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水泥行业NOx的排放量约占全国工业排放总量的10%左右,已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大NOx排放大户。调查统计水泥制造企业3535家,其中有熟料生产的水泥企业1793家。共有脱硝设施920套,排放NOx191.7万吨。《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)新标准确定NOx排放限值为一般地区400mg/m³、重点地区320mg/m³,这一浓度限值仅高于瑞典和德国,是世界上较严的标准。中国环境保护部发布《国家环境保护“十二五”规划》,明确提出至2015年NOx排放总量要在2010年的基础上削减10%,并强调新型干法水泥窑要进行低氮燃烧技术改造,新建水泥生产线要安装效率不低于60%的脱硝设施。
1水泥窑NOx的产生
在水泥熟料煅烧过程中,NOx主要来源于高温燃料中的氮和原料中的氮化合物。水泥熟料生产中,水泥生料将处在高温炉内煅烧。由于炉内高温的环境且含有大量O2,一系列的化学反应将因此发生而产生NOx,根据反应机理的不同可以将NOx的形成分为以下三种机理完成:
热力型:高温条件下空气中的O2和N2直接反应而生成;
燃料型:燃料当中含氮物质的氧化;
瞬时型:空气中的氮气与燃烧过程中的部分中间产物反应而产生。
根据水泥窑炉的类型,水泥窑炉高温区一般为1550℃~1900℃,此区域是生成NO的主要场所。随着烟气的流动,约5%~10%的NO转换成NO2。水泥窑所生成的NOx中,热力型NOx占据主导,其次为燃料型NOx。热力型NOx主要在高于1400℃的回转窑内生成,燃料型NOx主要在温度较低的分解炉或预热器内生成。
1.1热力型NOx的产生机理
热力型NOx是燃烧反应的高温使得空气中的N2与O2直接反应而产生的,以煤为主要燃料的系统中,热力型NOx为辅。一般燃烧过程中N2的含量变化不大,根据泽里多维奇机理,影响热力型NOx生成量的主要因素有温度、氧含量和反应时间。反应机理如式(1)、(2)。
O2+N→2O+N(1)
N2+O→NO+N(2)
1.2燃料型NOx的产生机理
燃料型NOx是由燃料中N反应而生成,以煤为主要燃料的系统中,燃料型NOx约占60%以上。燃料型NOx主要在燃料燃烧初始阶段形成,主要是含氮有机化合物热解产生的中间产物N、CN、HCN等氧化生成NOx。影响燃料型NOx生成因素较多,与温度、氧含量、反应时间,及煤粉的物化特性都有关系。
1.2.1温度
温度的升高对燃料型NOx生成量有促进作用。在1200℃以下时,其随温度升高显著增加,温度在1200℃以上时,增速平缓。对于燃料型NOx,燃料中N越高、氧浓度越高、反应停留时间越长,NOx生成量越大,与温度相关性越差。
1.2.2氧含量
氧含量的增加,可以形成或强化窑炉内燃烧的氧化气氛,增加氧的供给,促进燃料中N向NOx的转化。燃料型NOx随过剩空气系数的降低而降低,在α<1时,NOx生成量急剧降低。在氧含量不足时,氧被燃料中的可燃成分消耗尽,破坏了氮与氧反应的物质条件。在α>1.1时,热力型NOx含量下降,燃料型NOx仍上升。
燃料型NOx与煤的热解产物和火焰中氧浓度密切相关,如果在主燃烧区延迟煤粉与氧气的混合,造成燃烧中心缺氧,可使绝大部分挥发分氮和部分焦碳N转化为N2。
1.2.3煤粉的物化特性
不同种类的煤,挥发分含量、氮含量等差异较大。通常挥发分和氮含量高的煤种生成NOx较多。煤粉细度较细时,挥发分析出速度快,燃烧速度快,加快了煤粉表面的耗氧速度,使煤粉颗粒局部表面易形成还原气氛,产生抑制NOx生成的作用。煤粉细度较粗时,挥发分析出慢,也会减少NOx的生成量。特别是对劣质煤或是着火点较高的煤,这种情况会更明显,控制合适煤粉细度可依据窑况和NOx生成量综合考虑。煤挥发分中氧氮比越大,NOx转化率越高。相同氧氮比条件下,过剩空气系数越大,NOx转化率越大。
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