第二章 燃烧与大气污染

1 kg煤需要的理论氧气量 为： 煤需要的理论氧气量a为 煤需要的理论氧气量 a=x+y/4+z-w/2=64.3+13+0.812-1.845=76.27 mol
若以单位质量燃料(1kg )需要空气的标准体积Va0 表示理论空气量， 则有 Va0 = 76.27 × (1 + 3.78)mol × 22.4 ×10 −3 m 3 /mol 1kg
= 8.17m 3 /kg
2、空气过剩系数
实际的燃烧装置中， 条件不可能达到理想化的程度， 实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想化的程度， 因此为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。 因此为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。一般把超 过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量， 过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空 气量V 与理论空气量V 之比定义为空气过剩系数α 气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数α，即
y w y w +z− ) (x + + z − ) 4 2 = 107.1 4 2 Va0 = 12 x + 1.008 y + 32 z + 16w 12 x + 1.008 y + 32 z + 16w 22.4 × 4.78(x +
一般煤的理论空气量Va0＝4－9m3/kg，液体燃料的Va0=10-11m3/kg
第二节 燃料燃烧过程
燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程， 燃烧是指可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量 光和热）的释放， （光和热）的释放，同时使燃料的组成元素转化成为 相应的氧化物。 相应的氧化物。 一、燃烧过程及其主要影响因素 1、燃烧过程及燃烧产物 完全燃烧：CO2、H2O 完全燃烧： 不完全燃烧： 不完全燃烧： CO2、H2O & CO、黑烟及其他部分 、 氧化产物 如果燃料中含有S和 ，则会生成SO 如果燃料中含有 和N，则会生成 2和NO 空气中的部分N可能被氧化成 －热力型NOx 空气中的部分 可能被氧化成NO－热力型 可能被氧化成
４、煤中硫的形态
我国煤炭资源中， 我国煤炭资源中，硫的平 均质量分数为1.11％ 均质量分数为1.11％ 1.11
S
二、其他燃料
石油 液体燃料的主要来源 链烷烃、 链烷烃、环烷烃和芳烃等多种化合物组成的混合物 主要含碳和氢，还有少量硫、 主要含碳和氢，还有少量硫、氮和氧 氢含量增加时，比重减少， 氢含量增加时，比重减少，发热量增加 原油中硫的含量变化范围较大，一般为0 原油中硫的含量变化范围较大，一般为0.1％～7％。 天然气 典型的气体燃料 一般组成为甲烷85 85％ 乙烷10 10％ 丙烷3 一般组成为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％ 天然气中的H 天然气中的H2S具有腐蚀性
破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层， 破坏燃烧产物在燃料表面形成的边界层，从而提高表 面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。 面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。
通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“ 通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”
二、燃料燃烧的理论空气量 1、理论空气量
单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需空气量称为理 论空气量，由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。 燃烧方程式计算求得 论空气量，由燃料的组成决定，可根据燃烧方程式计算求得。 建立燃烧方程式的假定： 建立燃烧方程式的假定： 空气组成 20.9%O2和79.1%N2，体积比为：N2/ O2 = 3.78 体积比为： 燃料中固定氧可用于燃烧 燃料中硫主要被氧化为 SO2 不考虑NOX的生成 不考虑 燃料中的N在燃烧时转化为 在燃烧时转化为N 燃料中的 在燃烧时转化为 2 燃料的化学式为CxHySzOw 燃料的化学式为
燃烧方程式： 燃烧方程式：
y w y w C x H yS z O w + x + + z − O2 + 3.78 x + + z − N 2 4 2 4 2 y y w → xCO2 + H 2O + zSO2 + 3.78 x + + z − N 2 + Q 2 4 2
灰分： 灰分： 煤中不可燃物质的总称。 降低煤的发热量。 煤中不可燃物质的总称。①降低煤的发热量。 ② 增加 烟尘污染。 灰分结渣， 容易造成不完全燃烧， 烟尘污染 。 ③ 灰分结渣 ， 容易造成不完全燃烧 ， 给设 备的维护和操作带来困难。 备的维护和操作带来困难。
固定碳： 固定碳： 从煤中扣除水分、 从煤中扣除水分、灰分以及挥发分后剩余的部分为固定 固定碳是煤中主要的可燃物质。 碳。固定碳是煤中主要的可燃物质。我国煤炭的平均灰 分含量为25 25％ 分含量为25％
第二章 燃烧与大气污染
本章主要内容
主要的大气污染物：烟尘、NOx和 主要的大气污染物：烟尘、NOx和 SO2源于燃料燃烧 燃料燃烧过程的基本原理； 燃料燃烧过程的基本原理； 污染物的生成机理； 污染物的生成机理； 如何控制燃烧过程， 如何控制燃烧过程，以便减少污染物 的排放量。 的排放量。
第一节 燃料的性质
典型锅炉热损失与过剩空气量的关系
时间条件（Time） 时间条件（Time）：燃料在高温区停留时间应超过燃料 燃烧所需时间 燃料与空气的混合条件（Turbulence） 燃料与空气的混合条件（Turbulence）：混合条件即燃 料与空气的混合程度，一般取决于空气的湍流度。 料与空气的混合程度，一般取决于空气的湍流度。若混 合不充分，部分燃料在富燃条件下燃烧， 合不充分，部分燃料在富燃条件下燃烧，将导致不完全 燃烧产物的产生。对于固体燃料的燃烧 ， 湍流有助于 燃烧产物的产生 。 对于固体燃料的燃烧，
２、煤的工业分析
测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。 估测硫含量和 水分 热量，是评价工业用煤的主要指标。 热量，是评价工业用煤的主要指标。 水分： 水分： • 一定重量 13mm 以下粒度的煤样 ， 在干燥箱内 318 ～ 一定重量13mm以下粒度的煤样 在干燥箱内318 13mm 以下粒度的煤样， 318～ 323K温度下干燥8小时，取出冷却， 323K温度下干燥8小时，取出冷却，称重 ⇒ 外部水 分 • 将失去外部水分的煤样保持在 375 ～ 380K 下 ， 约 2h 将失去外部水分的煤样保持在375 380K 375～ 后，称重 ⇒ 内部水分 挥发分： 挥发分： • 失去水分的试样密封在坩埚内 ， 放在 1200K 的马弗炉 失去水分的试样密封在坩埚内，放在1200 1200K 中加热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重， 中加热7分钟，放入干燥箱中冷却至常温再称重，质量 差为挥发分。 差为挥发分。
一、煤
煤是最重要的固体燃料。 煤是最重要的固体燃料。它是由地质时代植物遗体堆积 在大陆湖盆、沼泽盆地、封闭海湾等地方， 在大陆湖盆、沼泽盆地、封闭海湾等地方，经过复杂的 生物化学和物理化学作用转化而成的固体可燃矿产。 生物化学和物理化学作用转化而成的固体可燃矿产。
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1、煤的基本分类
由植物变成煤的过程通常可分为四个阶段， 由植物变成煤的过程通常可分为四个阶段，根据煤化 程度的不同，可分为褐煤、烟煤和无烟煤等。 程度的不同，可分为褐煤、烟煤和无烟煤等。
２、燃料完全燃烧的条件（3T） 燃料完全燃烧的条件（ 空气条件：需要充足的空气；如果空气供应不足， 空气条件：需要充足的空气；如果空气供应不足， 燃烧就不安全。但是空气量过大，会降低炉温， 燃烧就不安全。但是空气量过大，会降低炉温，增 加热损失 温度条件（ Temperature） 燃料只有达到着火温 温度条件 （ Temperature ） ： 燃料只有达到 着火温 度才能与氧化合燃烧。着火温度是在氧存在下可燃 才能与氧化合燃烧。 物质开始燃烧所必须达到的最低温度。着火温度： 物质开始燃烧所必须达到的最低温度。着火温度： 固体<液体< 固体<液体<气体
燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质， 燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质，主要是 含碳物质或碳氢化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、 含碳物质或碳氢化合物，如煤、焦炭、木柴、石油、 天然气、发生炉煤气等。 天然气、发生炉煤气等。 一、燃料的分类
按获得方法分 按物态分 固体燃料 液体燃料 气体燃料 天然燃料 木柴、煤、油页岩 木柴、 石油 天然气 人工燃料 木炭、焦炭、煤粉等 木炭、焦炭、 汽油、煤油、柴油、 汽油、煤油、柴油、 重油 高炉煤气、 高炉煤气、发生炉煤 气、焦炉煤气
非常规燃料
城市固体废弃物； 城市固体废弃物； 商业和工业固体废弃物； 商业和工业固体废弃物； 农业废物及农村废物； 农业废物及农村废物； 水生植物和水生废物； 水生植物和水生废物； 污泥处理厂废物； 污泥处理厂废物； 可燃性工业和采矿废物； 可燃性工业和采矿废物； 天然存在的含碳的和含量碳氢的资源； 天然存在的含碳的和含量碳氢的资源； 合成燃料
mf m a 114 114 = = 12.5(32 + 3.78 × 28) 1723 = 0.0662 s
气体组成通常以摩尔百分比表示，它不随气体温度和压力变化。 气体组成通常以摩尔百分比表示，它不随气体温度和压力变化。 燃烧产物的总摩尔数为8 47.25＝64.25，因此烟气组成为： 燃烧产物的总摩尔数为8＋9＋47.25＝64.25，因此烟气组成为：
解：首先确定煤的摩尔组成。设有1000g煤。 首先确定煤的摩尔组成。设有1000g煤
g/1000g(煤 g/1000g(煤) C H N S O 灰分 772 52 12 26 59 79 ÷12＝ 12＝ ÷ 1＝ ÷14 ÷32 ÷16 mol/1000g(煤) 需氧量 mol/1000g(煤 mol/1000g(煤 mol/1000g(煤) 64.3 52 0. 857 0. 812 3.69 64.3 13 0 0. 812 -1.845 0
例2-1 计算辛烷(C8H18)在理论空气量条件下燃烧时的燃 计算辛烷(C 空气质量比，并确定燃烧产物气体的组成。 料/空气质量比，并确定燃烧产物气体的组成。
C8 H18 + 12.5(O 2 + 3.78N 2 ) → 8CO 2 + 9H 2 O + 47.25N 2
燃烧1mol辛烷需要 辛烷需要12.5×4.78＝59.75mol空气。辛烷的摩尔质量为 空气。 燃烧 辛烷需要 × ＝ 空气 114，于是理论空气量下燃烧时燃料 空气的质量比为： 空气的质量比为： ，于是理论空气量下燃烧时燃料/空气的质量比为
xCO2=8/64.25=0.125=12.5% xH2O=9/64.25=0.140=14.0% xN2=47.25/64.25=0.735=73.5%
例2-2 假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%， 假定煤的化学组成以质量计为：C:77.2%，H:5.2%， N:1.2％，S:2.6%，O:5.9%，灰分:7.9% N:1.2％，S:2.6%，O:5.9%，灰分:7.9%。试计算这种煤燃 ％，S:2.6% :7.9%。 烧时的理论空气量。 烧时的理论空气量。
燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w (kg/kmol)
理论需氧量
y w 22.422.4× x + + z − /(12 x + 1.008 y + 32 z + 16 w ) m 3 /kg × 4.78 4 2
于是， 于是，理论空气量
y w 22.4 × 4.78 x + + z − /(12 x + 1.008 y + 32 z + 16 w) m3/kg 4 2
３、煤的元素分析
用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分 硫和氧的含量 的含量。 碳、氢、氮、硫和氧的含量。 碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO 碳和氢：通过燃烧后分析尾气中CO2和H2O的生成量测定 在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收， 氮：在催化剂作用下使煤中的氮转化为氨，碱液吸收， 滴定 与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应， 硫：与氧化镁和无水硫酸钠混合物反应，S 定 SO42-，滴