大气污染控制工程中的燃料燃烧过程

1.影响燃烧的主要因素

（1）燃烧过程及燃烧产物

燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。根据燃料燃烧的程度，可将其分为完全燃烧和不完全燃烧。完全燃烧是指燃料中可燃物质全部和氧气充分燃烧，最终生成SO2、CO2、H2O等物质；不完全燃烧是指燃料中部分可燃物质未能和氧气充分燃烧，燃烧产物中存在气态可燃物质（如CO、H2、CH4等）及同态可燃物（如炭黑等）。若燃料中含S、N会生成气体污染物SO2和NOx，燃烧温度较高时，空气中部分氮也会被氧化成NOx。

（2）燃料完全燃烧的条件

对于具体的燃烧过程而言，影响燃烧的主要因素有燃烧过程提供的空气量、燃料的着火温度和炉膛温度、燃料与氧气在炉膛高温区停留的时间、燃料与空气的接触状况等。

燃料完全燃烧的条件有以下四点。

①空气条件。燃料燃烧时，必须按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。如果空气量过小，燃烧不完全，空气量过大，会导致炉温下降，排烟增加。

②温度条件。只有达到着火温度，才能和氧化合而燃烧。温度高于着火温度，且燃烧过程放热速率要高于向周围的散热速率，才能使燃烧过程持续进行。

着火温度是指在氧存在的情况下，可燃物质开始燃烧必须达到的最低温度。

③时间条件。燃料在燃烧室中停留的时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素，燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间。在所要求的燃烧反应速度下，停留时间将决定于燃烧室的大小和形状。温度越高，反应速度越快。

④燃烧与空气的混合条件。燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件，混合程度决定于空气的湍流度。对于蒸汽的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发；对于固体燃料的燃烧，湍流可以破坏燃烧产物在燃料颗粒表面形成的层流边界层，从而提高表面反应的氧利用率，加速燃烧过程。

适当控制这四个因素——空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必需的，评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真考虑这些因素。通常把温度（Temperature）、时间（Time）和湍流（Turbulenee）称为燃烧过程的“三T”。当温度、时间、湍流都处于理想状态，即完全燃烧。

2.燃烧的理论空气量

根据燃烧过程中的物质平衡，可以计算燃料燃烧所需要的空气（氧气）量和燃烧产物的生成量，以及与此有关的燃烧产物的成分和密度等，根据这些参数可以进行燃烧装置的设计和燃烧过程的控制。

（1）理论空气量

燃烧计算中要先计算理论空气量。单位燃料（固体和液体燃料用l kg，气体燃料用1m3）按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。

燃料燃烧所需的氧气一般来自于空气，在燃烧计算中假定：①空气仅有氮、氧组成，两者体积比为：79∶21=3.76，质量比为：76.8∶23.2=3.31；②燃料中的固态氧可用于燃烧；③燃料中的硫主要被氧化成SO2；④计算理论空气量时忽略热力型NOx的生成量；⑤空气和氧气均可看作理想气体，符合理想气体定律，在标准状态下（1 atm，273K），摩尔体积为22.4L/mol。

燃料的化学式为CxHySzOw，其中下标x、y、z、w分别代表C、H、S、O的原子数。

完全燃烧的化学反应方程式为

式中，Q代表燃烧热。

则理论空气量为

（2）空气过剩系数a

燃料完全燃烧时，所需的实际空气量取决于所需的理论空气量和“三T”条件的保证程度。在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧。但是，在实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想化的程度，因此，为使燃料完全燃烧就必须供给过量的空气。(www.xing528.com)

一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量比与理论空气量之比定义为空气过剩系数，即

空气过剩系数a一般根据经验选取或在运行中的燃烧装置上进行实测而取得。a值的大小决定于燃料的种类、燃烧方法、燃烧装置的构造、燃料和助燃空气的接触以及混合难易程度等因素，通常a＞1。无论燃烧哪一种燃料，都应当尽量在低空气过剩系数a下实现完全燃烧，因为在这样条件下的燃烧最经济。由于气体燃料与助燃的空气容易混合，所以，燃烧气体燃料时a可取小一些，而燃烧液体燃料或煤粉时，由于其粒子比气体分子大得多，两相要有足够的接触时间才能使液体燃料或煤粉充分燃烧，因此，燃烧这类燃料时，选用的a值比气体燃料要大。燃烧固体块状燃料时，由于它和空气的接触更差，燃烧时所取的a值更大。

（3）空燃比（AF）

空燃比（AF）定义为单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。例如，甲烷在理论空气量下的完全燃烧

燃料中碳相对含量增加，氢相对含量减少，理论空燃比减小。

3.燃烧产生的主要污染物

燃料的燃烧过程还伴随分解和其他的氧化、聚合等过程。燃烧烟气主要由悬浮的少量颗粒物、燃烧产物、未燃烧和部分燃烧的燃料、氧化剂以及惰性气体等组成。燃烧可能释放出的污染物有硫的氧化物、氮的氧化物、一氧化碳、二氧化碳、金属及其氧化物、金属盐类、醛、酮和稠环碳氢化合物等。这些都是有害物质，如粉尘含有致癌的重金属；二氧化硫是主要的酸雨源；HO2具有强烈刺激作用，毒性比SO2、NO都强，体积分数达到10-4时，人就会中毒死亡；二氧化碳和氮氧化物（如氧化亚氮）引起温室效应。我国是富煤贫油的国家，因为煤发热量低，灰分高，获得同样的热量耗煤量较大，所以，尽管煤的含硫量可能比重油低，但产生的SOx更多。煤的含氮量比重油高5倍，因此产生的NOx也比重油高。此外，煤炭燃烧还带来汞、砷等微量重金属污染，氟、氯卤素污染和低水平的放射性污染。

由于燃料的组成各异，燃烧条件不同，燃烧方式不一样，燃烧的产物也有差异。从图2-1可以看出，温度对各种燃烧产物的绝对量和相对量都有影响。

图2-1　温度对燃烧产物的影响

4.热化学关系式

（1）发热量

燃烧过程是放热反应，释放的能量（光和热）产生于化学键的重新排列。单位燃料完全燃烧时发生的热量变化，即在反应物开始状态和反应产物最终状态相同的情况下（298 K，1 atm）的热量变化，称为燃料的发热量，单位是kJ/kg（固体、液体燃料）或kJ/m3（气体燃料）。

燃料的发热量可分为高位发热量和低位发热量。高位发热量（QH）是指包括燃料燃烧生成物中水蒸气的汽化潜能；低位发热量（QL）是指燃料产物中的水蒸气仍以气态存在时完全燃烧过程所释放的热量。一般燃烧设备中的排烟温度均远远超过水蒸气的凝结温度，因此，大多数按低位发热量计算燃料发热量。

（2）燃料设备的热损失

燃料燃烧产生的热量仅有部分被有效利用，即热量的利用率都小于100%。因为所有燃烧设备都存在热损失，即使最优的设计和最佳的操作也只能减小设备的热损失。燃烧设备的热损失包括排烟热损失、不完全燃烧热损失和炉体散热损失等。

排烟热损失是由于排烟带走一部分热量造成的热损失。排烟热损失的大小，主要取决于排烟温度的高低和排烟体积的大小。排烟温度高，排烟热损失将增大。排烟温度的高低，一方面由设计时布置的热面多少决定；另一方面，运行中受热面上积灰、结渣，使传热恶化，导致排烟温度升高。因此，必须及时吹灰、打渣等，保持受热面清洁。另外，如果汽水质量不良，引起受热而内部结垢，也会使排烟温度升高，排烟体积增大，排烟热损失升高。运行中采用较大的过量空气系数及锅炉各处的漏风，都会使排烟体积增大。特别是炉膛下部的漏风，不仅使排烟体积增大，而且有可能使排烟温度升高。因此，在运行中，除供应合理的空气量外，应尽可能消除或减小漏风。

不完全燃烧热损失是指化学不完全燃烧和机械不完全燃烧造成的热损失。化学不完全燃烧热损失指的是排烟系统中未完全燃烧的可燃气体（如氢气、一氧化碳、甲烷等）所带走的热量。其主要影响因素有燃料的挥发分、炉膛空气过剩系数、燃烧器设计、炉膛温度、炉内空气动力工况等。机械不完全燃烧热损失指的是飞灰、落灰、灰渣、溢流灰和冷灰中未燃尽的可燃物所造成的热损失。其主要影响因素有燃料性质、燃烧器设计、炉膛温度、炉膛设计和炉膛过热空气系数。

散热损失是指锅炉运行时，由于炉墙、钢架、管道和某些部件的温度总是高于周围空气温度，有部分热量散失到空气中造成的热量损失。散热损失不仅降低锅炉的热效率，而且使锅炉房温度升高，恶化锅炉的工作环境。影响散热损失的因素有炉墙的砌筑质量、水冷壁敷设的多少、金属部件保温层的材料性能及厚度、锅炉结构是否紧凑、周围空气温度及流动情况等。燃烧热损失与空燃比的关系如图2-2所示。

图2-2　燃烧热损失与空燃比的关系