燃燒與大氣污染更新了解常見民用及工業燃料的組成和性質；

了解氣態、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；

了解顆粒物、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學時：4學時3第一節燃料的性質燃料：在燃燒過程中能散發出熱量，并能被利用的可燃性物質。燃料分類 （1）按物理狀態分

固體燃料:

液體燃料：

氣體燃料： （2）按燃料來源分：

天然燃料：

人工燃料：4煤炭固體酒精石蠟5（3）按使用多少來分

常規燃料：煤；石油；天然氣

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、合成燃料等。煤及其分類(1)最重要的固體燃料;(2)碳、氫、氧、氮、硫等一起構成的有機聚合物。(3)煤中各成分的含量因種類、產地不同而異。固體燃料——煤7分類

按照植物在地層內碳化程度的不同，可將煤分為：

泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤。

泥煤：形成時間最短，質地疏松、吸水性強、含水率高、氧含量高、碳、硫含量較低、揮發分含量高、可燃性好；機械強度較差；用作鍋爐燃料或化工原料，當地使用。泥煤褐煤：形成時間較短，黑、褐色，含炭量較高，氫、氧含量較低；水分和灰分含量較高，熱值較低；易碎，當地使用。褐煤

煙煤：形成時間較長，含碳量高，氫、氧含量較低；密度較大，含水量較少，燃燒易粘結；品種多（長煙煤、氣煤、肥煤、瘦煤、結焦煤等）使用范圍廣（制煤氣、煉焦、動力等）

煙煤無煙煤：形成時間最長，含碳量高，灰分及揮發分少；質地密實，熱值高、灰分少、含硫低、污染輕。可燃性差，多用作民用燃料。無煙煤12煤的化學組成

√工業分析：測定煤中水分、揮發分、灰分和固定碳。估測硫含量和熱量，是評價工業用煤的主要指標。

√元素分析：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。13

水分全水分=外部水分＋內部水分。煤中水分的存在使燃料中可燃成分相對地減少，熱值降低。外部水分可以靠自然干燥方法除去。常稱取一定量的13mm以下粒度的煤樣，置于干燥箱內，在45—50℃溫度下干燥8h，取出冷卻，干燥后所失去的水分質量占煤樣原來質量的百分數就是煤的外部水分WW。

外部水分內部水分：是把失去外部水分的煤樣在干燥箱中加熱到102-105℃，保持2h后才能除掉。一般控制煤中水分在10%～13%。（1）煤的工業分析

灰分灰分是煤中不可燃礦物物質的總稱。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。高灰分、低熔點的煤極易結渣，從而影響熱效率。煤中灰分的組成

揮發分是煤在與空氣隔絕的條件下加熱分解出的可燃氣體物質。H2、CH、CO、H2S等。測定方法：失去水分的試樣密封在坩堝內，放在1200K的馬弗爐中加熱7分鐘，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱重。16

固定碳從煤中扣除水分、灰分以及揮發分后剩余的部分為固定碳，是煤的主要可燃物質。測定：失去水分和揮發分后的剩余部分（焦炭）放在800

20

C的環境中灼燒到重量不在變化時，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳。17煤的元素分析碳：可燃元素。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。煤在燃燒時放出大量的熱，煤形成的地質年代越長，碳化程度越高，含碳量越大。

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%。

可燃氫（自由氫）：與碳、硫等元素結合的氫。

結合氫：與氧結合成水的結合氫。結合氫不參與燃燒反應。在燃燒計算時，應以可燃氫含量計算煤的發熱量和燃燒所需要的空氣量。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%。在煤中是以有機或無機氮化物的形式存在的，少數有機氮化物參與燃燒反應，最終會形成污染大氣的氮氧化物。在催化劑作用下使煤中的氮轉化為氨，堿液吸收，用酸滴定，而無機氮化物在一般情況下不參與燃燒反應。硫：測定——全硫測定、各種形態的硫的測定。全硫測定——《煤中全硫的測定方法》GB/T214-2007艾氏法（經典方法）、庫倫滴定法、高溫燃燒法

四種形態：黃鐵礦硫、硫酸鹽硫、有機硫、單質硫。

灰分一部分

SO2

SO221煤的成分的表示方法及其組成的相互關系22煤的成分的表示方法收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分。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。干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分。干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分。

23

液體燃料——石油

天然液體燃料：石油（原油）是液體燃料的主要來源，是天然存在的黑褐色的黏稠液體。密度0.78-1.00g/cm3，其組成和物理化學成分隨產地

的不同有很大差異。主要是由鏈烷烴，環烷烴、烯烴和芳香烴等碳氫化合物組成的混合物。組成元素：C、H、O、N、S，還含有微量的

釩、鉛等。石油硫的存在形式：大部分能有機硫形式存在，原油通過蒸餾、裂化和重整過程生產出各種產品。原油中的S約有80—90%留

于重餾分中。硫以復雜的環狀結構存在，而需去除的僅是硫原子，故

不能用物理方法分離硫化物。采用高壓下的催化加氫破壞C—S—C鍵

形成H2S氣體，可達目的，但費用很高。

人為加工的液體燃料：石油經過加工后的產品、合成的液體燃料以及煤經高壓加氫所獲得的液體燃料。如汽油、煤油、柴油、重油（原油加工后殘渣總稱，對環境的污染最大）。24氣體燃料——天然氣

氣體燃料屬于清潔燃料，是最理想的的燃料。主要包括天然氣、液化石油氣、裂化石油氣、焦爐煤氣。 天然氣是典型的氣體燃料，它的組成一般由85%的甲烷、10%乙烷、3%丙烷及少量含C更高的碳氫化合物組成。此外還含有水、二氧化碳和硫化氫等。硫化氫燃燒生成硫氧化物，污染環境，很多國家都規定了天然氣中總硫量和硫化氫的最大允許值。 液化石油氣主要成分是C2、C3、C4。具有易運輸、儲存、發熱高、含硫低、輕污染等特點。廣泛用于汽車和民用生活燃料。25非常規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26第二節燃料燃燒過程

燃燒過程及燃燒產物燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成相應的氧化物。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NOx燃燒溫度較高時，空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx燃料種類對燃燒產物的影響（以1000MW電站為例）29影響燃燒過程的主要因素（3T）①空氣條件：

空氣量過小，燃燒不完全；

過大，會降低爐溫，增加鍋爐的排煙損失。②溫度條件：

著火溫度是指可燃性物質在空氣中開始燃燒必須所達到最低溫度。

每種燃料的著火點不同，固體燃料<液體燃料<氣體燃料。當溫度高于著火溫度時，若燃燒過程的放熱速率高于向四周的散熱速率，因而能夠維持在較高的溫度下，才能使燃燒過程繼續進行。 ③時間條件：

燃料在高溫區的停留時間應大于燃燒所需的時間。

停留時間主要取決于燃燒反應速度、燃燒室大小和形狀等。 ④燃料與空氣的混合條件：

混合不充分，將增加污染的數量。對于蒸氣相的燃燒，湍流可以加速液體燃料的蒸發；對于固體來說，湍流可以破壞燃燒產物在燃料顆粒表面形成的邊界層。燃氣比和混合程度對燃燒產物的影響33燃燒發熱量（1）燃料的發熱量

單位質量的燃料完全燃燒產生的熱量。即在反應物開始狀態和反應產物終了狀態相同情況下（通常是指298K，101325Pa）的熱量變化值。單位kJ/kg(固體、液體熱量)，kJ/m3。（2）分類

高位發熱量：燃料燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱；（燃料完全燃燒，當燃燒產物中的水蒸汽凝結為水時的反應熱）。 低位發熱量：燃燒產物中的水蒸氣仍以氣態形式存在時，完全燃燒釋放的熱量。（燃料完全燃燒，其燃燒產物中的水蒸汽乃以氣態存在時的反應熱）。

一般都按低位發熱量來計算燃料的發熱量。低位發熱量、高位發熱量換算燃料中氫和水分的質量百分數（3）發熱量的計算 ①根據煤的工業分析數據計算②根據煤的元素分析數據計算37熱損失

①排煙熱損失（6%-12%）：由于排出的煙氣帶走了一部分熱量。

影響因素：溫度、體積 排煙溫度↑，熱損失↑。 排煙量↑，熱損失↑。 措施：尾部設置省煤器或空氣預熱器

②不完全燃燒熱損失

化學不完全燃燒：煙氣中殘余的可燃氣體CO等

機械不完全燃燒：灰渣、飛灰、漏煤等有不完全燃燒的碳。③散熱損失

鍋爐爐體管道溫度>>周圍的空氣溫度 降低鍋爐的熱效率、惡化爐工的工作條件。損失與散熱面積、絕熱層的厚度、環境溫度、風速等有關40燃燒計算燃燒所需理論空氣量1.理論空氣量

單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需要的空氣量稱為理論空氣量。以（Va0）表示。

與燃料種類有關。理論空氣量計算:

（1）可由燃燒反應方程式

（2）經驗公式（由熱值）

固體燃料、液體燃料、氣體燃料、天然氣41★建立燃燒化學方程式的五個假定：

空氣中僅由氮氣和氧氣組成，其體積分數為：79：21=3.76。

燃料中的固定態氧參與燃燒反應。

燃料中的硫主要被氧化為二氧化硫。

計算理論空氣量時，忽略熱力型NOx的生成量。

燃料中的氮在燃燒時轉化為N2和NO，一般以N2為主。

燃燒的化學組成式為CxHySzOw,其中x、y、z、w分別代表碳、氫、硫和氧的原子數。則燃料與空氣中的氧氣完全燃燒的化學反應式為：42式中Q為燃燒熱。理論空氣量為：43理論空氣量的經驗計算公式

通過元素分析得出燃料中C、H、O等含量后，可由前面反應式計算理論空氣量。若知道燃料的熱值，可由以下經驗公式估算理論空氣量：1）固體燃料：2）液體燃料：3）氣體燃料：

當

時，當

時，天燃氣：44例：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%,H2O：0.5%，S：1.6%，灰分：0.10%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。解：以1kg重油燃燒為基礎，則：

重量（g）摩爾數（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H9547．523．75S160．50．5H2O50．278045

理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油

假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比)則，理論空氣量為：mol/kg重油

即Nm3/kg重油462.空氣過剩系數（α）

空氣過剩系數（α）是指實際空氣量與理論空氣量的比。

即：

通常α>1，α值的大小決定于燃料種類、燃燒方式及燃燒條件等因素。473.空燃比（AF）

單位質量燃料燃燒所需要的空氣質量，可由燃燒方程式直接求得。例：純碳在理論空氣量下的完全燃燒：

空燃比：

空燃比隨著燃料中氫相對含量的減少，碳的相對含量的增加，理論空燃比隨之減小。481.理論煙氣量和實際煙氣量

理論煙氣量：在供給理論空氣量條件下，燃料完全燃燒產生的煙氣體積。以表示。煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣。

實際煙氣量：理論煙氣量與過剩空氣量之和。以表示。 即：

干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣；濕煙氣：包括水蒸氣在內的煙氣。第三節煙氣體積及污染物排放量計算Vfg0CO2V干煙氣V濕煙氣SO2N2VH2O燃料中H燃燒生成H2O燃料中H2OVa0帶入的H2O50例：CH4完全燃燒

由反應式可以計算出1mol的CH4完全燃燒產生10.52mol煙氣。

設空氣過剩系數α=1.05，由可得：

=10.996512.煙氣體積和密度的校正

燃燒產生的煙氣其T、P總高于標態（273K、1atm）故需換算成標態。

大多數煙氣可視為理想氣體，故可應用理想氣體狀態方程。

設觀測狀態下（Ts、Ps下）：煙氣的體積為Vs，密度為ρs。

標態下（Tn、Pn下）：煙氣的體積為Vn，密度為ρn。

標態下體積為：

標態下密度為：

pV=mRT/M=nRT3.過剩空氣校正

因為實際燃燒過程是有過剩空氣的，所以燃燒過程中的實際煙氣體積應為理論煙氣體積與過剩空氣量之和。用奧氏煙氣分析儀測定煙氣中的CO2、O2和CO的含量，可以確定燃燒設備在運行中煙氣成分和空氣過剩系數。以碳在空氣中的完全燃燒為例：a為空氣過剩系數α=a-----過剩空氣中O2的過剩系數設燃燒是完全燃燒，過剩空氣中的氧只以O2形式存在，燃燒產物用下標P表示，O2P=aO2假設空氣只有O2、N2,分別為20.9%、79.1%，則空氣中總氧量為:20.9/79.1N2P=0.264N2P

理論需氧量：0.264N2P-O2P

所以（燃燒完全時）若燃燒不完全會產生CO，須校正。即從測得的過剩氧中減去CO氧化為CO2所需的O2

此時各組分的量均為奧氏分析儀所測得的百分數。54污染物排放量的計算1）實測法：實際測量煙氣中污染物濃度，排煙體積和溫度等數據，計算污染物的排放量。（工作量大，需要一定的儀器和條件）

2）預測法：根據同類燃燒設備的排污系數，燃料成分和燃燒狀況，通過燃料衡算預測煙氣量、污染物濃度和污染物排放量。（簡單方便）[例2-4]對于例2-3給定的重油，若燃料中硫全部轉化為SOx（其中SO2占97%），試計算空氣過剩系數α=1.2時煙氣中SO2和SO3的體積分數，以10-6表示；并計算此時干煙氣中CO2的含量，以體積分數表示。質量/g重油成分物質的量/mol理論需氧量/mol煙氣量/molC88373.5873.5873.58CO2H9547.523.7547.5H2OS160.50.50.5SoxH2O0.50.027800.0278H2ON297.83×3.78N2解：理論煙氣量為73.58+47.5+0.5+0.0278+97.83×3.78=491.4mol/kg（重油）=11.01mN3/kg實際煙氣量11.01+10.47×0.2=13.10mN3/kgSO2體積0.5×0.97×22.4/1000mN3/kg=0.0109mN3/kgSO3體積0.5×0.03×22.4/1000mN3/kg=3.36×10-4mN3/kg體積分數干煙氣中CO2的含量：干煙氣量12.04mN3/kgCO2體積73.58×22.4/1000mN3/kg=1.648mN3/kg干煙氣中CO2的體積分數：1.648/12.04×100%=13.69%例題2-5已知某電廠煙氣溫度為473K，壓力等于96.93kPa，濕煙氣量qV=10400m3/min，含水汽6.25%（體積分數）。奧薩特儀分析結果是：φ(CO2)=10.7%，φ(O2)=8.2%，不含CO。污染物排放的質量流量是22。7kg/min。求：(1)污染物排放的質量流量(以t/d表示)；(2)污染物在煙氣中的濃度；(3)燃燒時的空氣過剩系數；(4)校正至空氣過剩系數α=1.4時污染物在煙氣中的濃度。解：（1）污染物排放的質量流量為：（2）測定條件下的干煙氣量：測定條件下干煙氣中污染物的濃度：標況下的濃度：（3）空氣過剩系數：（4）校正至空氣過剩系數為1.4條件下的污染物濃度：作業：P312.8第四節燃燒過程中硫氧化物的形成

一、燃料中硫的氧化機理1.燃料中硫的氧化

61含硫燃料燃燒的特征是火焰呈藍色，由于反應：

在所有的情況下，它都作為一種重要的反應中間體出現。622.H2S的氧化633.CS2和COS的氧化644.元素S的氧化

純硫氧化的唯一特點在于生成的SO3所占SOx的百分比較通常情況高得多（約20%）。655.有機硫化物的氧化66二、SO2和SO3之間的轉化

SO2+O+M

SO3+M（1）SO3+O

SO2+O2

（2）SO3+H

SO2+OH（3）SO3+M

SO2+O+M（4）（1）在熾熱反應區

，[O]

濃度很高，反應（1）和（2）起支配作用

(0.1%~5%SO2)（2）在富燃料條件下，[O]濃度低得多，SO3的去除反應主要為反應（3）(1/40~1/80SO2)67

煙氣離開爐膛進入低溫受熱面，SO3的生成量不斷增加——受熱面積和金屬氧化物的催化作用的結果。

燃燒后煙氣中的水蒸氣可能與SO3結合生成H2SO4，轉化率:

轉化率與溫度密切相關：溫度越低，x越大

H2SO4濃度越高，酸露點越高煙氣露點升高極易引起管道和空氣凈化設施的腐蝕6869SO3的轉化率/%第五節燃燒過程中顆粒物污染物的形成一、碳粒子的生成

1.積炭的生成：（1）核化過程：氣相脫氫反應并產生凝聚相固體碳（2）核表面上發生非均質反應（3）較為緩慢的聚團和凝聚過程燃料的分子結構是影響積炭的主導因素擴散火焰：萘>苯>炔>雙烯>單烯>烷預混火焰：萘>苯>醇>烷>烯>醛>炔積炭的生成與火焰的結構有關提高氧氣量可以防止積炭生成壓力越低則積炭的生成趨勢越小702.石油焦和煤胞的生成——液態烴高溫分解產生燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱壁面接觸，發生液相裂化和高溫分解，出現結焦——石油焦多組分重殘油的燃燒后期會生成煤胞，難以燃燒。焦粒生成反應的順序：烷烴烯烴帶支鏈芳烴凝聚環系瀝青半園體瀝青瀝青焦焦炭

71二、燃煤煙塵的形成

煙塵：固體燃料燃燒產生的顆粒物，包括：黑煙：未燃盡的碳粒飛灰：不可燃礦物質微粒（Hg、As、Se、Pb、Cu、Zn、Cl、Br、S）污染元素，有害健康。1.煤粉燃燒過程揮發分燃燒：燃燒速率快決定煤燃燒過程性能的是固定碳部分。固定碳燃燒：表面燃燒速率

72COO2CO2CO2+CCO

燃燒條件理想，完全燃燒；燃燒條件不理想，高溫熱解，形成多環化合物，冒黑煙。

影響黑煙生成的條件：

C/O（C/O<1.0,大約為0.5時最易形成黑煙。）

煤的種類和質量

易