能源與環(huán)境概論 教學課件 ppt 作者 李潤東 可欣 主編第三章 化石能源與環(huán)境保護

1、第三章 化石能源與環(huán)境保護,目 錄,3.1 煤炭3.2 石油3.3 天然氣3.4 硫氧化物生成機理及污染控制3.5 氮氧化物排放及控制機理3.6 顆粒物3.7 酸雨,3.1 煤炭,煤炭的定義：煤炭是由遠古植物遺體經(jīng)歷漫長的地質(zhì)年代，在覆蓋地層下發(fā)生一系列復雜的生物化學、物理化學和地球化學等作用轉(zhuǎn)變而成的有機沉積巖。,在地質(zhì)歷史上，沼澤森林覆蓋了大片土地，包括菌類、蕨類、 灌木、喬木等植物。但在不同時代海平面常有

2、變化....當水面升高時，植物因被淹而死亡。如果這些死亡的植物被沉積物覆蓋而不透氧氣，植物就不會完全分解，而是在地下形成有機地層。隨著海平面的升降，會產(chǎn)生多層有機地層。經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用，在溫度增高、壓力變大的還原環(huán)境中，這一有機層最后會轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩?。因埋深和埋藏時間的差異，形成的煤也不盡相同。,3.1.1 煤的組成和品質(zhì),煤,3.1.1 煤的組成和品質(zhì),泥炭 褐煤

3、 煙煤 無煙煤,四類典型的腐殖煤,3.1.2 煤的工業(yè)分析和元素組成,3.1.2.1 煤的工業(yè)分析——水分,游離水,煤中水,化合水 / 結(jié)晶水 與礦物質(zhì)化合的水；一般200℃以上可除；工業(yè)分析不予考慮,濕存水 /內(nèi)在水分 Minh <10-5cm毛細孔中；其蒸汽壓 低于純水；105

4、~110℃ 可除盡,收到煤—含外在水分的煤空氣干燥煤—失去外在水分的煤干燥煤—失去內(nèi)在水分的煤,全水分—外在水分與內(nèi)在水分總和，Mt最高內(nèi)在水分—在相對濕度96%，溫度30ºC條件下，煤樣內(nèi)部毛細孔的水分達到平衡狀態(tài)測得的水分，MHC,3.1.2.1 煤的工業(yè)分析——揮發(fā)分,揮發(fā)分（V） ——煤在規(guī)定條件下，隔絕空氣加熱后揮發(fā)性有機物質(zhì)的產(chǎn)率不是煤中的固有物質(zhì)，是煤在特定加熱制度下的熱分解產(chǎn)物 ，稱揮發(fā)分產(chǎn)

5、率更確切與煤的成因、煤巖類型及煤化程度有關(guān) 應(yīng) 用作為煤的第一分類指標，表征煤的煤化度初步評價煤的加工工藝適宜性配合其它指標預(yù)測煤干餾的主要產(chǎn)物計算發(fā)熱量,稱取0.2mm以下的分析煤樣1g；在900±10 ℃溫度下，隔絕空氣加熱7分鐘；以減少的質(zhì)量占煤樣質(zhì)量的百分數(shù)，減去該煤樣的水分含量（Mad）作為揮發(fā)分產(chǎn)率按以下公式計算 Vad——空氣干燥煤樣的揮發(fā)分產(chǎn)率，%

6、 m1——煤樣加熱后減少的質(zhì)量，g M ——煤樣的質(zhì)量，g Mad——空氣干燥煤樣的水分含量，%* 如煤中碳酸鹽形式的CO2含量? 2%時，應(yīng)從計算結(jié)果中扣除,揮發(fā)分的測定,3.1.2.1 煤的工業(yè)分析——灰分,灰分，煤燃燒后剩下的殘渣，可反映煤中礦物質(zhì)含量。,煤灰的化學組成： SiO2，Al2O3，CaO，MgO 9

7、5% Fe2O3， TiO2，SO3，P2O5，K2O， NaO 5%,煤的灰分的測定,（1） 緩慢灰化法 稱取小于0.2mm的分析煤樣1g；在電爐中30分鐘內(nèi)使爐溫升至500ºC，并在500ºC保持30分鐘，然后繼續(xù)升溫到815 ºC，灼燒1小時；冷卻稱重（2） 快速灰化法 如上稱取煤樣，置于預(yù)熱到850 ºC的電爐中，在815 ºC灼燒40 分鐘，冷

8、卻稱重 空氣干燥煤樣的灰分計算公式 Aad = m1/m2×100% Aad——空氣干燥煤樣的灰分，% m1——殘留物的質(zhì)量，g m2 ——煤樣的質(zhì)量，g,3.1.2.1 煤的工業(yè)分析——固定碳,指從煤中除去水分、灰分和 揮發(fā)分后的殘留物,固定碳和揮發(fā)分一樣，不是煤中的固有

9、成分,是有機質(zhì)的熱分解產(chǎn)物不僅含有碳，還含有氧、氮和硫等元素固定碳含量與煤中碳元素含量是不同的概念,固定碳的計算 FCad=100–（Mad+Aad+Vad） FCad——空氣干燥煤樣的固定碳含量，% Mad——空氣干燥煤樣的水分含量，% Aad——空氣干燥煤樣的灰分產(chǎn)率，%

10、 Vad——空氣干燥煤樣的揮發(fā)分產(chǎn)率，%,3.1.2.2 煤的元素分析——碳,煤中有機質(zhì)的主要組成元素構(gòu)成煤的大分子骨架隨著煤化度的升高而有規(guī)律地增加對煤化度的表征比揮發(fā)分更準確在煤中占50%-95%,3.1.2.2 煤的元素分析——氫,在煤中重要性僅次于碳，其原子百分數(shù)與碳在同一數(shù)量級構(gòu)成煤大分子骨架和側(cè)鏈、官能團與碳相比，具有較大的反應(yīng)能力，燃燒熱更大 隨著煤化度的升高，氫含量逐

11、漸下降,3.1.2.2 煤的元素分析——氧,有機氧在煤中以—COOH、—OH、>C=O、—OCH3、—C—O—C—D 等形態(tài)存在煤中有機氧含量隨煤化度增高而明顯減少氧反應(yīng)能力很強，對煤的加工利用影響較大,3.1.2.2 煤的元素分析——氮,是煤中唯一的以有機狀態(tài)存在的元素煤中氮含量隨煤化度的加深無規(guī)律可循氮含量影響煤的轉(zhuǎn)化過程,3.1.2.2 煤的元素分析——硫,,,,煤中的硫,無機硫,有機硫 So 來自成

12、煤植物蛋白質(zhì)和微生物蛋白質(zhì),硫酸鹽硫 Ss －－－－－－ 不可燃硫 煤中硫鐵礦硫氧化生成,硫化物硫 SP 成煤植物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物 水中硫酸鐵等鹽類的還原物,單質(zhì)硫 Sel,可燃硫,St ＝ Ss ＋ Sp ＋ Sel ＋ So,1） 煤中硫的賦存形態(tài)與來源,煤的貯存中，硫鐵礦多的煤易引起自燃煉焦中，60%的硫進入焦炭，影響煉鋼質(zhì)量燃燒生成SO2，污染環(huán)境，腐蝕設(shè)備,2）硫

13、對煤應(yīng)用的影響,3.1.2.2 煤的元素分析——硫,3.1.2.2 煤的元素分析——元素分析的基準,3.1.3 煤的類別及用途,1. 褐煤（HM） 水分大、孔隙大、密度小、揮發(fā)分高、不黏結(jié)，含有不同數(shù)量的腐植酸。煤中氫含量高達15%—30%，化學反應(yīng)性強，熱穩(wěn)定性差。 2. 長焰煤（CY） 是煤化程度最低的煙煤，有的還含有一定量的腐植酸。煤的燃點低，貯存時易風化碎裂。 3. 不黏煤（BN）煤中水分含量高，

14、發(fā)熱量較低，有的含一定量再生腐植酸，煤中氧含量多在10%—15%左右。主要用作發(fā)電和氣化用煤，也可作動力用煤及民用燃料。4. 弱黏煤（RN） 是一種黏結(jié)性較弱的從低變質(zhì)到中等變質(zhì)程度的非煉焦用煙煤。適易作氣化原料及動力燃料使用。,3.1.3 煤的類別及用途,5. 1/2中黏煤（1/2ZN） 是一種中等黏結(jié)性、中高揮發(fā)分的煙煤。 用于氣化或動力用煤，煉焦時也可適量配入。6. 氣煤（QM）

15、 是一種變質(zhì)程度較低的煉焦煤，結(jié)焦性較好，熱解時能產(chǎn)生較多的煤氣和焦油，膠質(zhì)體的熱穩(wěn)定性較差，在配煤煉焦時多配入氣煤可增加煤氣和化學產(chǎn)品的回收率，有些氣煤也可用于高溫干餾制造城市煤氣。7. 氣肥煤（QF） 是一種揮發(fā)分產(chǎn)率和膠質(zhì)層厚度都很高的強黏結(jié)性煉焦煤，結(jié)焦性優(yōu)于氣煤而劣于肥煤，氣肥煤最適宜高溫干餾制煤氣，用于配煤煉焦可增加化學產(chǎn)品的回收率。8. 1/3焦煤（1/3JM） 是一種

16、中等偏高揮發(fā)分的強黏結(jié)性煉焦煤， 它既能單獨煉焦，同時也是良好的配煤煉焦的基礎(chǔ)煤，煉焦時它的配入在較寬范圍內(nèi)波動都能獲得高強度的焦炭。,3.1.3 煤的類別及用途,9. 肥煤（FM） 是中等揮發(fā)分及中高揮發(fā)分的強黏結(jié)性煉焦煤，熱解時能產(chǎn)生大量膠質(zhì)體。單獨煉焦時能生成熔融性好、強度高的焦炭，耐磨強度優(yōu)于相同揮發(fā)分的焦煤煉出的焦炭，但是單獨煉焦時焦炭有較多的橫裂紋，焦根部位常有蜂焦。是配煤煉焦的基礎(chǔ)煤。10.

17、 焦煤（JM） 是一種結(jié)焦性較強的煉焦煤，加熱時能產(chǎn)生熱穩(wěn)定性很高的膠質(zhì)體。單獨煉焦時能得到塊度大，裂紋少，抗碎強度和耐磨強度都很高的焦炭，但是單獨煉焦時膨脹壓力大，有時推焦困難，一般用作配煤煉焦較好。11. 瘦煤（SM） 是低揮發(fā)分中等黏結(jié)性的煉焦煤，煉焦過程中能產(chǎn)生相當數(shù)量的膠質(zhì)體。單獨煉焦時能得到塊度大、裂紋少、抗碎強度較好的焦炭，但耐磨強度較差，用于配煤煉焦使用較好。高硫、高灰的瘦煤一般

18、只用作電廠及鍋爐燃料。,3.1.3 煤的類別及用途,12. 貧瘦煤（PS） 煉焦煤中變質(zhì)程度最高的一種，特點是揮發(fā)分較低，黏結(jié)性比典型瘦煤差。單獨煉焦時，生成的粉焦多，配煤煉焦時配入較少比例就能起到瘦化作用，有利于提高焦炭的塊度。這種煤也可用于發(fā)電、機車、民用及鍋爐燃料。13. 貧煤（PM） 是煤化程度最高的煙煤，不黏結(jié)或弱黏結(jié)。燃燒時火焰短，耐燒，燃點高。主要用作電廠燃料、民用和工業(yè)鍋爐的燃

19、料。14. 無煙煤（WY） 無煙煤的特點是揮發(fā)分產(chǎn)率低，固定碳含量高，純煤真相對密度達到1.35—1.90，無黏結(jié)性，燃點高，燃燒時不冒煙。無煙煤主要供民用和做合成氨造氣的原料；低灰、低硫、可磨性好的無煙煤不僅是理想的高爐噴吹和燒結(jié)鐵礦石的燃料，而且還可制造各種碳素材料（碳電極、炭塊、陽極糊和活性炭等）,3.1.4 煤炭采用過程中的環(huán)境問題,一、土地資源——影響,①開采沉陷破壞土地 A.山地丘陵地

20、區(qū) B.低潛水位平原地區(qū) C.高潛水位平原地區(qū)②矸石山壓占土地③露天采掘場挖損土地④排土場壓占土地,山西平朔露天煤礦,內(nèi)蒙古露天煤礦,土地復墾技術(shù)①煤矸石充填復墾技術(shù)②粉煤灰充填復墾技術(shù)③平整土地與修建梯田復墾技術(shù)④疏排法復墾技術(shù)⑤挖深墊淺復墾技術(shù)⑥生態(tài)農(nóng)業(yè)復墾技術(shù)⑦生物復墾技術(shù),一、土地資源——治理措施,修建梯田復墾技術(shù),二、水資源——影響,（1）對地表水的影響 礦

21、井水是煤礦排放量最大的一種廢水，它對地表水（如河流、湖泊）等水資源產(chǎn)生較大的污染與破壞。礦井水主要來自地表滲水、巖石孔隙水、地下含水層疏放水以及煤礦生產(chǎn)中防塵、灌漿和充填污水等。 此外，矸石和露天堆煤場遇到雨天，污水流經(jīng)地表水體；選煤廠的廢水不經(jīng)處理大量排放，對地表水源造成污染等等，使礦區(qū)周圍的河流、沼澤地或積水池等變?yōu)楹谏浪?二、水資源——影響,（2）對地下水的影響 煤礦開采必然涉及到對地下水的疏干

22、和排泄，由于地下水的不斷疏干和排泄，必然導致地下水位大面積大幅度的下降，礦區(qū)主要供水水源枯竭，地表植被干枯，自然景觀破壞，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，嚴重時可引起地表土壤沙化。 ①煤矸石淋濾液污染地下水 ②粉煤灰污染淺層地下水 ③礦井水、洗選水對地下水的污染 ④改變了礦區(qū)的水文地質(zhì)條件,三、大氣環(huán)境——影響,（1）煤炭開發(fā)、儲存和運輸過程的污染（2）礦區(qū)燃煤造成的污染（3）礦

23、井瓦斯,四、生態(tài)環(huán)境——影響,（1）塌陷區(qū)毀壞了大量良田（2）對生態(tài)系統(tǒng)造成不利的影響（3）鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的興起對生態(tài)環(huán)境的影響,五、噪聲污染——影響,煤礦井下噪聲主要來自鑿巖、放炮、采煤和通風排水等各種機電設(shè)備。其噪聲級達90dB(A)以上，有的高達 120dB(A)，遠遠超過國家工業(yè)衛(wèi)生標準。 煤礦地面噪聲源十分廣泛，其強噪聲源主要集中在井口和選煤廠，對作業(yè)環(huán)境影響特別嚴重，常常對職工造成聽覺損害；同時噪聲還會污染周圍

24、環(huán)境，影響居民的正常生活、學習和工作環(huán)境。,3.2 石油,石油(Petroleum) ：古地質(zhì)年代的有機物質(zhì)沉積后，經(jīng)過長期物理、化學變化而成，是深埋于地下巖石中的液態(tài)的、以碳氫化合物為主要成分的可燃性礦產(chǎn)。石油是由各種碳氫化合物與少量雜質(zhì)組成的液態(tài)可燃礦物，主要成分是液態(tài)烴。,3.2.1 石油的成分與分類,,一、石油的元素組成 主要成分：C、H、O、S、N。 C：84~87%，H：11~14%，兩者占97~99%；

25、O、S、N總量僅占1~4%； 灰分：其它微量元素，如：鎳（Ni）、釩（V）、鐵（Fe）等構(gòu)成了石油灰份，其總含量一般只有l(wèi)％～3％ ，已發(fā)現(xiàn)其它微量元素54種。 如墨西哥石油含硫3.6~5.3%。美國加利福尼亞第三系石油氮含量可達1.4~2.2%。,二．組分和餾分組成： 根據(jù)石油中化合物的不同組份對有機溶劑和吸附劑所具有的選擇性溶解和吸附的特性：（1）油質(zhì)：烴類組成的淺色粘性物質(zhì)，是石油的主要組份，可溶解于石油醚而不

26、被硅膠所吸附，成份主要為飽和烴和一部分芳香烴。（2）膠質(zhì)：粘稠狀的液體或半固體，可溶于石油醚、苯、三氯甲烷等有機溶劑，可被硅膠吸附?？煞譃楸侥z質(zhì)（用苯解吸的產(chǎn)物）和酒精—苯膠質(zhì)。前者多為芳香烴和一些含有雜原子（氧、硫、氮）的芳香烴化合物，后者主要為含雜原子的非烴化合物。輕質(zhì)油中膠質(zhì)含量少于5%，重質(zhì)油中膠質(zhì)含量可達20%以上。,（3）瀝青質(zhì)：不溶于石油醚和酒清，而溶于苯、三氯甲烷的瀝青部分。其分子量較大，在電子顯微鏡下，其宏觀結(jié)構(gòu)呈膠

27、狀顆粒，其分子結(jié)構(gòu)以稠環(huán)芳香烴和烷基側(cè)鏈組成的復雜結(jié)構(gòu)。黑色脆性的固體粉末。（4）碳質(zhì)：石油中不溶于有機溶劑的非烴化合物。非烴化合物，在石油中含量少或無。,二．餾分組成：,三．石油分類：,可以按密度、含硫量、含氮量、含蠟量、含膠質(zhì)量等進行分類。但各國的分類標準都按本國原油性質(zhì)規(guī)定,互不相同。,原油的相對密度分類輕質(zhì)原油——相對密度（d）＜0.8661中質(zhì)原油——相對密度（d）= 0.8662～ 0.9161重質(zhì)原油——相對密度（

28、d）= 0.9162～ 1.0000 特稠原油——相對密度（d）＞ 1.0000,原油的含硫量分類低硫原油——硫含量 ＜ 0.5%；含硫原油——硫含量 = 0.5%～2.0%；高硫原油——硫含量 ＞ 2.0%。原油的蠟含量分類 低蠟原油——含蠟 = 0.5%～2.5%; 含蠟原油——含蠟 = 2.5%～10%

29、; 高蠟原油——含蠟 ＞ 10%。,3.2.2 石油的加工,3.2.2.1 石油的加工工藝,燃料型,燃料－潤滑油型,燃料－化工,初餾塔,分離法——分餾法,常壓塔,,減渣(催化、焦化),減壓塔,,,,,,,,,,,,,煤油,柴油,加氫裂化,催化裂化,原油,根據(jù)原油中各組份的沸點不同，將混合物切割成不同沸點的“餾份”。,根據(jù)壓力越低油品沸點就越低的特性，采用抽真空的方法，使加熱后的常壓重油在負壓條件下進行分餾。,換熱系

30、統(tǒng),轉(zhuǎn)化法——加氫裂化,反應(yīng)器,,,煤油,柴油,原料,低分,高分,分餾塔,,氫氣,,,,汽油去重整,尾油,加氫裂化原理：在催化劑作用下，烴類和非烴化合物加氫轉(zhuǎn)化。烷烴、烯烴進行裂化、異構(gòu)化和少量環(huán)化反應(yīng)；多環(huán)化物最終轉(zhuǎn)化為單環(huán)化物。,加氫精制原理：對餾份油進行脫硫、脫氮、脫氧、脫金屬和瀝青等雜質(zhì)及對烯烴、芳烴的加氫飽和，從而來改善油品的氣味、顏色和安定性，提高油品的質(zhì)量。,分餾系統(tǒng),穩(wěn)定系統(tǒng),取熱器,,,,,轉(zhuǎn)化法——催

31、化裂化,液化氣,汽油,柴油去加氫精制,油漿(焦化),原料,主風,煙機,在催化劑的作用下，大分子變成小分子，一部分縮合成焦炭。催化劑上的焦炭經(jīng)燒焦恢復活性，在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。,,,,,汽油（去精制）,柴油（去精制）,蠟油（去加氫裂化）,轉(zhuǎn)化法——焦化,分餾塔,渣油,,石油焦,原料油加熱到一定溫度后可進行裂解和縮合反應(yīng)，生成氣體、汽油、柴油、蠟油和循環(huán)油等，反應(yīng)生成的固體產(chǎn)品石油焦沉積在焦炭塔底部。,轉(zhuǎn)化法——催化重整,,預(yù)分餾塔

32、,預(yù)脫砷,預(yù)加氫,分離器,脫水塔,一二反應(yīng)器,三四反應(yīng)器,穩(wěn)定塔,初頂汽油,加氫石腦油,重整汽油,芳烴抽提,在一定溫度、壓力、氫氣條件下通過催化劑的作用，將正構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴分子中的原子重新調(diào)整排列轉(zhuǎn)化生成分子量相近或相等的芳香烴和異構(gòu)烷烴，從而獲得高辛烷值汽油和各種輕質(zhì)芳香烴。,進入常減壓,3.2.2.2 石油加工的產(chǎn)品,一.石油煉制產(chǎn)品——石油的直接產(chǎn)品第一類：“燃料油品” 包括汽油、煤

33、油、柴油、燃料重油、瀝青、石油焦、液化石油氣等動力燃料；第二類： “潤滑油品” 包括潤滑油、潤滑脂以及石蠟等。,第一類：燃料油品,A. 汽油B. 煤油C. 柴油 D. 燃料油E. 瀝青F. 液化石油氣G. 石油焦,第二類：潤滑油品----品種最多,潤滑油（機油）和潤滑脂作用：具有潤滑、冷卻、沖洗、密封、保護、絕緣、減振和傳遞力等作用。 種類：內(nèi)燃機潤滑油、機械油、壓縮機油、汽輪機油、齒輪油、液壓油、電器用油。,

34、石蠟和地蠟,石蠟具有優(yōu)良的絕緣性、熱溶性、潤滑性、可塑性、可燃性和密封性,廣泛應(yīng)用于輕工、化工、電子、建筑、交通運輸、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多個領(lǐng)域。,地蠟常常用來制造鞋油、 化妝油膏、汽車蠟, 在工業(yè)上還用來做電氣絕緣材料、 假漆和油漆等。用地蠟還可以制成凡士林。,石蠟,地蠟,二. 石油化工產(chǎn)品石油煉制產(chǎn)品大都是多種性質(zhì)相近的烴類化合物的混合物,而化工產(chǎn)品大都是單一的化合物,所以化工產(chǎn)品要講求純度、分子結(jié)構(gòu)等。,石油化

35、工產(chǎn)品的生產(chǎn)程序,原油,基本有機原料,醇、醛、酮、酸、胺,合成樹脂,合成纖維,合成橡膠,合成洗滌劑,化學肥料,炸藥,,,有機合成,,,,,,,,,3.2.5 石油開采利用帶來的環(huán)境問題,(1)廢水。廢水排放量較大,其主要污染物為石油類、有機物、硫化物、酸、堿、富營養(yǎng)物等。(2)廢氣。廢氣主要來自于燃料燃燒和工藝過程,其主要污染物為硫化氫、二氧化硫、氮氧化物等。(3)噪聲。噪聲主要來自于大功率的機械

36、設(shè)備、物料的反應(yīng)和輸送、生產(chǎn)異常情況下的放空等。(4)固體廢物。固體廢物主要來源于生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢物,如原料生產(chǎn)后產(chǎn)生的固體廢物,廢催化劑,添加劑等;非生產(chǎn)性的固體廢物,如辦公室、倉庫、維修單位、實驗室等排出的廢棄物以及建筑垃圾等;“ 三廢” 處理過程排出的固體廢物,如污水處理產(chǎn)生的污泥和廢氣處理收集的粉塵等。,按照“廢物”狀態(tài)，一般的石油化工廠有廢水、廢氣、廢渣治理系統(tǒng)。主要污染物治理裝置為：①污水處理場；②含硫廢水汽提裝

37、置；③硫磺回收裝置；④廢渣處理裝置,3.3 天然氣,天然氣（Natural Gas），廣義上指埋藏于地層中自然形成的氣體的總稱。但通常所稱的天然氣只指貯存于地層較深部的一種富含碳氫化合物的可燃氣體（主要成分是甲烷(CH4)），是埋藏在地下的古生物經(jīng)過億萬年的高溫和高壓等作用而形成的，是一種熱值高、燃燒穩(wěn)定、潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源和化工燃料。,氣田氣,氣田,油田伴生氣,凝析氣田,天然氣,,,3.3.1 天然氣的特性,天然氣是一種多組分的混

38、合氣體，主要成分為烷烴，其中CH4占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有H2S、CO2、N2和水蒸氣，以及微量的惰性氣體，如氦（He）和氬（Ar）等。在標準狀況（0℃，101325Pa）下，甲烷至丁烷（C1～C4）以氣體狀態(tài)存在，戊烷（ C5 ）以上為液態(tài)。 氣田氣特點：甲烷含量特別多，占90％以上。 油田伴生氣特點：含乙烷和乙烷以上的烴類較多。就組成而言，不但各氣田、油田的氣體組成相差較大，即使

39、同一產(chǎn)地的氣體也因時期不同略有差異。,天然氣的組成,,,,,石油地質(zhì)學,廣義上,油田氣,煤層氣,生物生成氣,天然氣的分類,天然氣的密度： 天然氣的密度因組分不同而變化，一般為0.63～0.71kg/Nm3（Nm3：標方，天然氣行業(yè)指絕對壓力101.325kPa、溫度20℃時）。相同條件下空氣密度為1.205kg/m3，天然氣比空氣輕。天然氣熱值： 天然氣的熱值因組分不同而有所變化，熱值一般為8600kcal/Nm3

40、（大卡/標方，也就是35.9MJ/Nm3）。天然氣燃點： 天然氣燃點在650℃以上，比汽油燃點（427℃）高出223℃，所以與汽油相比不易點燃。,3.3.2 天然氣的用途,城市燃氣：(1) 城鎮(zhèn)居民炊事、采暖等用氣；(2) 公共服務(wù)設(shè)施（如政府機關(guān)、學校、賓館、餐飲業(yè)、商場等）用氣；(3) 天然氣汽車（CNG）：價格低，解決汽車尾氣污染等問題。,隨著人民生活水平的提高及環(huán)保意識的增強，大部分城市對天然氣的需求明顯增加。,天

41、然氣化工：以天然氣為原料生產(chǎn)合成氨、甲醇、二甲醚、炭黑等。天然氣發(fā)電：主要用于電負荷中心且天然氣供應(yīng)充足的地區(qū)，利用天然氣發(fā)電。,工業(yè)燃料：主要用于建材、機電、輕紡、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中的工廠采暖、生產(chǎn)用鍋爐等各方面，是緩解能源緊缺、降低燃煤比例，減少環(huán)境污染和成本的有效途徑。,3.3.2 天然氣開發(fā)利用帶來的環(huán)境問題,1 主要污染物硫化物：為保護管道首先脫硫，但轉(zhuǎn)化率不高時尾氣污染嚴重伴生鹽水：2 破壞海洋生態(tài)環(huán)境：

42、 氧含量降低,氣井的廢氣燃燒處理,3.4 硫氧化物生成機理及污染控制,3.4.1 硫氧化物的危害,SO2的污染屬于低濃度長期污染，對生態(tài)環(huán)境一般是一種慢性疊加性長期危害，它已經(jīng)對自然生態(tài)平衡、人類健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑物、材料等方面造成一定程度的危害。SO2對人體的危害　　SO2對人體健康的影響主要是通過呼吸道系統(tǒng)進入人體，與呼吸器官作用，引起或加重呼吸器官的疾病。如鼻炎、咽喉炎、支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫、肺癌等?！　?/p>

43、大量資料表明，SO2與大氣中其他污染物協(xié)同作用，對人體健康的危害更大。,SO2對植物的危害　　植物對SO2特別敏感，主要通過葉面氣孔進入植物體內(nèi)，在細胞或細胞液中生成SO32-或HSO3-和H+。如果其濃度和持續(xù)時間超過了本身的自解機能（即閾值濃度）時，就會破壞植物的正常生理機能，使光合作用降低，影響體內(nèi)物質(zhì)代謝和酶的活性，從而使葉細胞發(fā)生質(zhì)壁分離、收縮或崩潰。葉綠素分解等。從表面看，葉片出現(xiàn)傷斑、發(fā)黃、枯卷、落葉、落果或生長緩慢等，

44、嚴重時則會枯死?！　⊥瑫r會使植物對病蟲害的抵抗力下降，造成間接危害。,3.4.2 燃料燃燒過程硫氧化物的形成,,3.4.2.1 化石燃料中硫的形態(tài),石油中的硫：大部分以有機硫的形式存在。各種汽油、溶劑、化學產(chǎn)品和燃料油是原油經(jīng)過蒸餾、裂化和重整等煉制過程產(chǎn)生的，含硫量也隨處理工藝而異。 主要含硫物質(zhì)為：硫醇、硫酚、噻吩等,活性硫化物：,硫、硫化氫、硫醇等,非活性硫化物：,硫醚、二硫化物、噻吩等。熱穩(wěn)定性較差→活性硫化物,煤

45、中硫的形態(tài)：,B 硫化物硫：與鐵結(jié)合在一起，形成FeS2(黃鐵礦、白鐵礦)等,A 有機硫：直接結(jié)合于有機母體中的硫，與煤呈化合態(tài)，均勻分布硫醇R-SH,硫醚R-S-R,二硫醚羧R-S-S-R,噻吩類雜環(huán)硫化物,硫醌等,C 硫酸鹽硫：以各種硫酸鹽的形式（石膏CaSO4·2H2O、綠礬FeSO4·7H2O）存在于煤的礦物雜質(zhì)中。,D 元素硫,3.4.2.2 燃燒過程中硫氧化物的生成機理（以煤為例）,空氣中的硫氧化物主要

46、來源于含硫燃料的燃燒。燃料中的硫，除少量非燃燒性硫(5~10%)殘留在灰分中外，絕大部分都氧化成SO2。不過即使空氣過量，也只有0.5~2%的SO2轉(zhuǎn)化成SO3。,煤炭中的可燃硫有兩種：　　有機硫：硫醚、硫醇和二硫化物　　無機硫：FeS2,有機硫構(gòu)成煤分子的一部分，在煤中均勻分布，而無機硫顆粒尺寸較小，在煤中通常呈獨立相彌散分布。低硫煤中主要是有機硫，約為無機硫的8倍；高硫煤中主要是無機硫，約為有機硫的3倍。,煤受熱后分解時，煤中有

47、機硫和無機硫同時被揮發(fā)出來，結(jié)合松散的有機硫在低溫（＜700K）下分解，結(jié)合緊密的有機硫在較高溫度（＞800K）下分解釋出，遇氧全部氧化成SO2，在還原性氣氛下，揮發(fā)分主要氣體H2S反應(yīng)路線為：,無機硫的分解速度很慢，在還原性氣氛和溫度＜800K以及足夠停留時間的條件下，無機硫?qū)⒎纸獬蒄eS、S2和H2S，其中FeS必須在更高溫度（＞＝1700K）和更長時間下才能分解成Fe、S2等，并氧化成SO2，在氧化氣氛下，F(xiàn)eS2直接生成SO2：

48、,（1）在火焰高溫區(qū)內(nèi)：,火焰溫度越高，氧原子濃度越大，則SO3生成量越大,（2）受熱面積上灰和氧化膜的催化作用,SO3除了從SO2與O2直接反應(yīng)生成外，還可由下列兩個途徑產(chǎn)生：,影響SOx生成量的主要因素,（1）燃料中含硫量越多，SO2和SO3生成量也越多（2）過?？諝庀禂?shù)越大，SO3生成量也越多（3）火焰區(qū)溫度高，氧分子離解成氧原子多，因而SO3生成量也多,3.4.3 硫氧化物的控制技術(shù),3.4.3.1 燃料脫硫3.4.3.2

49、 爐內(nèi)固硫3.4.3.3 煙氣脫硫,3.4.3.1 燃料脫硫,1、煤脫硫（1）物理凈化法　　通過煤的粉碎，使非化學鍵結(jié)合的不純物質(zhì)與煤脫離，利用FeS2的密度與煤密度的相差，用水洗除FeS2，也可利用二者表面潤濕、磁性或?qū)щ娦圆煌右苑蛛x。此法不能除去有機硫。Ⅰ煤炭洗選物理洗選（礦物質(zhì)和有機質(zhì)的密度不同，親水性等表面性質(zhì)差異脫除表面的無機硫，脫硫效率在40%以下）化學洗選微生物洗選我國以物理選煤為主（>90%） 。

50、主要采用重力分選法和浮選法。分選后原煤含硫量降低40%-90%。硫的凈化效率取決于煤中黃鐵礦的硫顆粒大小及無機硫含量。,Ⅱ型煤加工選用不同煤種、以無粘結(jié)劑法或以瀝青等為粘結(jié)劑，用廉價的鈣系固硫劑，經(jīng)干餾成型或直接壓制成型，制得多種型煤，固硫率在50%左右。美國型煤加石灰石固硫率達87%，煙塵減少2/3；日本蒸汽機車用石灰使型煤固硫率達70-80%，脫硫費用僅為選煤的8%。（2）化學凈化法　　如用堿液浸煤后通過微波照射，使有機硫和

51、黃鐵礦的化學鍵被微波打斷，生成硫化氫，它與堿反應(yīng)而被去除?？沙?0%的無機硫和70%有機硫。,（3）煤的氣化和液化　　對煤進行脫碳或加氫，以改變其原有的碳氫比，把煤轉(zhuǎn)化為清潔的二次燃料。煤的氣化采用空氣、氧氣、CO2和水蒸氣作為氣化劑，在氣化爐內(nèi)反應(yīng)生成不同組分不同熱值的煤氣煤氣主要是H2、CO和CH4等可燃混合氣。煤氣中的硫主要以H2S形式存在。煤的液化通過化學加工轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴燃料或化工原料等液體產(chǎn)品直接液化和間接液化

52、：直接液化是對煤炭進行高溫高壓加氫直接得到液體產(chǎn)品的技術(shù)，間接液化是把煤氣化轉(zhuǎn)化為合成氣（CO+H2)，然后再在催化劑作用下合成液體燃料和其它化工產(chǎn)品的技術(shù)。煤炭通過液化將其中的硫等有害元素以及礦物質(zhì)脫除，產(chǎn)品為潔凈燃料。,2、重油脫硫,3.4.3.1 燃料脫硫,生產(chǎn)過程中，碳會沉積在催化劑表面，重油中釩、鎳金屬的有機化合物與氫反應(yīng)也會沉積在催化劑上，導致催化劑中毒。,3.4.3.2 爐內(nèi)脫硫,即燃燒中脫硫，在煤燃燒過程中加入吸收劑吸收

53、燃燒生成的SO2，如爐內(nèi)噴鈣技術(shù)與各類流化態(tài)燃燒鍋爐。,流化床燃燒技術(shù)氣流速度介于臨界速度和輸送速度之間，煤粒保持流化狀態(tài)流化床利于燃料的充分燃燒分類按流態(tài)：鼓泡流化床和循環(huán)流化床按運行壓力：常壓流化床和增壓流化床,1.流化床脫硫的化學過程脫硫劑：石灰石（CaCO3）、白云石（CaCO3?MgCO3）爐內(nèi)化學反應(yīng)流化床燃燒方式為脫硫提供了理想的環(huán)境CaSO4的摩爾體積大于CaCO3，由于孔隙堵塞，CaO不可能完全轉(zhuǎn)

54、化為CaSO4,2流化床燃燒脫硫的影響因素,1）鈣硫比表示脫硫劑用量的指標，影響最大的性能參數(shù)脫硫率（?）可以用Ca/S（R）近似表達,2）煅燒溫度 存在最佳脫硫溫度范圍（800~850?C） 溫度低時，孔隙量少、孔徑小，反應(yīng)被限制在顆粒外表面 溫度過高，CaCO3的燒結(jié)作用變得嚴重,2流化床燃燒脫硫的影響因素,3）脫硫劑的顆粒尺寸和孔隙結(jié)構(gòu)顆粒尺寸小于臨界尺寸時發(fā)生揚析，并非越小越好顆?？紫督Y(jié)構(gòu)應(yīng)有適當?shù)目讖酱笮。缺ＷC

55、一定孔隙容積，又保證孔道不易堵塞4）脫硫劑的種類白云石的孔徑分布和低溫煅燒性能好，但易發(fā)生爆裂揚析，且用量大于石灰石近兩倍,2流化床燃燒脫硫的影響因素,3.4.3.2 煙氣脫硫,石灰石/石灰法洗滌目前應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù),反應(yīng)機理,,影響因素：pH、液氣比、鈣硫比、氣流速度、漿液的固體含量、SO2濃度、吸收塔結(jié)構(gòu),解決的問題設(shè)備腐蝕結(jié)垢和堵塞除霧器阻塞脫硫劑的利用率液固分離固體廢物的處理處置,3.5 氮氧化物生成機

56、理及污染控制,3.5.1 氮氧化物的危害,氮氧化物種類：NO 、 NO2 、 N2O、 N2O3 、 N2O4 、 N2O5;大氣中NOx主要以NO、NO2的形式存在特性：NO是無色、無刺激氣味的不活潑氣體，可被氧化成NO2 ，NO2是棕紅色有刺激性臭味的氣體。N2O：單個分子的溫室效應(yīng)為CO2的200倍，并參與臭氧層的破壞NO：大氣中NO2的前體物質(zhì)，形成光化學煙霧的活躍組分,影響人類健康：光化學煙霧對呼吸器官有強烈的刺激和致

57、癌作用；影響森林和作物生長：酸雨破壞作物和樹根系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)；影響全球氣候：破壞臭氧的循環(huán)，減少臭氧層厚度，引發(fā)溫室效應(yīng)。,NOx的污染及危害,3.5.2 氮氧化物的生成機理,一、形成機理熱力型NOx高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx快速型NOx低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx,熱力NO：,燃燒所用的空氣中氮高溫氧化生成NO，稱為熱力NO，它的生成機理（鏈鎖反應(yīng)）是Zeldo

58、vich于1946年提出的：,熱力NO：,限制熱力NO的生成，主要是降低溫度，具體措施可歸納為：（1）降低燃燒溫度，避免局部高溫；（2）降低氧氣濃度；（3）縮短在高溫區(qū)的停留時間；（4）在偏離α＝1的條件下進行燃燒；,快速NO：,燃燒時燃料中碳氫化合物分解生成的CH和C等原子團，與空氣中N2進行反應(yīng)而生成氰化物：,,氰化物生成反應(yīng)活化能小，反應(yīng)快，氰化物又與火焰中大量的O、OH等原子團生成NO：,快速NO：,快速NO生成與下列三

59、個因素有關(guān)：,（1）CH原子團的濃度及其形成過程（2）N2分子反應(yīng)生成氮化物的速率與下列反應(yīng)有關(guān)：,（3）氮化物間相互轉(zhuǎn)化率,此反應(yīng)對NO的生成起重要作用（富燃料及貧燃料），可以認為：,快速NO形成的主要途徑：,,,,,,在溫度T＜2000K時，NO生成率主要取決于CH－N2反應(yīng)，即瞬發(fā)NO，隨著溫度增加，快速NO比例減小，熱力NO增加，當T＞2500K時，NO生成主要按Zeldovich的熱力NO生成機理控制。,燃料NO：,試驗表

60、明：燃燒裝置中所用的燃料含有氮化合物時，排出燃氣中含有大量的NO，且隨著燃料中N含量增加而增加。　　燃料中N與各種碳氫化合物結(jié)合成環(huán)狀或鏈狀化合物，與空氣中N相比，其結(jié)合鍵較小，燃燒時易分解生成低分子含氮化合物，氧化后生成NO,燃料NO的形成途徑：,,,,燃料NO生成動力學比較復雜，與快速NO的生成過程相近。燃料N生成中間產(chǎn)物HCN速度很快，因此燃料NO生成量取決于氧化成NO或還原成N2兩個過程。式中R為含有氧原子反應(yīng)物（如O、OH、

61、O2）。,影響燃料NO的因素：,燃料含N量的影響：,實際燃燒過程中只有部分燃料N轉(zhuǎn)化為NO，實際生成NO與全部燃料N之比稱為燃料N轉(zhuǎn)換率 ，影響燃料N轉(zhuǎn)換率的因素：,當α＝1.3時，NO隨著燃料N含量增加而增加，但　　卻下降。,當α＝0.8時，NO隨著燃料N含量增加先增加后飽和，而　　下降。,（2）過?？諝庀禂?shù)的影響：,左圖為擴散燃燒時轉(zhuǎn)換率與剩余氧濃度的關(guān)系?？梢婋S著剩余氧濃度增加，轉(zhuǎn)變率也增加。但預(yù)混燃燒時在α＞1時轉(zhuǎn)變率基本

62、不變。右圖為熱力NO與燃料NO與α關(guān)系的比較，α＞1后，熱力NO隨著α增加而下降，這是因此α增加，溫度下降的緣故。,（3）燃燒溫度的影響：,試驗結(jié)果表明，燃料NO與熱力NO不同，它受溫度影響較小，這是因為燃料中N的熱分解溫度比火焰溫度低，當燃燒達到分解溫度而進行分解，生成NO與火焰溫度關(guān)系不大。,NO2的生成機理,燃燒生成的NO可與與含氮原子中間產(chǎn)物反應(yīng)使NO還原成N2，也可以與各種含氮化合物或氧化物反應(yīng)生成NO2，如在火焰面附近存在

63、下列反應(yīng)：,另外在燃燒區(qū)由于氧原子增加，NO2又轉(zhuǎn)變成NO，導致NO2含量較少：,降低NOx的燃燒技術(shù),主要途徑：,選用N含量較低的燃料，包括燃料脫氮和轉(zhuǎn)變成低氮燃料降低過剩空氣系數(shù)，組織過濃燃燒，以降低燃料周圍氧濃度在過剩空氣的條件下，降低溫度峰值以減少熱力NO在氧濃度較低情況下，增加可燃物在火焰前鋒和反應(yīng)區(qū)的停留時間。,減少NOx的形成和排放的具體方法為：分級燃燒、煙氣再循環(huán)、空氣分級燃燒器、空氣/燃料分級燃燒器等。,將燃燒所

64、需的空氣量分成兩級送入，一級空氣所用的過?？諝庀禂?shù)：氣體燃料0.7，油0.8，煤0.8－0.9，其余空氣在燃燒器附近適當位置送入，使燃燒分兩級完成。,一級燃燒區(qū)：,燃料在過濃時燃燒，因缺氧富燃料使得燃燒速度和溫度降低，抑制了揮發(fā)分燃燒生成的熱力NO。另外燃燒生成CO與NO還原反應(yīng)及燃料中N分解成中間產(chǎn)物相互復合作用或與NO還原分解，抑制了燃料NO的生成：,1 分級燃燒：,二級燃燒區(qū)：,貧燃料燃燒區(qū)，因空氣量多，一些中間產(chǎn)物氧化生成NO：

65、,因火焰溫度低，NO生成量不大，最終二級燃燒可使NOx生成量降低（30-40%）。,2 煙氣再循環(huán)：,原理 部分低溫煙氣，使火焰溫度降低，降低O2濃度，使NOx的生成受限適用范圍 含N量少的燃料 大型鍋爐,降低氧濃度和燃燒區(qū)溫度－主要減少熱力型NOx,3. 空氣分級的低NOx旋流燃燒器一次火焰區(qū)：富燃，含氮組分析出但難以轉(zhuǎn)化二次火焰區(qū)：燃盡CO、HC等,原理： 燃燒分階段完成?？諝夥侄喙芍饾u與煤粉混

66、合燃燒，可降低局部區(qū)域的空氣燃料比，煤在熱分解和著火階段由于缺氧，使氮氧化物的生成受到抑制，達到控制的NOx目的。 適用范圍： 固體燃料,4. 空氣/燃料分級的低NOx燃燒器空氣和燃料均分級送入爐膛一次火焰區(qū)下游形成低氧還原區(qū)，還原已生成的NOx,煙氣脫硝,1. 選擇性催化還原法（SCR）催化劑：貴金屬、堿性金屬氧化物還原反應(yīng)潛在氧化反應(yīng),2.非選擇性催化還原法（SNCR）尿素或氨基化合物作為還原劑，較高反應(yīng)溫度化

67、學反應(yīng)同樣，需要控制溫度避免潛在氧化反應(yīng)發(fā)生,3. 吸收法堿液吸收必須首先將一半以上的NO氧化為NOxNO/NO2＝1效果最佳,強硫酸吸收,4. 吸附法吸附劑：活性炭、分子篩、硅膠、含氨泥煤NOx和SO2聯(lián)合控制技術(shù)吸附劑：浸漬碳酸鈉的?-Al2O3,脫硝技術(shù)比較,脫硝技術(shù)比較,脫硝技術(shù)比較,3.6 顆粒物,3.6.1 顆粒物的特征與危害,由各種固體或液體微粒均勻地分散在空氣中形成的一個龐大的分散體系，稱為氣溶膠體

68、系。氣溶膠體系中分散的各種粒子稱為大氣顆粒物。,1、粉塵（微塵、Dust） 顆粒直徑：1~100um，固體；機械粉碎的固體微粒，風吹揚塵，風沙。,2、 煙(煙氣，F(xiàn)ume) 顆粒直徑：0.01 ～ 1um；物態(tài)：固體；生成、現(xiàn)象：由升華、蒸餾、熔融及化學反應(yīng)等產(chǎn)生的蒸氣凝結(jié)而成的固體顆粒。如熔融金屬、凝結(jié)的金屬氧化物、汽車排氣、煙草燃煙、硫酸鹽等。,3.6.1.1 顆粒物的定義及分類,3、灰（Ash）