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大气污染控制工程第二章 (2)

大气污染控制工程第二章  (2)


第三节

燃烧过程的计算

?内容提要
1.燃烧反应方程式 2.理论空气量 3.空气过剩系数 4.空燃比 5.理论烟气体积 6.污染物排放量的计算

?学习要求
1.掌握理论空气量、理论烟气量、空气过剩系 数和空燃比的概念; 2.学会根据燃料组成计算理论空气量,根据空气 条件计算实际空气量; 3.掌握烟气体积和过量空气校正方法,学会计 算实际烟气量; 4.熟练掌握污染物排放量的计算方法。

1.1 燃烧反应方程式
在进行燃烧计算时,经常做一些以下简化假设:

?假定
(1)空气仅是由氮和氧组成的,含量分别为 79.1% 和20.9%,氮和氧的体积比为 79.1/20.9= 3.78; (2)燃料中的固定态氧可用于燃烧; (3)燃料中的硫被氧化为 SO2;

(4)热力型 NOx 可以忽略; (5)燃料中的氮在燃烧时转化为 N2; (6)燃料的化学式为 CxHySzOw,其中下标 x、y、 z、w 分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。

在上述假定条件下,完全燃烧反应的反应物 和生成物关系如右图:其中 Q 代表燃烧热。

?完全燃烧的化学反应方程式
w? w? ? y ? y Cx H y S z Ow ? ? x ? ? z ? ? O2 ? 3.78 ? x ? ? z ? ? N 2 ? 2? 2? ? 4 ? 4 y w? ? y xCO2 ? H 2O ? zSO2 ? 3.78 ? x ? ? z ? ? N 2 ? Q 2 2? ? 4

例2:甲醇完全燃烧方程式的确定

1.2 理论空气量
单位质量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所 需要的空气量(体积)称为理论空气量。它由燃 料的组成决定,可根据燃烧方程式计算求得。 理论空气量Va0为:
Va0=22.4×4.78 (x+y/4+z-w/2)/(12x+1.008y+32z+16w)
=107.1 (x+y/4+z-w/2)/ (12x+1.008y+32z+16w) m3/kg

例3 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%。试计算这种煤燃烧 时需要的理论空气量。

第二步:确定煤的摩尔质量,即相对于每摩尔 碳的质量,包括灰分,为:

100 g M? ? = 15.55g/mol (碳) 6.43mol (碳)

一般煤的理论空气量 Va0 = 4-9 m3/kg, 液体燃料的理论空气量 Va0 = 10-11 m3/kg, 天然气的理论空气量 Va0 = 8.0-19.5 m3/m3fuel。

1.3 空气过剩系数
实际空气量 Va 与理论空气量 Va0 之比称为空 气过剩系数 ? ,即
??
实际空气量 Va 理论空气量 V a
0

通常 ? >1, ? 值与燃料种类、燃烧装置型式 及燃烧条件等因素有关。

表 1 部分炉型的空气过剩系数

?空气过剩系数校正计算
空气过剩系数可以根据奥萨特仪监测结果 推算。奥氏烟气分析仪测定干烟气中 CO2、O2 和 CO 含量,其它部分是 N2

?完全燃烧时,空气过剩系数为:

O2 P a ? 1? 0.264 N 2 P ? O2 P

?若燃烧不完全会产生CO,须校正。即从测
得的过剩氧中减去CO氧化为CO2所需的O2

O2 P ? 0.5COP a ? 1? 0.264 N 2 P ? ?O2 P ? 0.5COP ?
各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。

1.4 空燃比
空燃比(AF)定义为单位质量燃料燃烧所 需要的空气质量

AF理论=理论空气质量/燃料质量

思考题:
1.试推导一般燃料理论空燃比的数值? 2.理论空然比和理论空气量有什么关系?

计算题:已知某天然气组成为CH4: 59.2%; C2H6:12.9%;N2:0.7%;CO2:26.2%,试计算其 完全燃烧的空燃比?

图6 空燃比和空气过剩系数关系图

1.5 理论烟气体积

?理论烟气成分
理论烟气成分主要是CO2、SO2、N2 和水 蒸气;烟气中除水蒸气以外的部分称为干烟气, 在标准状态下的干烟气为标准干烟气; a.含水蒸气的烟气称为湿烟气; b.理论烟气体积等于干烟气体积和水蒸气体积之和。

?理论干烟气体积
在理论空气量下,单位质量燃料完全燃烧所生 成的烟气体积称为理论烟气体积,以 Vfg0 表示。 根据燃烧反应方程式,理论干烟气体积为:

y w x ? z ? 3.78 ? ( x ? ? z ? ) 0 4 2 V fg ? 22.4 ? (12 x ? y ? 32 z ? 16 w)

?实际烟气体积
?体积密度校正 为计算标准状态下的烟气体积,需要将监测到 的排烟温度、压力下的烟气体积换算到标准状态。
PS T N V N ? VS ? ? PN TS

PN TS PN ? ? S ? ? PS TN

式中,下标N代表监测状态,下标 S 代表标准状态

?过剩空气校正
空气过剩系数大于1时,烟气中含有过剩空气, 实际烟气体积是理论烟气体积与过剩空气量的和。 Vfg = Vfg0 + (? -1)Va0 其中: ? 为过剩空气系数; V0a 为理论空气量

例4 已知空气过剩系数? =1.1,试计算 1mol的甲烷完全燃烧产生的烟气量。 解:甲烷燃烧的燃烧方程式为: CH4+2O2+7.56N2→CO2+2H2O+7.56N2 由上式可知,1mol甲烷完全燃烧产生 的理论烟气量为:

Vofg=1+2+7.56=10.56(mol)

理论空气量 根据公式

V0a=2+7.56=9.56(mol) Vfg=Vofg+ V0a(? -1)得: Vfg=Vofg+ V0a(? -1 )
=10.56+9.56×(1.1-1) =11.52(mol)

1mol甲烷完全燃烧产生的烟气量为
11.52×0.0224=0.258m3

1.6 污染物排放量的计算
?污染物排放量计算有两种方法: 1. 根据实测的污染物浓度和排烟量来计算; 2. 利用排放因子(Emission Factor)确 定污染物排放量。

表1 机动车排放因子一览表

例2-8 某电厂以烟煤做为燃料,采用液态排 渣的煤粉炉(也称为蒸气锅炉),并安装了湿 式洗涤器,可以达到98%的SO2净化效率,根 据以下条件: (1)发电量1000MW

(2)总体热效率30%
(3)煤中S含量2.1%,热值27770kJ/Kg,灰分 含量8%。 估算: 单位时间的燃煤消耗量 依据AP-42,估算TSP、SO2、NOx、CO和 NMVOC的排放量

(1) 燃煤量=

发电量

总体热效率×燃煤热值



1000×103
30%×27770

= 120kg/s = 443t/h (2)确定锅炉排放因子AP-42(Compilation of Air Pollutant Emission Factor)

查AP-42中1.1 Bituminous And Subbituminous Coal Combustion得到液态排渣 粉炉的各污染物的排放因子如下:
污染物 排 放 因 子 (Kg/t) TSP SO2 NOx CO NMVOC

3.5Aa

19Ab

16

0.25

0.02

a.A=%Ash,即TSP的排放量为3.5×(%Ash) b.S=%Sulfur,即SO2的排放量为19×(%Sulfur)

TSP=3.5×8×433/1000=12.12t/h SO2=19×2.1×433×0.02/1000=0.35t/h NOX=16×433/1000=6.93t/h CO=0.25×433/1000=0.108t/h NMVOC=0.02×433/1000=0.0087t/h

?重点
1.掌握理论空气量、理论烟气量、空气过剩系 数和空燃比的概念; 2.学会根据燃料组成计算理论空气量,根据空气 条件计算实际空气量; 3.掌握烟气体积和过量空气校正方法,学会计 算实际烟气量; 4.熟练掌握污染物排放量的计算方法。



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