第二章 燃烧与大气污染

第二章燃烧与大气污染

烟尘、SO2、NOx、等主要是因燃烧而引起的。本章主要介绍燃料燃烧过程中的基本原理、污染物的生成机理以及如何控制燃烧过程，减少污染物的排放。

§2-1. 燃料的性质

燃料指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。

燃料的分类：（1）常规燃料：如煤（coal）、patrolum、天然气等。

（2）非常规燃料

按其物理状态分为：（1）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固

定炭以固态燃烧（扩散控制）。

（2）液体燃料：有蒸发过程控制（气态形式燃烧）。

(3)气态燃料：有扩散或混合控制。

燃料的性质影响大气污染物的排放。

一、煤：是一种复杂的物质聚集体。主要可燃成分是C、H及少量O2、N2、S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种类、产地不同而异。

１．分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。

a.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、泥土色，象木材结构。

特点：①挥发分较高，析出温度低；②燃烧热值低，不能制炭。

干燥后：C含量60—75%，O2含量20—25%。

b.烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。

挥发分20—45%，C 75—90%。成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。

c.无烟煤：碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。C含量>93%, 无机物量<10%, 着火难，不易自燃，成焦性差。

２．煤的组成

煤的组成测定方法分为工业分析；元素分析两大类。

a.工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。

元素分析：用化学法测定去除掉外部水分的主要组分。C、H2、N2、S、O2等。

３．煤中硫的形态

有机硫（C x H y S z）

煤中含硫硫化物硫（FeS2）

无机硫无机硫（S）

硫酸盐硫（MeSO4）

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，其它能燃烧放出热量。我们所说的污染物SOx只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4，而一般给我们的含硫量是指总硫量。应注意。

a.硫化铁硫：是主要的含硫成分，主要代表黄铁矿硫。

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.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。

c.石油：石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动液体。比重0.78—1.00

主要含C、H2、少量的S、N2、O2，此外，含有微量金属（钒、镍）、砷、铅、氯等，10ppm左右。

原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，其含硫量变化范围较大，一般为0.1—7%。原油通过蒸馏、裂化和重态过程生产出各种产品。原油中的S约有80—90%留于重硫分中。硫以复杂的环状结构存在，而需去除的仅是硫原子，故不能用物理方法分离硫化物。采用高压下的催化加氢破坏C—S—C键形成H2S气体，可达目的，但费用很高。

三、天然气

一般组成CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。

§2-2 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

燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化

成相应的氧化物。

多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和其它部分氧化产物等。

若燃料中含S、N会生成SO2和NOx，燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。

Fuel NOx(燃料型NOx)——燃料中的N)

NOx的生成量

Thermal NOx(热型NOx)——高温时空气中

2．燃料完全燃烧的条件

燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充分混合。

（1）空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。

（2）温度条件：只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。

着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度。各种燃烧的着火温度见表2-3 。P348.

（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料燃烧所需时间。

（4）燃烧与空气的混合条件：

燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件。在大气污染物排放量最低条件实现有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度、时间、湍流度。(三T)

3．发热量及热损失

①发热量

单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下（常温298K,101325Pa）的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg。

（固体）KJ/m3(气体)。发热量有高位、低位之分。

高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Q h

低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量。

可用氧弹式量热计测定，也可用经验公式计算。

根据煤的工业分析数据计算。

煤的发热量

注意：煤中H 有两种形态①可燃氢(参

根据燃料的关 加燃烧)、自由氢。②结合氢（与O 2） 系分析数据计算 自由氢与C 、S 结合

需应用基来表明组成 注：干燥基（上标d ）

可燃基（上标b ）应用基（上标a ）

设省煤器、空气预热器可降温，供应防止温度过低而受酸蚀。一般工业锅炉160—200℃；大中工业锅炉120—180℃。

② 热损失。

排烟热损失：热损失为6—12%：

不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。 散热损失：由设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。 ４． 燃烧产生的污染物

硫的SOx ：随温度变化不大，主要是煤中S 。 粉尘：随温度的增高、不变、降低而变化。

CO 及HC 化合物烟：随温度的增高、不变、降低而变化。 NOx ：随温度的增高、不变、降低而变化。 二、

燃料燃烧的理论空气量

1．理论空气量（0a V ） 所需要的氧一般从空气中获得。

单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。 理论空气量（1）可由燃烧反应方程式获得 （2）经验公式（由热值） 固体燃料 5.0418701.10+⨯=Q

V a 液体燃料 24187

85.00+⨯

=Q

V a 气体燃料 3

131/12561/12561m

KJ Q m KJ Q >≤

25

.04187

07.14187

875.000-⨯=⨯=Q

V Q V a

a

建立燃烧化学方程式时，假定：