燃燒及煙氣擴(kuò)散-燃燒和需氧量（大氣污染控制）

§2.2燃料燃燒過(guò)程2.2.1影響燃燒過(guò)程的主要因素

影響燃燒過(guò)程的主要因素有：①適量的空氣；②足夠高的燃料溫度；③必要的燃燒時(shí)間；④燃料與氧氣的充分混合。通常把溫度（Temperature）、時(shí)間（Time）和湍流（Torrent）稱為“三T”因素。（1）適量的空氣2§2.2燃料燃燒過(guò)程（2）燃料的著火溫度

著火溫度是指在氧存在下可燃物質(zhì)開(kāi)始燃燒時(shí)所必須達(dá)到的最低溫度，只有達(dá)到著火溫度，燃料才能燃燒。燃料木炭無(wú)煙煤重油發(fā)生爐煤氣氫氣甲烷著火溫度(K)593～643713～773803～853973～1073853～873923～1023常見(jiàn)燃料的著火溫度§2.2燃料燃燒過(guò)程（3）燃燒的時(shí)間與空間因素

時(shí)間因素燃料在燃燒爐中停留時(shí)間的長(zhǎng)短。爐內(nèi)溫度高于著火溫度，溫度越高，燃盡的時(shí)間越短。

空間因素

燃燒室的大小與形狀。不同的爐型要選擇最適宜的燃燒溫度。溫度越高，燃盡時(shí)間越短，但是溫度過(guò)高NOX產(chǎn)量會(huì)增加?！?.2燃料燃燒過(guò)程

（4）燃料與空氣的混合

燃料和空氣中的氧的充分混合也是有效燃燒的基本條件。

若混合不充分，將導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)生?？杖急葴囟葧r(shí)間混合度“3T”因素？§2.3燃燒過(guò)程中主要污染物的形成機(jī)制2.3.1硫氧化物的形成機(jī)制

有機(jī)硫的燃燒：CH3CH2SCH2CH3

→H2S+H2+C+C2H4H2S+3O2

＝2SO2+2H2OSO2+1/2O2

＝SO3硫化物硫燃燒:

4FeS2

+11O2

＝2Fe2O3+8SO2SO2

+1/2O2

＝SO3元素硫燃燒：

S+O2

＝SO2SO2

+1/2O2

＝SO3750℃以下析出800℃以上析出800℃以上析出思考：怎么減少SO2產(chǎn)生？§2.3燃燒過(guò)程中主要污染物的形成機(jī)制2.3.2氮氧化物的形成機(jī)制（1）熱力型NOxN2+O2

＝2NO2NO+O2

＝2NO2實(shí)驗(yàn)證明：氧氣濃度相同情況下，NO的生產(chǎn)速度隨燃燒溫度升高而增加。降低燃燒溫度，減少過(guò)量空氣，縮短高溫區(qū)停留時(shí)間，可減少熱力性NOx生產(chǎn)。（2）燃料型NOx

燃料中的氮經(jīng)過(guò)燃燒約有20～70%轉(zhuǎn)化成燃料型NOx。

（3）火焰邊緣形成的NOx，產(chǎn)量少，一般不考慮思考：怎么減少NOX產(chǎn)生？§2.3燃燒過(guò)程中主要污染物的形成機(jī)制

2.3.3顆粒污染物的形成機(jī)制（1）燃煤粉塵的形成主要是沒(méi)有完全燃燒的多環(huán)化合物產(chǎn)生的黑煙、燃盡剩下的灰粒。鍋爐類型鏈條爐振動(dòng)爐排爐拋煤機(jī)爐煤粉爐流化床爐煙塵濃度/（g/m3）3-6.53-84-138-5020-80無(wú)煙煤焦炭褐煤低揮發(fā)分煙煤高揮發(fā)分煙煤產(chǎn)生黑煙由少到多（2）氣、液燃料燃燒形成的碳粒子

氣態(tài)燃料燃燒的顆粒污染物為積炭；液態(tài)燃料高溫分解形成顆粒污染物為結(jié)焦和煤胞。思考：怎么減少炭黑等顆粒物產(chǎn)生？最佳反應(yīng)溫度仔細(xì)觀察關(guān)系圖，能得出什么結(jié)論？燃料的種類按燃料的來(lái)源分天然燃料加工燃料按使用多少分常規(guī)燃料:煤、天然氣等非常規(guī)燃料：核燃料等按物態(tài)可分為固體燃料：煤、城市生活垃圾等液體燃料：石油、生物液體燃料等氣體燃料：天然氣、煤氣等§2.1燃料的種類2.1.1固體燃料

（1）天然固體燃料煤炭、石煤、泥炭、煤矸石、油頁(yè)巖和碳瀝青、

秸稈等（2）人工固體燃料焦炭、型煤、石油焦和木炭等（3）固體可燃廢物城市生活垃圾、醫(yī)療垃圾和城市污泥

（包括污水處理廠的污泥）等煤的三大類

名稱顏色含碳量揮發(fā)份其他褐煤黑色、褐色、泥土色60%-75%高氫氧20%-25%、熱值低、煙煤黑色見(jiàn)條紋75%-90%20%-45%水分和灰分不高無(wú)煙煤黑色光澤>93%少無(wú)機(jī)物<10%、含硫低、熱值高§2.1燃料的種類2.1.2液體燃料（1）石油及石油制品原油、汽油、煤油、柴油和燃料油（2）煤炭加工制取的燃料油煤焦油和煤液化油（3）生物液體燃料生物柴油和醇類燃料

§2.1燃料的種類2.1.3氣體燃料（1）天然氣體燃料天然氣、煤層氣（2）工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程副產(chǎn)氣體燃料冶金工藝過(guò)程副產(chǎn)煤氣、石油煉制過(guò)程副產(chǎn)煤氣（3）人造氣體燃料空氣煤氣、混合煤氣、沼氣等2.2.2固體燃料的燃燒方式和設(shè)備

煤的燃燒方式分為層燃、室燃和流態(tài)化燃燒。層燃的設(shè)備主要有各種爐排爐。室燃的設(shè)備主要有煤粉爐和旋風(fēng)爐。流態(tài)化燃燒的設(shè)備主要有沸騰爐和循環(huán)流化床鍋爐。鏈條爐示意圖鏈條爐一般適用于中等以上燃煤，在4000kcal/kg以上，尤其優(yōu)質(zhì)煤。（1）層燃設(shè)備燃料從一端進(jìn)入，隨著爐排移動(dòng)，與熱空氣相遇，依次干燥、預(yù)熱、燃燒、燃盡，灰渣落入另一端。§2.2燃料燃燒過(guò)程鏈條爐振動(dòng)爐排爐示意圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修費(fèi)用低，對(duì)燃料實(shí)用性廣等優(yōu)點(diǎn)，適用泥煤、褐煤、不黏煤、無(wú)煙煤等。燃燒溫度1024-1316℃?？諝馔ㄟ^(guò)爐排底部風(fēng)嘴通入，燃燒后灰排入淺坑。振動(dòng)爐排爐示意圖拋煤機(jī)爐排爐燃燒溫度1024-1316℃

通常適合高水分的褐煤、不粘結(jié)的煙煤、焦煤粉與高揮發(fā)分煤的混合燃料。煤連續(xù)投入爐內(nèi)燃料層上方的爐膛，煤粉以懸浮狀態(tài)燃燒，大顆粒則在染料層上層燃。§2.2燃料燃燒過(guò)程（2）室燃設(shè)備先將固體燃料磨成細(xì)粉，然后隨空氣一同流向爐膛內(nèi)呈懸浮狀態(tài)進(jìn)行燃燒，故又稱懸浮燃燒或室燃。

室燃方式的燃燒設(shè)備主要有煤粉爐和旋風(fēng)燃燒爐。圓柱形煤粉燃燒爐停留時(shí)間短，1-2S，燃燒溫度較高1538-1649℃，常用煙煤做燃料。先加入一次空氣與煤粉混合噴入爐中，用于揮發(fā)燃燒，后加入二次空氣使焦炭充分燃燒。

二次空氣有利于減少產(chǎn)生污染物。33旋風(fēng)燃燒爐示意圖占地小，飛灰少，投資小。適用煙煤、褐煤、貧煤和無(wú)煙煤。燃燒溫度高

但產(chǎn)生NOX較多§2.2燃料燃燒過(guò)程（3）流態(tài)化燃燒

用較高速度把氧化劑從下面吹入比較細(xì)的燃料粒子層中，當(dāng)鼓風(fēng)達(dá)到某一臨界速度時(shí)，粒子層的全部顆粒就失去了穩(wěn)定性，在燃料層中部的顆粒向上飄浮，而靠近爐壁的顆粒則向下降落，整個(gè)粒子層就如液體沸騰一樣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故又稱為沸騰式燃燒。流化床燃燒又分為鼓泡流化床燃燒和循環(huán)流化床燃燒。典型流化床鍋爐示意圖§2.2燃料燃燒過(guò)程2.2.3氣體燃料的燃燒方法（1）擴(kuò)散式燃燒指氣體燃料和空氣在燃燒器中不預(yù)先混合，而是送入燃燒室進(jìn)行邊混合邊燃燒。由于燃燒過(guò)程可見(jiàn)明顯的火焰，因此這種方式又稱為有焰燃燒方式。

優(yōu)點(diǎn)：燃燒操作范圍寬，回火危險(xiǎn)性小，且在利用低熱值煤氣和充分利用廢氣余熱、節(jié)約燃料等

缺點(diǎn)：燃燒強(qiáng)度小，多用在需要長(zhǎng)火焰的大型窯爐中。碳?xì)浠衔镌诟邷厝毖醯臈l件下，會(huì)形成較多的固體炭黑，從而造成環(huán)境污染?！?.2燃料燃燒過(guò)程（2）部分預(yù)混式燃燒（半無(wú)焰燃燒）

是將燃燒所需要的空氣分兩部分與氣體燃料相互混合燃燒，一部分空氣（一次空氣）在預(yù)熱室內(nèi)與氣體燃料混合；另一部分空氣（二次空氣）借助于混合后可燃?xì)獾膰娚渥饔茫瑪y入燃燒室進(jìn)行邊混合邊燃燒。

燃燒的溫度較高，火焰的長(zhǎng)度比有焰燃燒短，產(chǎn)生的炭黑量比有焰燃燒要少，對(duì)大氣的污染程度比有焰燃燒要輕。半無(wú)焰燃燒示意圖§2.2燃料燃燒過(guò)程（3）完全預(yù)混式燃燒（無(wú)焰燃燒）

是指氣體燃料和空氣在進(jìn)入燃燒室前就已混合均勻，故又稱為混合燃燒。燃燒時(shí)火焰很短，甚至觀察不到火焰。燃燒速度比有焰燃燒要快得多，氣體燃料中的碳?xì)浠衔飦?lái)不及形成游離炭黑就燃燒怠盡。由于高溫區(qū)比較集中，因此燃燒溫度比有焰燃燒要高，可以實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷燃燒。

無(wú)焰燃燒的最大缺點(diǎn)是易發(fā)生回火爆炸，因此要求預(yù)熱溫度不能太高，一般低于400℃?！?.2燃料燃燒過(guò)程2.2.4液體燃料的燃燒過(guò)程

液體燃料的燃燒方法可分為液面燃燒、燈芯燃燒、蒸發(fā)燃燒和噴霧燃燒。噴霧燃燒包括燃料的霧化、油霧粒子中可燃物的蒸發(fā)和擴(kuò)散、可燃?xì)怏w與空氣的混合以及可燃?xì)怏w氧化燃燒等。

§2.2燃料燃燒過(guò)程（1）燃料燃燒的空氣量①理論空氣量將完全燃燒1kg或1m3燃料理論所需的空氣量稱為理論空氣量，用符號(hào)A0表示（一般指體積）。理論空氣量的計(jì)算基于以下假定：煤中的碳和氫完全燃燒分別生成CO2和H2O；可燃性硫主要被氧化為SO2；燃燒過(guò)程中生成的NOx可以忽略不計(jì)；

0.79/0.21=3.761/0.21=4.76空氣中氮?dú)馀c氧氣之比為空氣與氧氣之比為重要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)g/molH1C12N14O16S32重要燃燒反應(yīng)1C+1O2=1CO24H+1O2=2H2O4122H2+1O2=2H2O2121S+1O2=1SO2n物質(zhì)的量molV氣體體積Lm

質(zhì)量g÷M×M×22.4÷22.4m=n×MV=n×22.4

標(biāo)況下氣體的摩爾體積22.4L/mol

【例題2-1】

：完全燃燒1kg的碳，請(qǐng)計(jì)算需要消耗多少氧氣，理論空氣量A0以及會(huì)產(chǎn)生多少CO2？（1）列出燃燒的化學(xué)反應(yīng)式C+O2=CO2111根據(jù)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12可知，1kg碳的摩爾數(shù)N（C）=1000/12=83.3mol因此需要消耗氧氣量V(O2)=22.4×N(O2)=22.4×83.3=1865.9L（2）對(duì)應(yīng)空氣的摩爾數(shù)為N(空氣)=4.76×N(O2)=396.5mol理論空氣量A0=22.4×396.5=8881.6L=8.88m3（3）產(chǎn)生CO2的量N(CO2)=1×N(C)=83.3molV(CO2)=22.4×N(CO2)=22.4×83.3=1865.9L=1.87m3

求空氣量思路：

1假設(shè)燃料質(zhì)量,1000g，求摩爾量；

2根據(jù)C/H/S燃燒化學(xué)式，求需要O2摩爾量

3求出需要O2對(duì)應(yīng)的空氣摩爾量，4.76；

4求出對(duì)應(yīng)的空氣體積，22.4L/mol；

5空氣量=A0×實(shí)際的燃料質(zhì)量【練習(xí)】燃燒1kg純凈的H2，請(qǐng)計(jì)算理論上需要消耗多少氧氣，對(duì)應(yīng)的空氣量以及會(huì)產(chǎn)生多少H2O？§2.2燃料燃燒過(guò)程【例2-2】某一燃燒裝置用重油作燃料，其燃用油成分如下：C：88.3%，H：9.5%，S：1.6%,H2O：0.5%，灰份：0.10%。試求燃燒1kg重油所需的理論空氣量。(C12H1S32;空氣的摩爾體積22.4L/mol)

解：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式：C+O2=CO2111

4H+O2=2H2O12S+O2=SO2111§2.2燃料燃燒過(guò)程則1kg重油中所含可燃組分的量及所需要的理論空氣量列于下表:可燃成分名稱質(zhì)量/g物質(zhì)的量/（mol）理論需氧氣量/(mol)C88373.5873.58H959523.75S160.50.5H2O50.280灰分100合計(jì)1000169.0897.83所需氧氣量：n（O2）=73.58+23.75+0.5=97.83mol所需要的理論空氣物質(zhì)的量在為：n(空氣)=4.76×n(O2)

=465.67

mol則理論空氣量：A0=V(空氣)=465.67×22.4×10-3=10.43m3/kg燃燒1kg重油所需理論空氣量為10.43m3/kg。§2.2燃料燃燒過(guò)程②空燃比空燃比(AF)是指單位質(zhì)量燃料燃燒所需要空氣的質(zhì)量?？捎扇紵匠讨苯忧蟮?。

AF=空氣質(zhì)量/燃料質(zhì)量§2.2燃料燃燒過(guò)程【例2-3】某一燃燒裝置用重油作燃料，其燃用油成分如下：C：88.3%，H：9.5%，S：1.6%,H2O：0.5%，灰份：0.10%。試求空燃比。解:由【例2-1】可知,燃燒1kg重油所需要理論O2的物質(zhì)的量為

n(O2)=97.83mol

空氣的物質(zhì)的量為n(空氣)=4.76×n(O2)=465.7mol

理論空氣的質(zhì)量m(空氣)=29×n(空氣)=13504g于是空燃比為:

求空燃比思路：

1假設(shè)燃料質(zhì)量

2根據(jù)C/H/S燃燒化學(xué)式求出O2摩爾量

3求出O2對(duì)應(yīng)的空氣摩爾量

4求出對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量

5AF=空氣質(zhì)量/假設(shè)的燃料質(zhì)量計(jì)算辛烷（C8H18）在理論空氣量條件下燃燒時(shí)的空燃比（AF），并確定燃燒產(chǎn)生煙氣的組成。練習(xí)空燃比計(jì)算§2.4潔凈燃燒技術(shù)潔凈燃燒技術(shù)主要是通過(guò)潔凈煤技術(shù)減少二氧化硫排放和通過(guò)改變?nèi)紵绞浇档偷趸锏纳闪?。潔凈煤技術(shù)（CleanCoalTechnology）一詞源于80年代的美國(guó)，也稱清潔煤技術(shù)，是指煤炭開(kāi)發(fā)和加工利用過(guò)程中，旨在減少環(huán)境污染和提高煤炭利