尘的形成
烟煤燃烧图
2. 燃煤烟尘的形成
• 烟尘：固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括：
黑烟：未燃尽的碳粒
飞灰：不可燃矿物质微粒,是灰分的一部分，含有大量污染 元素
• 煤粉燃烧过程
– 碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应
灰层
外扩散 碳层
2. 燃煤烟尘的形成 • 煤粉燃烧过程
链条炉 抛煤机炉（机械风动）
沸腾炉 煤粉炉
15~20 24~40
40~60 75~85
手烧炉
链条炉
抛煤机炉
沸腾炉
煤粉炉
2. 燃煤烟尘的形成
• 几种燃烧方式的烟尘颗粒概况
2. 燃煤烟尘的形成
• 影响烟煤烟气中飞灰排放特征的因素——热负荷
第六节
燃烧过程中其他污染物的形成
1.有机污染物的形成
产生的SO3通过下述反应消耗：
（ 2） （ 3） （ 4）
• 在炽热反应区 ，[O] 浓度很高，反应（1）和（2）起支配作用
2. SO2和SO3之间的转化
• SO3生成速率
d SO3 k1 SO2 O M k 2 SO3 O dt • 当d[SO3] /dt = 0 时，SO3浓度达到最大
Hg排放控制是燃煤污 染控制的新课题之一。
随堂习题
煤炭的成分分析结果（质量分数）如下： H:5.0%; C:75.8%; N:1.5%; S:1.6%; O:7.4%; 灰分:8.7% 燃烧条件为空气过量20%，空气的湿度为
0.0116mol(H2O)/mol(干空气)，并假定完全燃烧，
试计算烟气的组成。
RCH 2S RH RCH 2SH R
硫醇的氧化反应为
RSH O 2 RS HO 2 RS O 2 R SO 2
最后生成烃基和SO2
2. SO2和SO3之间的转化
• 反应方程式 低浓度的SO3通过下述反应产生：
• SO2 + O + M SO3 + M • SO3 + O SO2 + O2 • SO3 + H SO2 + OH • SO3 + M SO2 + O + M （ 1）
1. 碳粒子的生成
• 石油焦和煤胞的生成
燃料油滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相 裂化和高温分解，出现结焦。 多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，难以燃烧。 焦粒生成反应的顺序：烷烃 烯烃 带支链芳烃 凝聚环
系
沥青
半园体沥青
沥青焦
焦炭 。
wenku.baidu.com
石油焦的工业用途和使用现状：
煤胞电镜图片
理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟
C m H n O 2 2CO
n H 2 (m 2 ) Cs 2
在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟
出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤
灰发分烟煤，烟煤最易出现黑烟
焦炭
褐煤
低挥发分烟煤 高
碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关
S8 S 7 S S O2 SO O
反应生成物来自如下反应：
S8 O SO S S 6
* SO O SO2 SO2 hv
纯硫氧化的最大特点： SO O2 SO2 O SO3占SOx百分比较高， SO2 O2 SO3 O 达20%，烟气总体此 比例只有约5%。 SO2 O M SO3 M
• 有机硫化物的氧化
燃料中的有机硫可能以硫醇、硫化物或二硫化物形式存在，燃
烧产物主要是SO2。
二硫化物氧化初始步骤：
RCH 2SSCH 2R O 2 RCH 2S S CHR HO 2
接着发生基的分解：
RCH 2S S CHR RCH 2S RCHS
通过氢的取代生成硫醇
链反应
COS hv CO S S O2 SO O O COS CO SO SO O2 SO2 O
COS
火 焰 中 的 反 应
• 元素S的氧化
硫化物火焰中的元素硫有两种形态：原子态或二聚硫。 低温下纯硫蒸发时，这些蒸汽分子是聚合的，分子式为S8。 谢苗诺夫提出的纯硫氧化链分支反应：
CS2链起始反应
CS 2 O2 CS SOO CS O2 CO SO SO O2 SO2 O O CS 2 CS SO CS O SO S O CS 2 COS S S O2 SO O
COS火焰中存在两个区域，一 区是生成CO和SO2，二区是CO 转化为CO2。链反应从COS的 光解开始诱发。