第三章 有害气体的燃烧净化

（二）混合气体的燃烧与爆炸
燃烧与爆炸的区别
• （三）爆炸极限浓度范围 可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧 气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成 预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范 围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。 • 爆炸与燃烧的区别只是在产生的压力和传播速 度的不同，对大多数可燃气体而言，在某一点 着火后，会迅速传播开来，在有控制的条件下 就形成火焰，维持着燃烧。在一个有限空间内， 可燃气体迅速蔓延并无法控制的情况下，则形 成气体爆炸。一般将燃烧的浓度范围视为爆炸 的极限浓度。
直接燃烧法
热力燃烧法
（1）利用催化剂使可燃的有害气体在较低温度下
催化燃烧法
进行氧化分解
（2）立式和卧式催化燃烧炉，炉中设有催化剂床 层和预热燃烧器（ 300-450 ℃）
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
燃烧是可燃物跟助燃物（氧化剂）发生的一种发光发热的剧烈的氧化反应. 燃烧的必要条件是可燃物、助燃剂、着火能源三者缺一不可。 燃烧的充分条件是： 1、可燃物与助燃物达到一定比例 2、助燃物达到一定浓度 （空气中氧气浓度低于14%，在常压下不起燃） 3、超过最小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。
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
的 历 年 程 西 如 里 下 和 鲍 曼 提 出 甲 烷 燃 烧 反 应 : 1970
• 一、配焰式燃烧系统 图为配焰式燃烧器系统，其工艺特点是：燃烧器 将火焰配布成为许多布点成线的小火焰，废气从 火焰周围流过去，迅速达到湍流混合。因此可以 看出，该种燃烧有火焰分散、混合程度高、燃烧 净化效率高等特点。
这种系统都不适用 以下情况： 1、当废气贫氧； 2、废气中含有易沉积的 油焦或颗粒物； 3、辅助燃料为油料时； 4、有增加熄火趋势，要 注意解决。
• 圆形截面时： • 式中 Q标——总体积流量； • D当——当量直径； • D——直径； • A——截面积。
第三节 热力燃烧炉
• 下图为热力燃烧典型的工业装置。从图中可以看 出，一个热力燃烧装置主要由两部分组成：燃烧 器，其作用是燃烧辅助燃料以产生高温燃气；燃 烧室，其作用是保证废气和高温燃气充分混合并 反应的空间。针对不同的要求和火焰燃烧的情况， 燃烧器和燃烧室有各种不同的结构。
• 从以上的这个历程中可以看出，由于火焰的存在，使得自 由基大量产生，所产生的自由基加速了废气中可燃组分的 销毁速度。在以上的这些自由基中，O H 是一个很重要的 自由基，它主要靠水分在火焰中解离而产生。在热力燃烧 的过程中，CO O2 CO2 O 的速度往往很慢，但如在混合 气体中存在着OH，则其反应为 CO O H CO H 2 • 的速度远远大于前一个反应，从而使得对人体危害严重的 CO很快销毁了。
• 热力燃烧是指把废气温度提高到可燃气态污染 物的温度，使其进行完全氧化分解的过程。由 于废气中含有的可燃气态污染物浓度较低，需 要燃烧辅助燃料提高废气的温度。 • 热力燃烧一般用于处理废气中含可燃组分浓度 较低的情况。 • 热力燃烧过程包括： • ①辅助燃料燃烧以提供热量； • ②废气与高温燃气混合达到反应温度； • ③保持废气在反映温度下有足够的停留时间已使 其中的可燃气态污染物氧化分解
• 注： • “三T”条件之间具有内在联系，改变其一 其他两个都可以得到改变。 • 延长驻留时间会使设备体积增大。 • 提高反应温度会使辅助燃料的消耗增加。 • 最经济的方法是改善湍流混合的情况。
第三节 热力燃烧炉
• 1 结构组成 • 燃烧器：燃烧辅助燃料以产生高温燃气 • 燃烧室：保证废气和高温燃气充分混合并 反应的空间 • 热量回收与排烟装置： • 工艺流程图：
热力燃烧法 （条件）
催化燃烧法 （条件、催化剂）
有害气体的燃烧净化的特点
（1）有害废气当作燃料直接烧掉 （2）有害废气中可燃组分含量高3347．2kJ／m3 （3）可燃组分浓度低的有害气体 （1）可燃的有害气体的浓度提高到反应温度 （2）可燃有机质含量较低的废气的净化处理，热
值在37．656～753．12kJ／m3 （3）配焰燃烧炉和离焰燃烧炉（540-820℃）
配焰式燃烧系统（分类、优缺点、设计问题？）
典型热力燃烧系统
离焰式燃烧系统（分类、优缺点、设计问题？）
• • • •
典型热力燃烧系统 （1）配焰式燃烧系统 工艺特点： 燃烧器将火焰配布成为许多布点成线的小火焰， 废气从火焰周围流过，迅速达到湍流混合。 • 优点：火焰分散，混合程度高、净化效率高等特 点。 • 缺点：但是当废气贫氧，废气中含有易沉积的油 焦或颗粒物。 • 不适用于辅助燃料为油料的情况。
• （二）设计问题 • 为了适应配焰燃烧器的结构原理，解决旁 通废气混合的问题，需要考虑燃烧器的安 装方位、燃烧室截面积和挡板等问题。
• 爆炸极限的表示 • 爆炸极限的单位气体 • 爆炸极限的单位气体或蒸气的爆炸极限的 单位，是以在混合物中所占体积的百分比 (％)来表示的，如氢与空气混合物的爆炸极 限为4％～75％。 可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积 的质量比g／m3来表示的，例如铝粉的爆炸 极限为40g／m3。
（四）火焰传播理论
第三章 有害气体的燃烧净化
1、有哪些有害物质可以用燃烧 法来处理？ 2、燃烧法有几种？其条件和设 备分别是什么？
燃烧法 冷凝法 吸附法
气体的净化 静电除雾法
催化转化法
机械分离法
吸收法
二氧化硫、氟化氢、氯氧化物、汞蒸气、铅烟、苯、 沥青烟、硫酸雾、铬酸雾、氯气、一氧化碳等
有害气体的燃烧净化
直接燃烧法 (条件、设备）
• 配焰式燃烧器 • 分类：根据燃烧结构的不同，该种形式的 燃烧器分为：火焰成线式燃烧器、多烧嘴 式燃烧器、隔栅式燃烧器。
• 各种形式燃烧器 的特点 • 火焰成线式：辅 助燃料气从下部 管子引入，作为 助燃气体的废气 从V形板侧面的小 孔引入，旁通废 气从V形板与侧挡 板间的缝隙引入。
• 多烧嘴式：辅助 燃料从从后面引 入，废气分为两 路，助燃气体和 旁通气体的量通 过调节d的大小 来控制。 助燃 效果好，与火焰 成线式相比，不 易熄火，但是湍 流混合效果 不 够理想。解决办 法：增设挡板。
上 限 ： 只 着 不 炸
下 限 ： 不 着 不 炸
• 注:
(1) 可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分 别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限 和着火上限。 (2) 在低于爆炸下限时不爆炸也不着火；在高于爆炸上限不 会发生爆炸，但会着火。 (3) 这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用， 阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能 蔓延的缘故。 (4) 当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大 的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例)。
• 1．反应温度对热力燃烧的影响 • 这里所指的反应温度并不是反应可以进行的温 度，而是反应速度可达到要求时的温度。换句话 讲，就是在一定的区域内，可燃组分的销毁达到 设计要求所需要的温度。这就要求反应的速度足 够快。提高温度，反应就会加速。例如，一个充 分混合的系统在982．2℃时也许能在0．3s内完成 某一反应过程，而在704．4℃时，则可能要3s时 间才能完成同一反应。
温度和时间对可燃组分氧化速率的影响
• 3．湍流混合对于热力燃烧的影响 任何一种化学反应，反应能够发生的前提条件是 反应的分子间首先要发生碰撞。不能发生碰撞的 分子之间自然不会发生反应。湍流混合的目的， 实际上就是要增大可燃组分的分子与氧分子或自 由基的碰撞机会，使其处于分子接触的水平，以 保证所要求的销毁率。否则，即使有足够的反应 温度和驻留时间，但由于没有足够的碰撞机会， 照样不会达到预期的销毁率。
第二节 热力燃烧的原理
• （一）热力燃烧的机理 • 热力燃烧过程中，一般认为，只有燃烧室 的温度维持在760－820度，驻留时间为 0.5s时，有机物的燃烧才能比较完全。 • 达到上述温度范围的途径：依靠火焰传播 过程来实现的。
• 注： • （1）产生火焰不是目的，而是利用燃烧辅助 燃料所产生的火焰提高混合气体的温度，将废 气中的可燃组分氧化或者销毁。 • （2）热力燃烧中废气的用途：一是作为辅助 燃料燃烧时的助燃气体；一是作为高温燃气混 合的旁通废气，混合后的气体温度要达到能使 可燃组分销毁的温度。 • （3）利用废气燃烧时放出的热量。
• 在热力燃烧过程中，一般认为，只有燃烧室的温度维持在 760～820℃，驻留时间为0．5s时，有机物的燃烧才能比 较完全。而达到这个温度范围是依靠火焰传播过程来实现 的。火焰传播的理论分为两大类。 • 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。 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。
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3）热力燃烧机理 三个步骤： （1）辅助燃料的燃烧——提高热量 （2）废气与高温燃气的燃烧——达到反应温 度 • （3）废气中可燃组分氧化反应——保证废气 于反应温度时所需要的驻留时间
（二）热力燃烧的条件
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4）热力燃烧的“三T”条件 含义： 反应温度——Reaction Temperature 驻留时间——Residential Time 湍流混合——Turbulence Mix
• 隔栅式：辅助 燃料从底部分 配管引入，废 气从下部引入。 • 湍流混合度比 较好。适用于 废气量比较稳 定的情况。
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设计问题 配焰式燃烧室 燃烧器的安装位置 燃烧器应安装在断面流速尽可能分布均匀的 端处，而不要放置在涡流地带 • 燃烧室内设挡板的问题 • 燃烧室截面积
• (2)燃烧室截面积 为保证足够的湍流程度，应满足： • 矩形截面时：
• 注: (1)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； (2)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。 例如：丙烷气体在空气当中很容易燃烧，但在氧和氮各占12 ％和88％的气体中，丙烷燃烧非常困难。 (3)混合气体中可燃组分的浓度与火焰能否传播有着紧密的 联系。浓度过低，燃烧过程不能实现；浓度过高时，由于 没有足够的氧而使得废气不能在正常的着火温度下产生燃 烧反应，因而火焰也得不到传播。 (4)人们将这种能够维持火焰传播的浓度范围称为爆炸极限。 使用燃烧法处理各种有机废气的过程中，爆炸极限的范围 是至关重要的。
• 如果废气含有足够的氧，应用一部分废气助燃辅 助燃料，以降低辅助燃料的消耗。 • 在供氧充分的情况下反应温度、停留时间和湍流 混合等三个要素，即温度（Temperature）、时 间（Time）、湍流（Turbulent）的“三T”条件， 为热力燃烧完全的必要条件。 • 热力燃烧可用于净化各种可燃气体。能否燃烧完 全的必要条件，热力燃烧可用于净化各种可燃气 体。能否充分回收余热，往往决定该法的实用价 值。
• 2．驻留时间对热力燃烧的影响 • 任何化学反应(燃烧也是一种化学反应)都要 经历一定的时间，可燃组分的销毁也是一样。尽 管反应绝不会达到100％的完全程度，但如果反应 时间充分，那么不完全反应程度是微不足道的。 这个时间是指反应物以某种形式进行混合后在一 定温度下所维持的时间。就燃烧反应时间而言， 其变化范围在小于1／10s至几秒之间，因反应温 度和反应物混合程度而异。从图可以看出，当反 应温度为648．9℃时，驻留时间为0．001s，销毁 率为10％；驻留时间0．1s时，销毁率一下子上升 到88％。由此可见，驻留时间对热力燃烧的效果 影响很大。