水泥生料对燃料型NOx生成的影响

杨仁广 尹丽萍 郑旺 郭腾云

中材建设有限公司（100176）

水泥生料对燃料型NOx生成的影响

杨仁广 尹丽萍 郑旺 郭腾云

中材建设有限公司（100176）

水泥生料对燃料型NOx排放综合作用的结果是促进NOx排放。在900℃条件下，水泥生料会促进燃料型NOx的生成。水泥生料矿物组分对燃料型NOx促进作用由大至小依次为CaO＞MgO＞Al2O3。而惰性组分SiO2则因覆盖燃料延缓热传递而使NOx排放降低。总之，水泥原料对NOx综合作用的结果是促进NOx排放。

水泥生料；矿物质；燃料型氮氧化物

0 前言

分解炉中除了水泥燃料的燃烧外，还存在着水泥原料的分解过程。因而，矿物组分的分解与燃料燃烧过程有一定的耦合作用，水泥原料中的矿物组分会对燃料氮的氧化转化行为产生一定的影响。通过系统研究水泥生料组分、矿物质等对燃料型NOx的影响研究，为从源头上采取相应措施抑制燃料氮生成NOx提供理论支持。

1 水泥生料对燃料型氮氧化物形成的影响

在保持煤粉含氮量相同的情况下，将水泥生料分别放入900的快速升温SJG-16管式电炉中锻烧，并根据锻烧情况加入水泥生料，检测废气氮氧化物的排放浓度，结果如表1所示。

表1 水泥生料对燃料型氮氧化物形成的影响

表1试样可见，水泥生料对所有煤样燃烧过程中燃料型氮氧化物的生成有明显的促进作用。掺入水泥生料后，含氮量相同的煤样在燃烧时所生成燃料型氮氧化物的排放量将大幅度增加。煤A燃烧时所形成的燃料型氮氧化物浓度由509 mg/m3增加至724 mg/m3，增幅达到42.2%；煤B、煤C分别由原来的488 mg/m3、443 mg/m3增涨到708 mg/m3、681 mg/ m3，分别增加了45.1%和57.3%。可见，生料的加入使煤氮氧化物的生成量增加，这是水泥生料所有矿物成分综合作用的结果。

1.1 水泥生料组分

试验时水泥生料的矿物组分如表2所示。

表2 水泥生料组分

由表2可看出，水泥生料主要由钙质、硅质等矿物质组成，其中以钙质材料为主。但在水泥生料中钙质材料并不是以纯CaO存在，而是碳酸钙形式。

1.2 水泥生料对燃料型NOx影响

采用外掺法，保持相同的钙基含量，在煤中分别掺入水泥生料、分析纯碳酸钙和分析纯氧化钙，机械混匀后，称取混合样并置于700℃、800℃和900℃温度下锻烧，分别检测其烟气氮氧化物浓度，试验结果如图1所示。

图1 水泥生料对燃料型NOx影响

由图1可见，在700℃时，渗入水泥生料和碳酸钙后对氮氧化物促进作用影响很小，生成的燃料型NOx浓度与煤的基本相当，而纯CaO则能较大地促进煤中燃料型NOx的生成。800℃时，分析纯CaO的作用还是最明显的，同时，水泥生料的促进作用已开始体现出来，且影响比碳酸钙的作用要大。当温度升高至900℃，水泥生料和碳酸钙已能明显地促进燃料型NOx的生成，水泥生料的促进作用已与CaO的作用相当，但其影响作用要小于碳酸钙的作用。因为在900℃时大部分纯碳酸钙已发生分解，所生成的CaO能够促进煤中氮氧化物的生成。而水泥生料中碳酸钙虽也发生了分解，但受其他组分包裹覆盖作用的影响，其对燃料氮释放的促进作用比纯碳酸钙弱。并且水泥生料各主要成分对煤燃料型氮氧化物生成所起的作用也会有所差异，其中有部分起到促进作用，部分则起抑制作用。

2 矿物质对原煤氮氧化物的影响

由于水泥生料的促进作用是所有矿物组分综合影响作用的结果，因此，采用分析纯氧化钙、氧化铝、氧化镁、二氧化硅及水泥熟料，单独与煤混合燃料研究其对原燃料生成燃料型NOx的影响。试验时保持煤的质量恒定，采用外掺入矿物质，矿物质的质量分别是煤质量的1%、3%、5%，将它们机械均匀后称取混合样置入炉内锻烧，并测定烟气中氮氧化物浓度，结果如表3所示。

表3 矿物质对原煤氮氧化物的影响

由表3可知，水泥生料中的CaO和MgO对氮氧化物生成都有促进作用，两者都会随着外掺量的增加使氮氧化物排放浓度增大，CaO所起的作用更为明显。而Al2O3化有促进作用但作用相对较小，氮氧化物排放浓度基本保持不变。SiO2对煤中氮转化为燃料型NOx没有促进作用，甚至当增加掺入量时还起到抑制作用。

保持燃料用量及试验条件相同，在煤中掺入CaO燃烧，烟气NOx的生成量将大幅度增加。未掺入CaO燃烧时，烟气NOx的生成浓度为509 mg/m3，当分别渗入3%、5%质量的CaO后，NOx的生成浓度分别增长为589 mg/m3、639 mg/m3，即烟气NOx的生成浓度分别提高了15.7%、25.5%。而MgO对煤中氮转化为燃料型NOx影响作用小于CaO的作用，只有当MgO掺量增加到5%时，氮氧化物浓度才增加了12.2%，幅度明显小于CaO时的增加幅度。可见CaO对氮氧化物转化起到主要作用。

另外，从图2氮氧化物的瞬时排放曲线也可看出，氧化钙和氧化镁的掺入使氮氧化物峰值出现的时间延迟，但峰高和峰宽都增加。氧化铝的与曲线煤的基本上重合，而二氧化硅的峰高和峰宽均小于煤样。

图2 氮氧化物排放曲线图

3 矿物质对脱灰煤氮氧化物的影响

在原煤中掺入矿物质后，只是单方面增加某一矿物质。而原煤中包含的其他矿物质同样也在起作用，所以此方法还是属于一个综合作用的结果。为更好地评价生料中矿物质作用的大小，采用酸洗法脱除煤样中所含矿物质制备脱灰煤，首先配制含45%HCl，15%HF和40%水的混合溶液，以酸煤比为10(mL)：1(g)的比例，80℃进行水浴加热，约6 h后，冷却至室温，然后用去离子水洗至无氯离子存在。烘干后掺入分析纯矿物质，机械混会均匀，置入炉内锻烧并检测烟气中氮氧化物浓度。试验结果如表4所示。

表4 矿物质对脱灰煤氮氧化物的影响

4 总结

综上所述，水泥生料会明显促进燃料型NOx的生成。水泥生料矿物组分所起的促进作用存在差异，其中石灰石分解后所形成新的CaO对NOx生成的促进作用是所有组分中最显著的，而SiO2则起到抑制作用。在分解炉中锻烧时，水泥生料对原燃料中氮生成燃料型NOx的影响是所有矿物组分共同作用的结果。总的来看，水泥生料对燃料型NOx生成的促进和抑制共同作用的结果是促进作用效果大于抑制作用，结果是促进了各种燃料型NOx的生成。