水泥生料對(duì)燃料型NOx生成的影響

楊仁廣 尹麗萍 鄭旺 郭騰云

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生料對(duì)燃料型NOx生成的影響

楊仁廣 尹麗萍 鄭旺 郭騰云

中材建設(shè)有限公司（100176）

水泥生料對(duì)燃料型NOx排放綜合作用的結(jié)果是促進(jìn)NOx排放。在900℃條件下，水泥生料會(huì)促進(jìn)燃料型NOx的生成。水泥生料礦物組分對(duì)燃料型NOx促進(jìn)作用由大至小依次為CaO＞MgO＞Al2O3。而惰性組分SiO2則因覆蓋燃料延緩熱傳遞而使NOx排放降低。總之，水泥原料對(duì)NOx綜合作用的結(jié)果是促進(jìn)NOx排放。

水泥生料；礦物質(zhì)；燃料型氮氧化物

0 前言

分解爐中除了水泥燃料的燃燒外，還存在著水泥原料的分解過(guò)程。因而，礦物組分的分解與燃料燃燒過(guò)程有一定的耦合作用，水泥原料中的礦物組分會(huì)對(duì)燃料氮的氧化轉(zhuǎn)化行為產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)系統(tǒng)研究水泥生料組分、礦物質(zhì)等對(duì)燃料型NOx的影響研究，為從源頭上采取相應(yīng)措施抑制燃料氮生成NOx提供理論支持。

1 水泥生料對(duì)燃料型氮氧化物形成的影響

在保持煤粉含氮量相同的情況下，將水泥生料分別放入900的快速升溫SJG-16管式電爐中鍛燒，并根據(jù)鍛燒情況加入水泥生料，檢測(cè)廢氣氮氧化物的排放濃度，結(jié)果如表1所示。

表1 水泥生料對(duì)燃料型氮氧化物形成的影響

表1試樣可見(jiàn)，水泥生料對(duì)所有煤樣燃燒過(guò)程中燃料型氮氧化物的生成有明顯的促進(jìn)作用。摻入水泥生料后，含氮量相同的煤樣在燃燒時(shí)所生成燃料型氮氧化物的排放量將大幅度增加。煤A燃燒時(shí)所形成的燃料型氮氧化物濃度由509 mg/m3增加至724 mg/m3，增幅達(dá)到42.2%；煤B、煤C分別由原來(lái)的488 mg/m3、443 mg/m3增漲到708 mg/m3、681 mg/ m3，分別增加了45.1%和57.3%。可見(jiàn)，生料的加入使煤氮氧化物的生成量增加，這是水泥生料所有礦物成分綜合作用的結(jié)果。

1.1 水泥生料組分

試驗(yàn)時(shí)水泥生料的礦物組分如表2所示。

表2 水泥生料組分

由表2可看出，水泥生料主要由鈣質(zhì)、硅質(zhì)等礦物質(zhì)組成，其中以鈣質(zhì)材料為主。但在水泥生料中鈣質(zhì)材料并不是以純CaO存在，而是碳酸鈣形式。

1.2 水泥生料對(duì)燃料型NOx影響

采用外摻法，保持相同的鈣基含量，在煤中分別摻入水泥生料、分析純碳酸鈣和分析純氧化鈣，機(jī)械混勻后，稱取混合樣并置于700℃、800℃和900℃溫度下鍛燒，分別檢測(cè)其煙氣氮氧化物濃度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥生料對(duì)燃料型NOx影響

由圖1可見(jiàn)，在700℃時(shí)，滲入水泥生料和碳酸鈣后對(duì)氮氧化物促進(jìn)作用影響很小，生成的燃料型NOx濃度與煤的基本相當(dāng)，而純CaO則能較大地促進(jìn)煤中燃料型NOx的生成。800℃時(shí)，分析純CaO的作用還是最明顯的，同時(shí)，水泥生料的促進(jìn)作用已開(kāi)始體現(xiàn)出來(lái)，且影響比碳酸鈣的作用要大。當(dāng)溫度升高至900℃，水泥生料和碳酸鈣已能明顯地促進(jìn)燃料型NOx的生成，水泥生料的促進(jìn)作用已與CaO的作用相當(dāng)，但其影響作用要小于碳酸鈣的作用。因?yàn)樵?00℃時(shí)大部分純碳酸鈣已發(fā)生分解，所生成的CaO能夠促進(jìn)煤中氮氧化物的生成。而水泥生料中碳酸鈣雖也發(fā)生了分解，但受其他組分包裹覆蓋作用的影響，其對(duì)燃料氮釋放的促進(jìn)作用比純碳酸鈣弱。并且水泥生料各主要成分對(duì)煤燃料型氮氧化物生成所起的作用也會(huì)有所差異，其中有部分起到促進(jìn)作用，部分則起抑制作用。

2 礦物質(zhì)對(duì)原煤氮氧化物的影響

由于水泥生料的促進(jìn)作用是所有礦物組分綜合影響作用的結(jié)果，因此，采用分析純氧化鈣、氧化鋁、氧化鎂、二氧化硅及水泥熟料，單獨(dú)與煤混合燃料研究其對(duì)原燃料生成燃料型NOx的影響。試驗(yàn)時(shí)保持煤的質(zhì)量恒定，采用外摻入礦物質(zhì)，礦物質(zhì)的質(zhì)量分別是煤質(zhì)量的1%、3%、5%，將它們機(jī)械均勻后稱取混合樣置入爐內(nèi)鍛燒，并測(cè)定煙氣中氮氧化物濃度，結(jié)果如表3所示。

表3 礦物質(zhì)對(duì)原煤氮氧化物的影響

由表3可知，水泥生料中的CaO和MgO對(duì)氮氧化物生成都有促進(jìn)作用，兩者都會(huì)隨著外摻量的增加使氮氧化物排放濃度增大，CaO所起的作用更為明顯。而Al2O3化有促進(jìn)作用但作用相對(duì)較小，氮氧化物排放濃度基本保持不變。SiO2對(duì)煤中氮轉(zhuǎn)化為燃料型NOx沒(méi)有促進(jìn)作用，甚至當(dāng)增加摻入量時(shí)還起到抑制作用。

保持燃料用量及試驗(yàn)條件相同，在煤中摻入CaO燃燒，煙氣NOx的生成量將大幅度增加。未摻入CaO燃燒時(shí)，煙氣NOx的生成濃度為509 mg/m3，當(dāng)分別滲入3%、5%質(zhì)量的CaO后，NOx的生成濃度分別增長(zhǎng)為589 mg/m3、639 mg/m3，即煙氣NOx的生成濃度分別提高了15.7%、25.5%。而MgO對(duì)煤中氮轉(zhuǎn)化為燃料型NOx影響作用小于CaO的作用，只有當(dāng)MgO摻量增加到5%時(shí)，氮氧化物濃度才增加了12.2%，幅度明顯小于CaO時(shí)的增加幅度。可見(jiàn)CaO對(duì)氮氧化物轉(zhuǎn)化起到主要作用。

另外，從圖2氮氧化物的瞬時(shí)排放曲線也可看出，氧化鈣和氧化鎂的摻入使氮氧化物峰值出現(xiàn)的時(shí)間延遲，但峰高和峰寬都增加。氧化鋁的與曲線煤的基本上重合，而二氧化硅的峰高和峰寬均小于煤樣。

圖2 氮氧化物排放曲線圖

3 礦物質(zhì)對(duì)脫灰煤氮氧化物的影響

在原煤中摻入礦物質(zhì)后，只是單方面增加某一礦物質(zhì)。而原煤中包含的其他礦物質(zhì)同樣也在起作用，所以此方法還是屬于一個(gè)綜合作用的結(jié)果。為更好地評(píng)價(jià)生料中礦物質(zhì)作用的大小，采用酸洗法脫除煤樣中所含礦物質(zhì)制備脫灰煤，首先配制含45%HCl，15%HF和40%水的混合溶液，以酸煤比為10(mL)：1(g)的比例，80℃進(jìn)行水浴加熱，約6 h后，冷卻至室溫，然后用去離子水洗至無(wú)氯離子存在。烘干后摻入分析純礦物質(zhì)，機(jī)械混會(huì)均勻，置入爐內(nèi)鍛燒并檢測(cè)煙氣中氮氧化物濃度。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 礦物質(zhì)對(duì)脫灰煤氮氧化物的影響

4 總結(jié)

綜上所述，水泥生料會(huì)明顯促進(jìn)燃料型NOx的生成。水泥生料礦物組分所起的促進(jìn)作用存在差異，其中石灰石分解后所形成新的CaO對(duì)NOx生成的促進(jìn)作用是所有組分中最顯著的，而SiO2則起到抑制作用。在分解爐中鍛燒時(shí)，水泥生料對(duì)原燃料中氮生成燃料型NOx的影響是所有礦物組分共同作用的結(jié)果。總的來(lái)看，水泥生料對(duì)燃料型NOx生成的促進(jìn)和抑制共同作用的結(jié)果是促進(jìn)作用效果大于抑制作用，結(jié)果是促進(jìn)了各種燃料型NOx的生成。