新型干法水泥生产工业污染物排放量计算.doc

新型干法水泥生产过程气态污染物产排放量核算研究
新型干法水泥生产工艺过程中气态污染物（主要为NOX和SO2、CO2）只是在生料在回转窑内烧成熟料的进程中所生成的，这是因为新型干法水泥生产工艺整个生产水泥的过程中，仅回转窑内需要燃烧燃料，对生料、煤和添加剂的烘干是利用回转窑前后位置废气所附带的热量对其进行烘干的。因此每生产单位量的熟料，新型干法水泥生产工艺中NOX、SO2和CO2的产生量和排放量与所选用的生料量和燃料量的多少有关，而且还与生料和燃料的化学组成有关，另外还与回转窑内的温度和气氛有关。
水泥的生产过程是将石灰石、铁矿石和粘土及一些别的添加剂按一定的比例进行配比、磨细、均化，然后送入回转窑内进行烧制。根据行业统计，新型干法水泥工艺每生产1t熟料，需要消耗1.228t的石灰石、0.276t的粘土、0.031t的铁粉，总共需要消耗1.520t的生料，消耗的燃煤量根据生产规模的不同而有所变化，一般生产规模越大，耗煤量越少，但一般介于130kg~160kg原煤/t熟料。为保证生产出来的水泥质量合格稳定以及生产线能正常持久的运行，根据《水泥工厂设计规范》（GB50295-2008）的规范要求，水泥生产原料和所用燃料煤应满足以下的品质要求：石灰质原料SO3＜0.5%；硅铝质原料SO3＜1.00%；煤中硫的含量≤2.00%；煤的低位发热量≥23000kJ/kg。下文以此数据进行气态污染物的计算。
1 二氧化硫排放量的理论计算
水泥厂窑尾排放废气中的SO2来源于生料和燃料煤，一般按照新型干法水泥生产工艺要求，根据实际经验，不同的生产规模会影响生产单位熟料消耗的原煤量的不同，总体来说每生产1t熟料原煤的消耗量为130kg~160kg，一般原煤中硫的含量普遍认为2%，根据此计算，可知道每生产1t的熟料，原煤中会将3.2kg的硫，折算成SO3其含量就是8kg。一般回转窑内原煤中带入的SO3经过折算后不高于水泥生料的0.3%，当新型干法水泥生产线产量更大时，由于煤的综合利用效率更高，则这一比例会更一步降低。水泥生料中通常有一定的碱性物质（Na2O、K2O），由于存在这些碱性物质生料在回转窑内烧制时系统会有一定量的结皮产生，这样会对系统的持续正常运行产生不利影响，故而，在对水泥生料的配制过程中不但要其内含有的碱性物质含量小于1%，此外还要使其内SO3的摩尔数与N2O的摩尔数的比例（一般称为硫碱比）要控制在0.6~0.8的区间内。一般当生料内的碱性物质含量为1%时，要满足之前区间范围，则生料中SO3的含量需是0.77%~1.03%（这其中包含由煤中带入的那一部分）。燃料煤中含有的硫单独的话无法符合上述硫碱比，而且一般回转窑内水泥生料所带进的硫含量要大于燃料煤中所带进的含硫量。为了充分利用硫分含量较高的煤，《水泥工厂设计规范》（GB50295-2008）中规定生产原料中SO3的计算含量要不高于0.5%。
煤内硫的存在形式可归纳为四种：单质硫、硫化物内的硫、硫酸盐内的硫、含硫有机物内的硫。除了硫酸盐内的硫不能发生燃烧反应，其余三种均能发生燃烧反应，后三种称为可燃性硫，而硫酸盐硫称为非可燃性硫。当可燃性硫发生燃烧反应时，绝大部分会变成SO2，只有1%~5%会进一步转化为SO3，此过程发生的主要反应如下：
①单质硫燃烧:
②硫铁矿中硫的燃烧：
③硫醚等有机硫的燃烧:

回转窑内SO2的产生主要来源于燃料煤与生料中含有的硫铁矿等含硫物质，有一部分是这些物质在高温下分解生成的，另外的则是燃烧反应生成的。可是，水泥生产的最主要原料就是石灰石，其在回转窑内高温条件下会生成CaO，其对SO2会有吸收反应，而且在回转窑内各个位置都进行着SO2的吸收反应，比如Fe2S刚进入窑内在顶部旋风筒内燃烧生成的SO2，大概有70%会立即就被CaO吸收固定下来。当生料运送到最低级的旋风筒时，由于温度更高，CaO的活性更大，SO2与其反应速度更快，这样窑内气流中的SO2绝大部分被固定下来。由此可见，新型干法水泥生产工艺中熟料在回转窑内的煅烧过程自身就能有极高的脱硫功能，煤和原料中的硫分最终绝大部分存在于熟料中，只有很少一部分SO2没有被固定下来，随废气从窑尾烟囱排出。
新型干法水泥生产工艺中所用的燃料煤无论是从窑头位置还是分解炉位置喷入，其燃烧过程中生成的SO2都要经过分解炉，而在分解炉中会含有非常多的石灰石分解而成的CaO，由于CaO量非常多，且炉内温度非常高导致其活性非常大，因此SO2绝大部分被CaO吸收并进一步氧化生成CaSO4，变成稳定物质存在于熟料中。只有生料中的FeS2产生的SO2才有可能存在于预热器的废气中，新型干法水泥生产工艺生产过程中SO2的排放量可认定主要跟原料中的SO3含量有关，故而新型干法水泥生产工艺SO2的排放量可通过下式进行推算：
如前所述，根据新标准，水泥生料中的SO3含量不高于0.5%；此外，根据普遍的水泥行业生产经验，新型干法水泥生产过程中回转窑内硫的吸收率介于92~100%。本计算中，取生料中SO3的含量为最大的0.5%，吸收率取最低的92%，1t熟料耗生料量取为普遍的1.52t，带入上式可得：

上面计算结果即为新型干法水泥生产厂如果严格按照《水泥工厂设计规范》(GB50295-2008) 要求进行水泥生产时，每生产1t熟料理论上所能排放的SO2量最多为0.49kg，小于标准规定的0.6kg SO2/t熟料限值（即水泥行业SO2排放标准：200mg/m3）。但当水泥生料中SO3的计算含量较高时，则可能会超出标准限值，不满足达标排放。
由于水泥生产过程中自身的除硫效率就非常高，而且如果窑尾废气收尘装置采用的是袋除尘装置时，废气通过袋子时，袋上附着的碱性物质能进一步吸收SO2，其去除效率会更高。一般窑尾采用电除尘除尘装置的新型干法水泥厂的SO2的排放量即为生产过程中的产生量，而窑尾采用袋除尘装置的新型干法水泥厂的SO2的排放量则略小于生产过程的产生量。综上，可知如果新型干法水泥厂按照标准规范进行生产，并采用袋除尘设施对窑尾废气进行除尘，则其生产过程中产生的SO2完全能够达标排放，无需额外吸收SO2设施。
2 NOX排放量的测算
氮氧化物即NO和NO2等的混合物，一般写作NOX。在回转窑内发生的燃烧过程中，根据不同的机理可将生成的NOX分成三种。即前面提到的燃料型NOX、热力型NOX和激发型NOX。根据研究成果，回转窑内这三类NOX的产生量与窑内的热力条件有关，随着热力条件的变化，它们的表现也有区别。燃料性NOX和激发型NOX随温度的变化自身生成率变化不大，而热力型NOX的生成则与温度变化关系很大。当温度＜150℃时，热力型NOX的生成量与燃料型NOX的生成量差不多，当温度＞150℃时，热力型NOX的生成量则会随着温度的升高，生成率变大。
新型干法水泥工艺中回转窑内主要是产生NO，只产生很少量的NO2，后者质量占据不到NOX总质量的5%。由于当NO排放到自然界中后，其在光照条件下会被转化为NO2，而且排放标准中是以NO2的折算量作为限量标准，故需要将烟气中的NO也折算成NO2量进行排放量进行计算。把NO的质量去乘1.53，并把10%O2含量最为基准，进行计算。
新型干法水泥生产工艺中燃料要从两个位置喷入回转窑系统，即窑头和分解铝。一般窑头最高煅烧温度能至少达到1600℃，而且烧制过程中产生的废气在该段停留时间也很长。在分解炉内，喷入的燃料属于无焰燃烧，温度约为900℃。根据大量统计结果，对于火电行业和工业锅炉，当温度一定时，炉内的NOX生成量与炉内的燃煤量有直接的关系，当燃烧温度达到1600摄氏度时，每燃烧1t的煤将会产生大概16kg的NOX，而当温度为900℃时，煤燃烧1t的煤则只会产生大概7kg的NOX。此外，新型干法水泥生产工艺过程中一般有40%的煤是从窑头喷入回转窑的，60%的煤是从分解炉进入回转窑的，结合上面统计数据，则可利用如下计算式，对新型干法水泥生产过程中窑尾NOX的产生量做一个定性计算：

当新型干法水泥生产工艺每生产1t的熟料将要消耗160kg左右的，即B0=160kg/t熟料，此时每生产1t熟料新型干法水泥生产中将产生的NOX量：

当新型干法水泥生产工艺每生产1t的熟料将要消耗130kg左右的，即B0=130kg/t熟料，此时每生产1t熟料新型干法水泥生产中将产生的NOX量：

上面两种结算结果均无法满足现行国家标准1.2kg NOX/t熟料的限制要求（即NO2排放浓度≤400mg/Nm3）。因此必须在新型干法水泥生产过程进行脱氮处理，这样才能满足国家排放标准。