当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第二章 燃烧与大气污染 > 2-2 燃烧过程和计算 > 燃烧过程和计算
同学们好，本节课我们来学习燃料燃烧过程和烟气量计算
首先讨论 ”完全燃烧”的概念
燃烧即燃料中的可燃成分被氧化
当燃料中的元素被充分氧化，生成稳定的高价态无机物
烟气中不再包含任何可燃成分
这时被称为“完全燃烧”
燃料完全燃烧时，C元素全部转化为CO2
H元素全部转化为水
不完全燃烧时，则还会生成CO、黑烟及其他部分氧化物
如果燃料中含有S和N，则还会生成二氧化硫和氮氧化物
空气中的部分N2也会在燃烧过程中转化为热力型氮氧化物
实际燃料在燃烧时，都处于不同程度上的不完全燃烧状态
产生的污染物
主要包括CO、SOx、NOx、HC、烟、飞灰、金属及其氧化物等
二氧化碳目前不被认为是大气污染物，但却是一种温室气体
而氢元素完全燃烧产生的水目前则不被认为是污染物
燃烧产物的绝对量和相对量与燃烧条件密切相关
温度、燃料种类、燃烧方式对其都有着重要的影响
这是燃烧产生的主要污染物与燃烧温度的关系示意图
燃烧过程中烟气中粉尘浓度随温度的上升而略有下降
硫氧化物由于主要来源于燃料
而燃料中的硫绝大多数都会转化为硫氧化物
故受温度影响不大
氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物受温度影响显著
在高温下，空气中的氮气会产生热力型氮氧化物
所以随着温度的升高，氮氧化物的排放浓度也会迅速增加
而随着温度的升高，燃烧更为剧烈
传质更为迅速，燃烧更倾向于充分
所以一氧化碳、碳氢化合物等不完全燃烧产物的浓度会随之下降
仅就污染物排放考虑，需要将燃烧温度控制在一个合理的范围内
以尽可能减少污染物的总排放量
下面介绍另外一个概念，燃料燃烧的理论空气量
单位量按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量
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
理论空气量通常以单位质量燃料所需空气的质量表示
亦称空燃比
例如辛烷在理论空气量下燃烧时的空燃比为15.03
为了保证燃料的充分燃烧，一般需要通入过量的空气
这里先来介绍衡量空气和燃料相对比例的一个术语
“空气过剩系数”
它等于实际空气量与理论空气量之比
以α表示，α通常>1
当α大于1时，空气过剩，亦称为贫燃状态
当α小于1时，空气不足，或称富燃状态
当α等于1，则按化学当量比燃烧
但实际情况则不能完全燃烧
而会产生大量的不完全燃烧产物
在不同的空燃比下
燃烧产生的烟气体积及其化学组分将有所不同
其影响如图所示
在富燃条件下，氧气不足，燃料过剩，燃烧不完全
会产生一氧化碳、碳氢化合物等不完全燃烧的产物
在贫燃条件下
氧气过剩，燃料不足，燃烧充分，有剩余的氧气
不完全燃烧的产物一氧化碳、碳氢化合物等浓度很低
在化学计量比下，燃料和氧气恰好完全反应
没有剩余的氧气和不完全燃烧的产物
二氧化碳排放量在此时达到峰值
但由于混合条件并不理想，燃烧各区域空燃比并不一致
所以在富燃状态也会有少量氧气剩余
在贫燃时也会产生少量一氧化碳和碳氢化合物
在进行燃烧过程计算时，通常假定燃料完全燃烧
燃料完全燃烧需要满足以下主要条件
一、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
第二、温度条件：达到燃料的着火温度
三、时间条件：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间
即反应基本不受动力学因素控制
第四、燃料与空气的混合条件
燃料与氧充分混合，燃烧区域各部分化学计量比一致
建立燃烧化学方程式时，通常假定
一、空气组成仅由氮和氧组成，其体积比为79.1/20.9 = 3.78
第二个假定是，燃料中的固定态氧可用于燃烧
第三条假定，燃料中的硫主要被氧化为SO2
关于氮平衡:忽略热力型NOx, 燃料中的氮主要转化为N2
同时还要假定：燃料的化学方程式为CxHyOzNwSv
每种元素加上一个角标
代表这个化学式中，这些元素的原子数
常称为表观分子式
下面我们举例讲解整个燃烧过程的计算
已知某种烟煤的质量组分为
水分3.06%
灰分占干燥基的21.32%
可燃分的元素组成为
已知空气过剩系数为1.1
入口空气温度为25℃，压力1 atm
出口烟气温度为450K，压力1atm
(1)求每千克煤燃烧所需的实际空气量
(2)求每千克煤燃烧产生的烟气量
(3)求烟气中水蒸气和二氧化硫的体积分数
题目中给出了煤的元素分析结果
但各组分的基准不同
需要首先换算出每千克煤中
C、H、O、N、S、水、灰分的量各为多少
给出该种煤的表观分子式
把1kg煤作为总体，水分占3.06%
可换算为含水1.7mol
去除水分的其余部分为干燥基
其中灰分为21.32%，剩余的可燃分元素组成已知
经计算为
第二步，计算需氧量
1mol的C完全燃烧需要1mol的氧气
1mol的H燃烧需要1/4mol的氧气
1mol的S燃烧生成二氧化硫需要1mol的氧气
再扣除燃料中本身含有的氧元素
便可得出燃料燃烧的理论需氧量
理论需氧量是燃料按化学计量比燃烧时所需的氧气量
一般为了保证完全燃烧，需要通入过剩的氧
例题给出空气过剩系数为1.1
故将理论需氧量乘以1.1，便得到实际需氧量67.49mol
第三步，列出化学计量方程
在书写方程式时
为了表征反应前的空气量和反映后的烟气量
一般将不参与反应的氮气和水分也一并列入方程式
根据化学计量关系将方程式配平即可
第四步计算实际空气量。根据空气中氮气和氧气的比例
将实际需氧量乘以4.78，便可以得到实际空气量
根据理想气体状态方程，计算出实际空气的体积即可
本题计算得7.89立方米。 第五步，计算烟气量
根据化学方程式右侧的产物，将二氧化碳
水蒸气、二氧化硫、未反应的氧气和不参与反应的氮气
加在一起便得到烟气的物质的量335.84 mol
根据理想气体状态方程计PV=nRT算烟气体积即可
需要注意的是烟气温度。题中给出的烟气温度为450K
对应烟道内气体的体积为12.4 立方米
也就是说，一公斤煤燃烧产生的烟气是12.4立方米
如果想更好的表征排放到大气中的烟气量、
可以用标况体积7.52立方米
第六步，计算烟气和水汽占烟气的比例
由气体状态方程知，气体体积之比等于物质的量之比
根据化学方程式的计量关系易得
本题中水分含量为6%，二氧化硫含量为923ppm
这里需要指出的是，空气当中水分我们假定为0
实际上空气水分必要时应该给与考虑
有些时候除了上述的计算外，还要估算燃料的发热量或燃料的热值
发热量指单位燃料完全燃烧时所放出的热量
即在反应物开始状态和反应产物终了状态相同下的热量变化
计算时通过化学方程式前后物质的生成焓进行计算即可
需要考虑到反应前后温度和压力条件的变化
需要特别提醒，通常燃料热值有两种表达方式
低位热值和高位热值
燃烧产物水
由于有液体和气体两种状态，所以对应着燃料两种热值
当燃烧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为低位发热量
当燃烧产物中的水转变为液态时
完全燃烧过程所释放的热量为高位发热量
高位发热量比低位发热量多出了水液化释放出的热量
第二节就讨论到这里，谢谢大家，再见
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
-6-1 重力沉降室
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
-6-2 旋风除尘器
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
-6-5 电除尘器的结构和设计
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
-6-6 袋式除尘器的工作原理
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
-6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
-6-8 袋式除尘器的设计和应用
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
-6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
-6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
-6-11 除尘器的选择与发展
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
-7-4 气体吸附原理与速率
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
-7-9 气固相催化反应器的设计
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
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-8-1 概述--作业
-8-2 燃烧前燃料脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
-8-4 高浓度二氧化硫回收
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
-8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）
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-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-10 循环流化床干法烟气脱硫--作业
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-Lecture 01
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