第二章燃烧与大气污染 1.燃烧的性质基本概念 燃料是指在燃烧的过程中,能够放出热量,且在经济上能够取得效益的物质。 1)煤的基本分类 褐煤 最低品味的煤,形成年代最短,热值较低。 烟煤 形成年代较褐煤长,碳含量75%~90%。成焦性较强,适宜工业一般应用。 无烟煤 煤化时间最长,含碳量最高(高于93%),成焦性差,发热量大。 煤的成分分析 工业分析( proximate analysis 测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值,是评价工业用煤的主要指标。元素分析( ultimate analysis 用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。2.燃烧过程 影响燃烧过程的主要因素 燃烧过程及燃烧产物 完全燃烧:CO2、H2O 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N,则会生成SO2 空气中的部分N可能被氧化成NO-热力型NOx 燃料完全燃烧的条件(3T) 空气条件:提供充足的空气;但是空气量过大,会降低炉温,增加热损失 温度条件(Temperature):达到燃料的着火温度 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):燃料与氧充分混合 建立燃烧方程式的假定: 空气组成 20.9%O2 和79.1%N2,两者体积比为: N2/ O2 3.78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 燃料中的N 在燃烧时转化为N2 燃料的化学式为Cx Hy Sz Ow 燃烧方程为: 空气过剩系数 实际空气量与理论空气量之比。 单位质量燃料燃烧所需要的空气质量。燃烧过程中硫氧化物的形成 H2SO4 浓度越高,酸露点越高,一般在150左右。 烟气露点升高极易引起管道和空气净化设施的腐蚀 露点:酸雾点,SO3 与H2O 形成H2SO4 蒸气的温度 碳粒子的生成 火焰的结构(续) 层流火焰:Re2200,强烈的湍流作用,但分子扩散仍然起作用。 第四章 大气污染物扩散模式(计算重要) SO3.78 扩散的要素风:平流输送为主,风大则湍流大 湍流:扩散比分子扩散快105~106 湍流的基本概念湍流——大气的无规则运动 风速的脉动 风向的摆动 高斯扩散模式 重点 正态分布的基本概念: 为常数,则X服从正态分布,记为 称为X服从标准正态分布,X 的密度函数为: 正态分布是具有两个参数μ 的连续型随机变量的分布,第一参数μ是服从正态分布的随机变量的均值,第二个参数σ2 是此随机变量的方差,所以正态分布记作N(μ,σ2 越远的值的概率越小;σ越小,分布越集中在μ 附近,σ 越大,分布越分散。 高斯模式的有关假定 坐标系 右手坐标,y 为横风向,z 为垂直向 四点假设 a.污染物浓度在y、z 风向上分布为正态分布 b.全部高度风速均匀稳定 c.源强是连续均匀稳定的 d.扩散中污染物是守恒的(不考虑转化) 无界空间连续点源扩散模式 高架连续点源扩散模式 第五章 颗粒污染物控制技术基础(填空,例题) 粒径分布 粒径分布指不同粒径范围内颗粒的个数(或质量或表面积)所占的比例 粒数分布:每一间隔内的颗粒个数 粒数频率:第i 个间隔中的颗粒个数ni 与颗粒总数Σ ni 之比 粒数筛下累积频率:小于第i 个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比 第二节 粉尘的物理性质 粉尘体积不包括颗粒内部和之间的缝隙-真密度用堆积体积计算——堆积密度 空隙率——粉尘颗粒间和内部空隙的体积与堆积总体积之比 安息角与滑动角安息角:粉尘从漏斗连续落下自然堆积形成的圆锥体母线与地面的夹角。 滑动角:自然堆积在光滑平板上的粉尘随平板做倾斜运动时粉尘开始发生滑动的平板倾角。 安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的重要指标。 安息角和滑动角的影响因素:粉尘粒径、含水率、颗粒形状、颗粒表面光滑程度、粉尘粘性 比表面积单位体积粉尘所具有的表面积 含水率粉尘中的水分包括附在颗粒表面和包含在凹坑和细孔中的自由水分以及颗粒内部的结合水分。 含水率-水分质量与粉尘总质量之比。 含水率影响粉尘的导电性、粘附性、流动性等物理特性。 吸湿现象。 平衡含水率。 润湿性润湿性-粉尘颗粒与液体接触后能够互相附着或附着的难易程度的性质。 润湿性与粉尘的种类、粒径、形状、生成条件、组分、温度、含水率、表面粗糙度及荷电性有关,还与液体的表面张力及尘 粒与液体之间的粘附力和接触方式有关。 粉尘的润湿性随压力增大而增大,随温度升高而下降 润湿性是选择湿式除尘器的主要依据 荷电性和导电性粉尘的荷电性 天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷。 荷电因素-电离辐射、高压放电、高温产生的离子或电子被捕获、颗粒间或颗粒与壁面间摩擦、产生过程中荷电。 天然粉尘和人工粉尘的荷电量一般为最大荷电量的1/10。 荷电量随温度增高、表面积增大及含水率减小而增加,且与化学组成有关。 粉尘的导电性 导电机制: 高温(200oC 以上),粉尘本体内部的电子和离子—体积比电阻 低温(100oC 以下),粉尘表面吸附的水分或其他化学物质-表面比电阻 中间温度,同时起作用 比电阻对电除尘器运行有很大影响 粘附性粘附和自粘现象 粘附力-克服附着现象所需要的力 粘附力:分子力(范德华力)、毛细力、静电力(库仑力) 断裂强度-表征粉尘自粘性的指标,等于粉尘断裂所需的力除以其断裂的接触面积 分类:不粘性、微粘性、中等粘性、强粘性 粒径、形状、表面粗糙度、润湿性、荷电量均影响粘附性 自燃性和爆炸性粉尘的自燃性 自燃 自然发热的原因-氧化热、分解热、聚合热、发酵热 影响因素:粉尘的结构和物化特性、粉尘的存在状态和环境 第四节 颗粒捕集的理论基础(计算) 对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移并从气流中分离。 颗粒捕集过程中需要考虑的作用力:外力、流体阻力、颗粒间相互作用力 外力:重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等 颗粒间相互作用力:颗粒浓度不高时可以忽略。 流体阻力 流体阻力=形状阻力+摩擦阻力 阻力的方向和速度向量方向相反 颗粒尺寸与气体平均自由程接近时,颗粒发生滑动——坎宁汉修正 第六章 除尘装置 (区别与优缺点) 第一节 机械除尘器 机械除尘器通常指利用质量力(重力、惯性力和离心力)的作用使颗粒物与气体分离的装置,常用的有: 重力沉降室 重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置 惯性除尘器 阻力导致的减速运动(P148 推导) 根据牛顿第二定律 若仅考虑Stokes 区域 速度由u0 减速到u 所迁移的距离 若引入坎宁汉修正系数C 停止距离 重力沉降(P150) 力平衡关系 Stokes 颗粒的重力沉降末端速度 (忽略浮力影响) 湍流过渡区 牛顿区 Stokes 直径 空气动力学直径 例题5-5 旋风除尘器 第二节 电除尘器 一般除尘器对于 dp m的粒子效率低,必须借助外力(电场力等)捕集更小的粒子使尘粒荷电并在电场力的作用下沉积在集尘极上 与其他除尘器的根本区别在于,分离力直接作用在粒子上,而不是作用在整个气流上 具有耗能小、气流阻力小的特点 电除尘器的主要优点: 压力损失小,一般为200~500Pa 处理烟气量大,可达105~106m3/h 能耗低,大约0.2~0.4kWh/1000m3 对细粉尘有很高的捕集效率,可高于99% 可在高温或强腐蚀性气体下操作 除尘器的主要缺点是设备庞大,消耗钢材多,初投资大,要求安装和运行管理技术较高 荷电:电晕的过程发生于活化的高压电极和接地极之间,电极之间形成高浓度的气体离子,含尘气流通过这个空间时,尘粒 在百分之几秒的时间内因碰撞俘获气体离子额而导致荷电。 粒子主要荷电两种机理 电场荷电或碰撞荷电-离子在静电力作用下做定向运动,与粒子碰撞而使粒子荷电 扩散荷电-离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程;依赖于离子的热能,而不是依赖于电场 过程取决于粒径 大于 的微粒,以电场荷电为主 小于 的微粒,以扩散荷电为主 介于之间的粒子,需要同时考虑这两种过程。 电晕放电:电晕电极为负极,从金属丝放出的电子迅速向正极移动,与气体分子撞击使之离子化。 气体分子离子化的过程 又产生大量电子-雪崩过程。 远离金属丝,电场强度降低,气体离子化过程结束,电子被气体分子捕获。 气体离子化区域-电晕区。 自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源。 三个基本过程 悬浮粒子荷电-高压直流电晕 带电粒子在电场内迁移和捕集-延续的电晕电场(单区电除尘器)或光滑的不放电的电极之间的纯静电场(双区电除尘器) 捕集物从集尘表面上清除-振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗 第七章 气态污染物控制技术基础 第二节 气体吸收 吸收机理(双膜模型,渗透模型,表面更新模型,其它模型)双膜模型(应用最广) 亨利定律 一定温度下,稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比物理吸收 化学吸收 与物理吸收相比化学吸收的优点: 溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉,溶剂容纳的溶质量增多 溶质在液膜中扩散阻力降低,总吸收系数增大。 填料表面的停滞层仍为有效湿表面 物理、化学吸收净化法异同点 (1)物理吸收:较简单,可看成是单纯的物理溶解过程。 吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度; 吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度 (2)化学吸收:吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。 吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件; 吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。 第三节 气体吸附 吸附 吸附剂-附着吸附质的物质优点:效率高、可回收、设备简单 缺点:吸附容量小、设备体积大 第八章 硫氧化物的污染控制 燃烧前脱硫 1.煤炭的固态加工 煤炭洗选 物理洗煤 化学洗煤 微生物洗煤 2.煤炭的转化 煤的气化 采用空气、氧气、CO2 和水蒸气作为气化剂,在气化炉内反应生成不同组分不同热值的煤气。移动床、流化床和气流床三种 方法。 煤的液化 通过化学加工转化为液态烃燃料或化工原料等液体产品。直接液化和间接液化。 3.重油脱硫 在催化剂作用下通过高压加氢反应,切断碳与硫的化学键,使氢与硫作用形成H2S 从重油中分离。直接脱硫和间接脱硫。 流化床燃烧脱硫(概念) 气流速度介于临界速度和输送速度之间,煤粒保持流化漂浮状态 流化床利于燃料充分燃烧 低浓度SO2 烟气脱硫-燃烧后脱硫 燃烧设施直接排放的SO2 浓度通常为10-4~10-3 数量级 由于SO2 浓度低,烟气流量大,烟气脱硫通常比较昂贵 分类 脱硫产物处置方式:抛弃法和再生法 脱硫产物状态:湿法和干法 主要烟气脱硫工艺 第九章 氮氧化物污染控制 NOx 包括 N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5 大气中NOx 主要以NO、NO2 的形式存在 NOx 的性质 N2O:单个分子的温室效应为CO2 的200 倍,并参与臭氧层的破坏 NO:大气中NO2 的前体物质,形成光化学烟雾的活跃组分 NO2:强烈刺激性,来源于NO 的氧化,酸沉降 NOx 的来源 固氮菌、雷电等自然过程(5108t/a) 人类活动(5107t/a) 燃料燃烧占 90% 95%以NO 形式,其余主要为NO2 热力型NOx 的形成 上述数据说明: 室温条件下,几乎没有NO 和NO2 生成,并且所有的NO 都转化为NO2 800K 左右,NO 与NO2 生成量仍然很小,但NO 生成量已经超过NO2 常规燃烧温度(>1500K)下,有可观的NO 生成,但NO2 量仍然很小 传统低NO 两段燃烧技术第一段:氧气不足,烟气温度低,NO 生成量很小第二段:二次空气,CO、HC 完全燃烧,烟气温度低 先进的低NO 燃烧技术原理:低空气过剩系数运行技术+分段燃烧技术 炉膛内整体空气分级的低NOx直流燃烧器 吸附剂需具备的特性: 内表面积大 具有选择性吸附作用 高机械强度、化学和热稳定性 吸附容量大 来源广泛,造价低廉 良好的再生性能 燃烧技术原理控制NO 形成的因素空气-燃料比 燃烧区温度及其分布 后燃烧区的冷却程度 燃烧器形状 炉壁设置助燃空气(OFA,燃尽风)喷嘴 类似于两段燃烧技术 先进的低NOx 燃烧技术 空气分级的低NOx旋流燃烧器 一次火焰区:富燃,含氮组分析出但难以转化 二次火焰区:燃尽CO、HC 先进的低NOx燃烧技术 空气/燃料分级的低NOx燃烧器 空气和燃料均分级送入炉膛 一次火焰区下游形成低氧还原区,还原已生成的NOx 第十章 挥发性有机物污染控制 蒸汽压指的是在液体(或者固体)的表面存在着该物质的蒸汽,这些蒸汽对液体表面产生的压强就是该液体的蒸汽压。