与锅炉房总容量相关的烟囱高度,适用于单台出力在45.5Mw(即:65t/h)及以下各种用途的燃 煤锅炉。 除上述大气污染物排放标准外,我国还制定了《汽车大气污染物排放标准》GB14761,1~7 93;《恶臭污染物排放标准》GB14554-93等。各种大气污染物排放标准的制定和完善,对减少 污染物排放,防治大气污染,改善大气环境质量起到了积极作用,是各级环保部门进行环境管理 的重要依据 习题 1.1计算干洁空气中2、O2、Ar和OO2气体的体积分数和质量分数 1.2根据我国的《环境空气质量标准),求SO2、NO2、CO三种污染物二极标准日平均质量浓度限值的体积 数 13C4气体与空气混合成体积分数为15×102%的混合气体,在管道中的流量为10m3/s,试确定: (1)CCL在混合气体中的质量浓度Ca(单位:gm3)和浓度CM(单位kgmo)。 (2)每天流经管道的CC4质量是多少kg 1.4成人每次吸人的空气量平均为500cm3,假如每分钟呼吸15次,空气中颗粒物的质量浓度为2008 m3,试计算每小时沉积于肺泡上的颗粒物质量。已知颗粒物在肺泡上的沉积系数为0.12。 15地处平原的某城市远郊区的工厂烟囱有效高度为50m若烟尘排放控制系数P。=27t(m2h),求烟尘 的允许排放量。若排放量为0.08th,试计算烟囱有效高度的最小值
第二章燃烧与大气污染 能源和资源的不合理利用或浪费是造成环境污染的主要原因;而大气环境污染主要是燃料 燃烧造成的。因此,要解决大气环境污染问题,必须研究燃料燃烧与大气污染的关系,尽可能减 少燃烧产生的大气污染物,注意节约能源,开发清洁能源。 能源是现代工农业生产,交通运输的动力。随着国民经济发展,人民生活水平提高,能源消 耗量将不断増加。如果开发、利用不合理,就可能导致环境污染,甚至破坏生态平衡。因此,我们 必须硏究如何合理地开发、利用能源,在促进经济发展的同时,尽可能减少对环境的污染,使能 源、经济与环境协调发展。 在我国能源构成中,煤炭约占70%,石油和天然气等约占30%,核电比例很小。今后相当长 时间内,煤炭仍是主要能源。我国不仅水能等无污染能源开发较少,而且煤炭利用率低。因此开 发新能源、提高煤炭等能源利用率,潜力很大。做好这项工作,既有利于促进國民经济发展,又可 减轻大气污染,改善大气环境质量。 第一节燃料及燃烧过程 燃料 燃料按其物理状态分为固体、液体和气体三类。气体燃料的优点是燃烧快、污染轻,其燃烧 状态基本上受空气与燃料气的扩散或混合控制。液体燃料也以气态形式燃烧,其燃烧速度受蒸 发过程控制。固体燃料如煤等受两种现象控制:燃料蒸馏产生的挥发分以气态燃烧,固定炭以固 态燃烧,固态燃烧速率受氧气向固体表面的扩散控制。 煤是最重要的固体燃料,由可燃有机成分和无机成分组成。可燃成分的元素组成主要是碳、 氢及少量氧、硫和氮等。煤中有机和无机成分含量,因煤的种类及产地差异很大 1.煤的分类 煤是由古代植物在地层内经长期炭化衍变而形成的。根据植物在地层内炭化程度的不同 「将煤分为四大类,即泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。 泥煤是最年轻的煤,是由植物刚刚衍变而成的。在结构上,它尚保留着植物遗体的痕迹,质 地疏松,吸水性强,含天然水分高达40%以上,风干后的泥煤密度只有300~450kg/m3,泥煤含 碳量和含硫量低,但含氧量却高达28%~38%。由于泥煤的挥发分高,可燃性好,在工业上,它 主要用作锅炉燃料和化工原料。由于泥煤的机械强度差,易粉碎,不能长途运输,只能作为地方 燃料。 褐煤比泥煤炭化程度大一些,这种煤基本上完成了植物遗体的炭化过程。褐煤含碳量较高
氢和氧的含量少,挥发分高,其密度约为750~800kg/m3,在空气中极易风化粉碎,也多作为地方 燃料。 烟煤是炭化稈度较髙的煤,仅次于无烟煤。其特点是含碳量高,其挥发分高于无烟煤而低于 褐煤。与褐煤相比密度较大,不易吸湿,燃烧时有粘结性。由于烟煤的炭化年龄及生成条件不 同,不同产地的烟煤,在粘结性和含硫量方面有较大差别。根据烟煤的粘结性、挥发分含量等物 理性质,烟煤分为长焰煤、气煤、结焦煤、瘦煤等不同品种。长焰煤和气煤挥发分高适宜制造煤 气,结焦煤适宜炼焦。烟煤是冶金建材和动力等工业中不可缺少的能源。 无烟煤是炭化年龄最老的一种煤,其特点是含碳量高,灰分及挥发分少,含硫量低,组织致密 而坚硬,密度大,吸水性小,适宜于长途运输和贮存。无烟煤的主要缺点是受热时容易炸裂成碎 片,可燃性差,不易着火。但由于其发热量大(热值约为29308kJkg)灰分少、含硫量低、燃烧后 污染轻,因而多用于民用燃料,也可作为制气燃料。 2.煤的化学组成 煤的化学组成极其复杂。其主要组分是有机化合物。其分子结构的核心部分是沥青或树脂 类高分子化合物。根据元素分析煤的主要可燃质是碳元素,其次是氢以及氧、氮、硫与碳和氢构 成的少量可燃性化合物。此外,煤中还含有一些非可燃性矿物质,如灰分(A)和水分(W)等。 煤的化学组成通常用C、HON、S等元素及A和W的百分数来表示。现将各组分的主要 特性叙述如下 碳(C):碳是煤组成中主要的可燃元素。碳在燃烧时放出大量的热。煤的炭化年龄越大,含 碳量就越高。常见的几种煤含碳量如表2-1所示。 表2-1煤中碳的质量分数 煤的种类 c(%) 煤的种类 粘结性煤 强粘结性煤 非粘结性煤 无烟煤 90以上 弱粘结性煤 氢(H):煤中的氢有两种存在形式。一种是与碳、硫等元素结合的氢,称为可燃氢或自由氢 可燃氢燃烧所产生的热量约为碳的三倍半。另一种是与氧结合成水的氢这种氢称为结合氢,它 不參与燃娆反应,在燃烧计算时,应以可燃氢含量计算煤的发热量和燃烧所需空气量。 氧(O):煤中的氧常与煤中的碳、氢等可燃元素构成氧的化合物。这种氧的化合物一般为非 可燃性化合物。煤中的含氧量一般不用直接测定法测定,而是通过测定其他易测成分值,用下式 间接算出 100 1-(c+h+s+ 2.1 100 式中:0—煤中氧的质量分数,单位:%; -煤中碳的质量分数,单位:% h——煤中氢的质量分数,单位:%; 煤中硫的质量分数,单位:% 25
n——煤中氮的质量分数,单位:%; a—煤中灰分的质量分数,单位:%; a—煤中水分的质量分数,单位:%。 氮(N):氮在煤中是以有机或无机氮化物形式存在的。煤中少量的有机氮化物(如吡啶、咔 唑、氨基化合物等)参与燃烧反应,而无机氮化物在-般情况下不参与燃烧反应。参与燃烧的有 机氮化物经高温分解会形成污染大气的氮氧化合物(NO2 硫(S):硫在煤中以三种形式存在,郎有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。有机硫及黄铁矿硫都 能参与燃烧反应,因而总称为可燃硫,而硫酸盐硫不参与燃烧反应,常称为非可燃硫。煤中的可 燃硫极为有害,随着煤的燃烧,可生成SO2及SO3等有害气体污染大气 灰分(A):灰分系指煤中所含的碳酸盐、粘土矿物质以及微量的稀土元素等。灰分为不可燃 物质,在煤燃烧时,经过高温分解、氧化形成灰渣。其大致成分是:SO240%~60%;A2O15% 3%;CaO1%~15%;Fe2O35%~25%;MgO0.5%~8%;Na2O+K2O1%~4%。煤中灰分过 多,除降低燃料的发热值外,还容易造成燃烧不完全。 水分(W):煤中的水分是有害组分。它不仅相对降低了煤中的可燃质成分,而且在燃烧时还 消耗热量。煤中的水分呈两种形态存在:一种是机械地附着在煤表面上的水分,这种水分叫做外 部水分;另一种是被煤吸收并均匀分布在可燃质中的化学吸附水和存在于矿物杂质中的矿物结 晶水。可燃质中的化学吸附水和矿物结晶水总称为内部水分。内部水分只有在高温下才能除 掉。通常在组分分析报告中所给出的水分即指内部水分。 (-)石油 石油是液体燃料的主要来源,又称原油,是天然存在易流动的液体,密度0,78~1.00gcm3, 主要是由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成的混合物。其化合物元素组成主要是碳和 氢,硫、氮和氧比例很小。石油通常还含有徼量钒、镍、氯、砷和铅等,它们的总含量一般在 0.001%左右。 原油是可燃的,但出于安全和经济考虑,很少用以直接燃烧,一般都经炼油厂加工成汽油、柴 油、化学产品和燃料油。燃料油随着氢含量增加,比重减小,单位发热量增加。闪点⑩与安全有 关,运输和输送过程中,油温不得超过其闪点。燃料油粘度随温度升高而降低,粘度较大时,雾化 产生的液滴较大,汽化较慢,常导致不完全燃烧。 原油中的硫大部分以有机硫形式存在,硫的质量分数一般为0.1%~7.0%。原油加工成汽 油等产品后,汽油中含硫量减少,燃料油中硫的质量分数相对增加,约有80%~90%留于重馏分 燃料油中。燃料油中的硫,不能用分离硫化物的物理方法降低,只能采用高压催化加氢破坏 C—S-C键的方法降低硫含量,费用很高。燃烧时硫氧化成二氧化硫,污染大气环境。 (三)天然气 天然气是典型的气体燃料,一般含甲烷85%、乙烷10%、丙烷3%及少量含碳更高的碳氢化 合物。此外,还含有BOCO2、N2、He和H2S等。硫化氢具有腐蚀性,燃烧时生成硫氧化物,因 此许多国家都规定了天然气中总含硫量和硫化氢含量的最大允许值 ①闪点:液体表面上的蒸气和周围空气的混合物与火接触,初次出现蓝色火焰的闪光时的温度
多数情况下,天然气中的惰性组分可忽略不计,但当其比例增加时,将降低燃烧热,并增加输 送成本。惰性组分也会影响燃料的其他燃烧特征,当影响严重时需除去之或用其他气体稀释。 例如,氦的体积分数超过0.2%时,就必须设法除去。 (四)其他燃料和能源 煤、石油和天然气等是普遍使用的燃料,一般称为常规燃料。除此之外,一切可燃烧的物质 都可包括在其他燃料之中,并被称为非常规燃料。国外已将核能列入常规燃料,我国由于尚未大 力开发,尚无定论。根据来源,非常规燃料包括以下可燃物质:城市商业和工业等固体废物;农产 物及农牧废物;水生植物和水生废物;合成燃料等。 开发利用非常规燃料,一方面可部分代替日益减少的化石燃料用量,也可有效地处理可燃废 物减轻对环境的污染。但是,非常规燃料的燃烧,特别是城市固体废物的焚烧,常常造成二次污 染,应引起特别重视。 为了减轻燃料燃烧对大气的污染,人们不仅重枧研究节约能源,改进燃烧方式,而且越来越 重视研究开发清洁能源,如开发水电、沼气、地热、太阳能、风能和潮汐能等。其中除水电已工业 化外,太阳能和风能等人类早已利用,但由于科学技术水平的限制,至今还难以实现工业化生产。 不过,这些能源不仅是比较清洁的,而且可以再生,所以是大有发展前途的能源,应引起足够的重 视 二、燃料燃烧过程 (一)燃烧过程及其主要影响因素 1.燃烧及燃烧产物 燃烧是指可燃物质与空气或氧气发生化学反应并伴有光和热量产生的过程。燃料燃烧后产 生与燃料组成元素相应的氧化物。化石燃料完全燃烧的产物主要是二氧化碳和水蒸气,不完全 燃烧将产生黑烟、一氧化碳及某些有机氧化物等大气污染物。化石燃料因含有少量的硫和氮,燃 烧时还会产生少量的SO2和NO2随烟气排放。氮氧化物的生成量,低温燃烧时主要来自燃料中 氮的氧化,高温燃烧时空气中的氮也会被氧化成NO2。前者称为燃料型NO2( fuel No2),后者 称为热型NO2( thermal NO) 2.燃料完全燃烧的条件 不完全燃烧既浪费能源,又产生较多的污染物,因此保证燃料完全燃烧是十分必要的。燃料 完全燃烧必须具备四个条件:适量的空气,足够的温度,必要的燃烧时间,燃料与空气的充分混 合 (1)空气燃料燃烧必须供给适量空气。如果空气供给不足,燃烧就不完全;反之,空气量 过大,则会降低炉温,增加锅炉排烟热损失 (2)燃烧温度燃料只有达到着火温度时才燃烧。所谓着火温度系可燃物质在空气中开始 燃烧所必须达到的最低温度。各种燃料都有特征着火温度,按固体、液体、气体燃料的顺序上升。 不同燃料的着火温度见表2-2。 温度高于着火温度时,若燃烧过程放热速率高于周围的散热速率,则能够维持燃烧,否则,就 不能继续燃烧。 (3)时间燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一因素。燃料在高温区的