第二章燃燒與大氣污染(1)學習要求：了解常見民用及工業燃料的組成和性質；

掌握氣態、液態和固態燃料的燃燒過程，學會分析影響燃燒過程的因素；

學會計算燃燒過程產生的煙氣量和污染物濃度；

掌握顆粒物、硫氧化物和氮氧化物的產生機理，理解通過改變燃燒條件減少污染物生成的途徑。第二章燃燒與大氣污染(1)學習要求：1主要內容：1.燃料的性質2.燃料的燃燒過程3.煙氣體積計算4.燃燒過程中硫氧化物的形成5.燃燒過程中顆粒污染物的形成6.燃燒過程中其他污染物的形成主要內容：1.燃料的性質2第一節燃料的性質1.

燃料的分類定義：燃料是指在燃燒過程中，能夠放出熱量，且在經濟上可以取得效益的物質。第一節燃料的性質1.

燃料的分類3

按物理狀態分氣體、液體和固體燃料三大類。氣體燃料的優點是燃燒迅速，其燃燒狀態可基本上由空氣與燃料的擴散或混合所控制。液體燃料也是以氣態形式燃燒，因此它的燃燒速度受其蒸發過程控制。固體燃料的燃燒則受這兩種現象的控制：燃料中揮發性組分被蒸餾后以氣態燃燒，而遺留下來的固定碳則以固態燃燒，后者的速率由氧向固體表面的擴散控制。按物理狀態分氣體、液體和固體燃料三大類。氣體燃料的優42.

燃料的化學組成碳、氫、氧、氮、硫、水份、灰份液體和氣體燃料的組成：2.燃料的化學組成碳、氫、氧、氮、硫、水份、灰份5固體燃料的組成：固體燃料的組成：62.

燃料的化學組成液態燃料的揮發（以汽油為例）2.燃料的化學組成液態燃料的揮發（以汽油為例）73.

燃料組成對燃燒的影響碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒時，放出32，860kJ的熱量。當不完全燃燒生成CO時，放出9，268kJ的熱量。純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰也短。煤中的碳不是單質狀態存在，而是與氫、氮、硫等組成有機化合物。煤形成的地質年代越長，其揮發性成分含量越少，而含碳量則相對增加。例如，無煙煤含碳量約90%~98%，一般煤的含碳量約50%~95%。氫：是燃料中發熱量最高的元素。固體燃料中氫的含量為2%~10%，以碳氫化合物的形式存在，1kg氫完全燃燒時能放出120，500kJ的熱量。

3.燃料組成對燃燒的影響碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒83.

燃料組成對燃燒的影響氧：氧在燃料中與碳和氫生成化合物，降低了燃料的發熱量氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5%~1.5%硫：以三種形態存在：有機硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱之為揮發硫。硫燃燒生成產物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。3.燃料組成對燃燒的影響93.

燃料組成對燃燒的影響水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內部水分）組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內部水分要放在干燥箱中加熱到102~105C，保持2h后才能除掉。灰分：是燃料中不可燃礦物質，為燃料中有害成分。3.燃料組成對燃燒的影響104.煤的分類和組成

煤的基本分類褐煤（Ligite,Browncoal)最低品味的煤，形成年代最短，熱值較低煙煤(Bituminous)形成年代較褐煤長，碳含量75%~90％。成焦性較強，適宜工業一般應用無煙煤(Anthracite)煤化時間最長，含碳量最高（高于93％），成焦性差,發熱量大4.煤的分類和組成煤的基本分類114.煤的分類和組成

煤的詳細分類4.煤的分類和組成煤的詳細分類124.煤的分類和組成

煤的成分分析工業分析（proximateanalysis）測定煤中水分、揮發分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱值，是評價工業用煤的主要指標。元素分析（ultimateanalysis）用化學分析的方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。4.煤的分類和組成煤的成分分析134.煤的分類和組成煤的工業分析水分：一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內318～323K溫度下干燥8h，取出冷卻，稱重外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375～380K下，約2h后，稱重內部水分揮發分：失去水分的試樣密封在坩堝內，放在1200K的馬弗爐中加熱7min，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重4.煤的分類和組成煤的工業分析144.煤的分類和組成煤的工業分析（續）固定碳失去水分和揮發分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的環境中灼燒到重量不再變化時，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳灰分：從煤中扣除水分、灰分以及揮發分后剩余的部分為固定碳4.煤的分類和組成煤的工業分析（續）154.煤的分類和組成煤中灰分的組成：我國煤炭的平均灰分含量為25％灰分的存在降低了煤的熱值，也增加了煙塵污染和出渣量4.煤的分類和組成煤中灰分的組成：164.煤的分類和組成煤的元素分析碳和氫：通過燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測定氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉化為氨，堿液吸收，滴定硫：與氧化鎂和無水硫酸鈉混合物反應，SSO42-，滴定4.煤的分類和組成煤的元素分析174.煤的分類和組成煤中硫的形態4.煤的分類和組成煤中硫的形態184.煤的分類和組成煤的成分的表示方法

要確切說明煤的特性，必須同時指明百分比的基準，常用的基準有以下四種：收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分的燃料作為100%的成分空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實驗室內進行燃料分析時的試樣成分

4.煤的分類和組成煤的成分的表示方法194.煤的分類和組成干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分4.煤的分類和組成204.煤的分類和組成煤的成分的表示方法及其組成的相互關系

4.煤的分類和組成煤的成分的表示方法及其組成的相互關系214.煤的分類和組成我國部分煤種的分析結果

4.煤的分類和組成我國部分煤種的分析結果224.煤的分類和組成我國部分煤種的分析結果(續）

4.煤的分類和組成我國部分煤種的分析結果(續）235.其他燃料

石油液體燃料的主要來源鏈烷烴、環烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧氫含量增加時，比重減少，發熱量增加天然氣典型的氣體燃料一般組成為甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％5.其他燃料石油245.其他燃料

非常規燃料城市固體廢棄物商業和工業固體廢棄物農產物和農村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業和采礦廢物天然存在的含碳和含碳氫的資源合成燃料

非常規燃料通常需要專門技術轉化為易于利用的形式城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問題5.其他燃料非常規燃料256.燃料組成的表示方法:CxHySzOwNv

Sample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/mol(碳)C77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

6.燃料組成的表示方法:CxHySzOwNvSampl26燃料的最重要的兩個屬性熱值決定燃料的消耗量雜質污染物產生的來源燃料的最重要的兩個屬性熱值27第二節燃料燃燒過程

燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨著能量（光和熱）的釋放，同時使燃料的組成元素轉化為相應的氧化物。1.影響燃燒過程的主要因素燃燒過程及燃燒產物

完全燃燒：CO2、H2O不完全燃燒：CO2、H2O&CO、黑煙及其他部分氧化產物如果燃料中含有S和N，則會生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx第二節燃料燃燒過程燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，281.影響燃燒過程的主要因素燃料完全燃燒的條件（三T）空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過大，會降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達到燃料的著火溫度時間條件（Time）：燃料在高溫區停留時間應超過燃料燃燒所需時間燃料與空氣的混合條件（Turbulence湍流）：燃料與氧充分混合，混合程度取決于空氣的湍流度把溫度、時間和湍流稱為燃燒過程的“三T”1.影響燃燒過程的主要因素燃料完全燃燒的條件（三T）291.影響燃燒過程的主要因素典型燃料的著火溫度1.影響燃燒過程的主要因素典型燃料的著火溫度301.影響燃燒過程的主要因素燃燒火焰溫度與燃料混合比的關系（以CH4為例）1.影響燃燒過程的主要因素燃燒火焰溫度與燃料混合比的關系（以311.影響燃燒過程的主要因素典型鍋爐熱損失與過剩空氣量的關系1.影響燃燒過程的主要因素典型鍋爐熱損失與過剩空氣量的關系321.影響燃燒過程的主要因素燃氣比和混合程度對燃燒產物的影響1.影響燃燒過程的主要因素燃氣比和混合程度對燃燒產物的影響332.燃料燃燒的理論空氣量定義：單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需要的空氣量。建立燃燒方程式的假定：空氣組成

20.9%O2和79.1%N2，兩者體積比為：N2/O2=3.78燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2不考慮NOX的生成燃料中的N在燃燒時轉化為N2燃料的化學式為CxHySzOw2.燃料燃燒的理論空氣量定義：單位量燃料按燃燒反應方程式完全342.燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：燃料重量=12x+1.008y+32z+16w理論空氣量：煤4~7m3/kg，液體燃料10~11m3/kg

2.燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：352.燃料燃燒的理論空氣量例題：2.燃料燃燒的理論空氣量例題：362.燃料燃燒的理論空氣量空氣過剩系數實際空氣量與理論空氣量之比。以表示，通常>1部分爐型的空氣過剩系數2.燃料燃燒的理論空氣量空氣過剩系數372.燃料燃燒的理論空氣量空燃比單位質量燃料燃燒所需要的空氣質量

例如：汽油（～C8H18）的完全燃燒：汽油的質量：128+1.00818=114.14空氣的質量：3212.5+283.7812.5=1723空燃比AF=15.112.燃料燃燒的理論空氣量空燃比383.燃燒過程中產生的污染物燃燒可能釋放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、煙、飛灰、金屬及其氧化物等溫度對燃燒產物的絕對量和相對量都有影響燃料種類和燃燒方式對燃燒產物也有影響3.燃燒過程中產生的污染物燃燒可能釋放的污染物：393.燃燒過程中產生的污染物燃燒產物與溫度的關系：3.燃燒過程中產生的污染物燃燒產物與溫度的關系：403.燃燒過程中產生的污染物燃料種類對燃燒產物的影響（以1000MW電站為例）：3.燃燒過程中產生的污染物燃料種類對燃燒產物的影響（以100414.熱化學關系式發熱量：單位燃料完全燃燒時，所放出的熱量，即在反應物開始狀態和反應產物終了狀態相同下的熱量變化（kJ/kgorkcal/kg）高位發熱量：包括燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱低位發熱量：燃燒產物中的水蒸氣仍以氣態存在時，完全燃燒過程所釋放的熱量4.熱化學關系式發熱量：424.熱化學關系式燃燒設備的熱損失排煙熱損失不完全燃燒熱損失散熱損失在充分混合的條件下，熱損失在理論空氣量條件下最低不充分混合時，熱損失最小值出現在空氣過剩一側4.熱化學關系式燃燒設備的熱損失434.熱化學關系式燃燒熱損失與空燃比的關系4.熱化學關系式燃燒熱損失與空燃比的關系44習題:已知重油元素分析結果為：C：85.5%H：11.3%O：2.0%N：0.2%S：1.0%試計算：⑴燃燒1kg重油所需的理論空氣量和產生的理論煙氣量；⑵干煙氣中SO2的質量濃度和CO2的最大質量濃度；⑶當空氣的過剩量為10%時，所需的空氣量及產生的煙氣量。習題:已知重油元素分析結果為：C：85.5%H：1145解：⑴已知1kg重油中各成分的含量如下：質量/g摩爾數/mol（按原子數計）需氧數/molC85571.2571.25H113112.1028.25N20.1430S100.31250.3125O201.25-0.625所需理論氧氣量為：71.25+28.25+0.3125-0.625=99.188mol/kg重油需要的理論空氣量為：解：4699.188×（1+3.7）=472.13mol/kg重油即：472.13×22.4/1000=10.58m3/kg重油（標態）理論空氣量條件下的煙氣組成（mol）為：CO2：71.25H2O：56.5SOx：0.3125N2：99.188×3.76理論煙氣量為：71.25+56.5+0.3125+99.188×3.76=501.01mol/kg重油501.01×22.4×10-3=11.22m3/kg重油99.188×（1+3.7）47⑵干煙氣量為：501.01-56.5=444.51mol/kg重油即：444.51×22.4×10-3=9.96m3/kg重油。SO2量為：0.3125×0.97=0.3031mol/kg重油（認為S的生成物中SO2占97%）干煙氣中SO2的質量濃度為：0.3031×10-6/444.51=681.87×(64/22.4)=1948mg/m3假設C全部生成CO2，則CO2的量為71.25mol/kg重油。CO2的最大質量濃度為：(71.25/444.51)×103×(44/22.4)=314.8g/m3

⑵干煙氣量為：501.01-56.548⑶當空氣過剩10%時，空氣過剩系數α=1.1則實際的空氣量為：10.58×1.1=11.64m3/kg重油實際煙氣量為：=11.22+(1.1-1)×10.58=12.28m3/kg重油⑶當空氣過剩10%時，空氣過剩系數α=1.149第三節煙氣體積及污染物排放量計算1.煙氣體積計算理論煙氣體積

CO2、SO2、N2和H2O干煙氣、濕煙氣煙氣體積和密度的校正轉化為標態下（273K、1atm）的體積和密度注意：美、日和全球監測系統網的標態為298K、1atm。第三節煙氣體積及污染物排放量計算1.煙氣體積計算501.煙氣體積計算過剩空氣校正實際空氣量=（1+）（O2+3.78N2）完全燃燒：與理論空氣量相比多（O2+3.78N2）

此時煙氣中，O2的量為O2P=O2，N2的量為N2P=3.78（1+）N2空氣中O2=（20.9/79.1）N2=0.264N2，即進入燃燒系統的空氣總氧量為0.264N2P1.煙氣體積計算過剩空氣校正511.煙氣體積計算過剩空氣校正理論需氧量=0.264N2P-O2P，空氣過剩系數=實際需氧量/理論需氧量=1+O2P/（0.264N2P-O2P）假如燃燒過程中產生CO，過剩氧量必須加以校正：O2P-0.5COP=1+（O2P-0.5COP）/[0.264N2P-（O2P-0.5COP）]以上組分的量均可由煙氣分析儀測定。

考慮過剩空氣校正后實際煙氣體積：1.煙氣體積計算過剩空氣校正522.污染物排放量計算方法：根據實測的污染物濃度和排煙量根據燃燒設備的排污系數、燃料組成和燃燒狀況預測煙氣量和污染物濃度2.污染物排放量計算方法：532.污染物排放量計算例題:例2-1.某燃燒裝置采用重油作燃料,重油成分分析結果如下(按質量)C:88.3%;H:9.5%;S:1.6%;H2O:0.05%;灰分:0.1%.試確定燃燒1kg重油所需要的理論空氣量.解:以1kg重油燃燒為基礎,則

所以理論需氧量為73.5+23.75+0.5=97.83mol/kg重油干空氣中氧和氮的摩爾比(體積比)為3.78,則1kg重油完全燃燒所需要的理論空氣量為:2.污染物排放量計算例題:例2-1.某燃燒裝置采用重油作燃料542.污染物排放量計算97.83×（3.78+1)=467.63mol/kg重油即467.63×(22.4/1000)=10.47mN3/kg重油2.污染物排放量計算97.83×（3.78+1)=467.6552.污染物排放量計算習題：某鍋爐燃用煤氣成分體積比為：H2S0.2%、CO25%、O20.2%、CO28.5%、H213.0%、CH40.7%、N252.4%。空氣含濕量為12g/m3(標態)，α=1.2時，試求實際所需空氣量和燃燒時產生的實際煙氣量。

解：以1kmol煤氣計，則摩爾數/mol需氧量/mol煙氣量