水泥生料對燃料型NOx生成的影響

楊仁廣 尹麗萍 鄭旺 郭騰云

中材建設有限公司（100176）

水泥生料對燃料型NOx生成的影響

楊仁廣 尹麗萍 鄭旺 郭騰云

中材建設有限公司（100176）

水泥生料對燃料型NOx排放綜合作用的結果是促進NOx排放。在900℃條件下，水泥生料會促進燃料型NOx的生成。水泥生料礦物組分對燃料型NOx促進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NOx綜合作用的結果是促進NOx排放。

水泥生料；礦物質；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程。因而，礦物組分的分解與燃料燃燒過程有一定的耦合作用，水泥原料中的礦物組分會對燃料氮的氧化轉化行為產生一定的影響。通過系統研究水泥生料組分、礦物質等對燃料型NOx的影響研究，為從源頭上采取相應措施抑制燃料氮生成NOx提供理論支持。

1 水泥生料對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，并根據鍛燒情況加入水泥生料，檢測廢氣氮氧化物的排放濃度，結果如表1所示。

表1 水泥生料對燃料型氮氧化物形成的影響

表1試樣可見，水泥生料對所有煤樣燃燒過程中燃料型氮氧化物的生成有明顯的促進作用。摻入水泥生料后，含氮量相同的煤樣在燃燒時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，增幅達到42.2%；煤B、煤C分別由原來的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，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果。

1.1 水泥生料組分

試驗時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、硅質等礦物質組成，其中以鈣質材料為主。但在水泥生料中鈣質材料并不是以純CaO存在，而是碳酸鈣形式。

1.2 水泥生料對燃料型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，分別檢測其煙氣氮氧化物濃度，試驗結果如圖1所示。

圖1 水泥生料對燃料型NOx影響

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

2 礦物質對原煤氮氧化物的影響

由于水泥生料的促進作用是所有礦物組分綜合影響作用的結果，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，單獨與煤混合燃料研究其對原燃料生成燃料型NOx的影響。試驗時保持煤的質量恒定，采用外摻入礦物質，礦物質的質量分別是煤質量的1%、3%、5%，將它們機械均勻后稱取混合樣置入爐內鍛燒，并測定煙氣中氮氧化物濃度，結果如表3所示。

表3 礦物質對原煤氮氧化物的影響

由表3可知，水泥生料中的CaO和MgO對氮氧化物生成都有促進作用，兩者都會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化有促進作用但作用相對較小，氮氧化物排放濃度基本保持不變。SiO2對煤中氮轉化為燃料型NOx沒有促進作用，甚至當增加摻入量時還起到抑制作用。

保持燃料用量及試驗條件相同，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，煙氣NOx的生成濃度為509 mg/m3，當分別滲入3%、5%質量的CaO后，NOx的生成濃度分別增長為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對煤中氮轉化為燃料型NOx影響作用小于CaO的作用，只有當MgO摻量增加到5%時，氮氧化物濃度才增加了12.2%，幅度明顯小于CaO時的增加幅度。可見CaO對氮氧化物轉化起到主要作用。

另外，從圖2氮氧化物的瞬時排放曲線也可看出，氧化鈣和氧化鎂的摻入使氮氧化物峰值出現的時間延遲，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 礦物質對脫灰煤氮氧化物的影響

在原煤中摻入礦物質后，只是單方面增加某一礦物質。而原煤中包含的其他礦物質同樣也在起作用，所以此方法還是屬于一個綜合作用的結果。為更好地評價生料中礦物質作用的大小，采用酸洗法脫除煤樣中所含礦物質制備脫灰煤，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℃進行水浴加熱，約6 h后，冷卻至室溫，然后用去離子水洗至無氯離子存在。烘干后摻入分析純礦物質，機械混會均勻，置入爐內鍛燒并檢測煙氣中氮氧化物濃度。試驗結果如表4所示。

表4 礦物質對脫灰煤氮氧化物的影響

4 總結

綜上所述，水泥生料會明顯促進燃料型NOx的生成。水泥生料礦物組分所起的促進作用存在差異，其中石灰石分解后所形成新的CaO對NOx生成的促進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，水泥生料對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果。總的來看，水泥生料對燃料型NOx生成的促進和抑制共同作用的結果是促進作用效果大于抑制作用，結果是促進了各種燃料型NOx的生成。