輥道窯燒制陶瓷過程中NOx的排放分析及治理

梁曉敏

摘 要：針對陶瓷行業(yè)NOx排放問題，筆者選取了作為“陶都”的佛山市對其能耗、數(shù)量較大的輥道窯進(jìn)行測試及分析，得出NOx的排放數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析及提出治理方法。分析得出生產(chǎn)同產(chǎn)品的輥道窯燃用天然氣較燃用其他燃料生成的NOx低，選用天然氣作為燃料有利于降低NOx排放。

關(guān)鍵詞：氮氧化物；陶瓷窯；輥道窯；減排

1 前言

近日，國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布公告，對GB 25464-2010《陶瓷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了修改完善，總體來說，稍微放寬了先前的限值指標(biāo)參數(shù)。但全國各地窯爐數(shù)量龐大，排放管理水平參差不齊，其污染物排放不容忽視。

2 NOx生成來源

燃燒生成的NOx主要有三個來源：熱力NOx、燃料NOx及快速NOx。在陶瓷行業(yè)中，由于原料的特殊性，還可能產(chǎn)生物料NOx。

2.1 熱力型NOx

熱力型NOx是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化生成的氮氧化物，其生成速率與燃燒溫度有很大的關(guān)系。根據(jù)阿累尼烏斯方程，對于某一活化能一定的反應(yīng)，隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)速率常數(shù)隨之增大。當(dāng)T<1400 ℃時，熱力型NOx的生成速率極慢；，而當(dāng)T>1400 ℃時，反應(yīng)速率明顯加快[1]。熱力型NOx的生成量受溫度、局部高溫和過剩系數(shù)影響。

2.2 燃料型NOx

燃料型NOx是指由化學(xué)結(jié)合在燃料中的有機(jī)氮化物熱分解后，和氧化合而生成的NOx。燃料型的生成和破壞比較復(fù)雜，簡單來說燃料中氮的含量與爐內(nèi)過?？諝饬渴瞧湫纬傻闹饕绊懸蛩亍Ｔ谌剂蠠o法改善的條件下，降低過剩空氣系數(shù)是控制燃料型NOx轉(zhuǎn)化與生成的最主要措施[2]。

2.3 快速型NOx

快速型NOx主要是在高溫富燃火焰中由碳?xì)浠衔锱cN2快速反應(yīng)生成，在空氣過剩系數(shù)小、低溫條件和燃燒產(chǎn)物停留時間較短的情況下，這種反應(yīng)尤其明顯[3]?？焖傩蚇Ox由于其生成量較少，一般被忽視；但在陶瓷行業(yè)，其連續(xù)燒制的工藝特點(diǎn)及減排水平的提高，使得總NOx生成量下降到較低水平，此時，快速型NOx的生成量不容忽視。

2.4 物料型NOx

物料型NOx可以理解為在燃燒加熱過程中，物料中的含氮化合物加熱分解生成的NOx。此定義是針對陶瓷行業(yè)排放物的一種新定義NOx類別，由我司合作測試單位提出，其生成機(jī)理與影響因素有待進(jìn)一步研究。字面上理解是由于原材料中含氮化合物在加熱過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定分解，主要受原材料的成分影響。

3 NOx測試數(shù)據(jù)計(jì)算分析

3.1 選取典型案例進(jìn)行測試

根據(jù)筆者公司市場調(diào)研數(shù)據(jù)，佛山市現(xiàn)有陶瓷爐窯中，輥道窯數(shù)量較多，其燃料消耗總量占所有陶瓷爐窯的80%以上，故本文以輥道窯為對象進(jìn)行分析；其中輥道窯使用的燃料主要為天然氣和煤轉(zhuǎn)氣。

本文選取了兩條素?zé)G、一條釉燒窯作為典型案例。佛山市某陶瓷廠A與某陶瓷廠B均采用輥道窯燒制陶瓷素坯，A、B窯分別使用天然氣、煤轉(zhuǎn)氣作為燃料；某陶瓷廠C采用輥道窯燒制陶瓷釉面，使用天然氣作為燃料。通過煙氣抽樣分析，A、B、C窯煙氣中的O2及NOx含量見表1。

3.2 測試數(shù)據(jù)計(jì)算

參考《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》，可根據(jù)實(shí)際煙氣中的含氧量，通過公式3-1計(jì)算出該輥道窯的過?？諝庀禂?shù) [4]；參考GB 25464-2010《陶瓷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》最新修改條文[5][6]，將煙氣中的NOx濃度按陶瓷窯煙氣18%的基準(zhǔn)含氧量來折算，可折算出規(guī)定基準(zhǔn)含氧量下的氮氧化物排放濃度[NOx]。

α=■（1）

式中：α——過?？諝庀禂?shù)；

O2——煙氣中氧的百分含量（%）。

陶瓷行業(yè)中，氮氧化物排放物是NO和NO2的混合物，本文以NO2計(jì)算質(zhì)量濃度，更為合理，計(jì)算結(jié)果見表2。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過調(diào)查，佛山市天然氣輥道窯的燒成溫度約1200 ℃。對表2中A廠與B廠計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可了解到即使?fàn)t型與燒制工藝一樣，燃料的選擇對NOx的排放影響甚大，天然氣是不含氮、硫的潔凈燃料，使用天然氣作為燃料可有效減少燃料型NOx的產(chǎn)生，較低的燒成溫度也不利于熱力型NOx生成，由此推斷快速型NOx占主要。根據(jù)華南理工大學(xué)徐婷同志的研究分析，輥道窯燒制過程中，以天然氣為燃料時爐內(nèi)NOx生成以快速型NOx為主導(dǎo)，采用不同燃料時出口處NOx生成速度有不同變化[7]；與本文的分析結(jié)果相吻合。

另一方面，比較分析表2中A廠與C廠的計(jì)算結(jié)果，同樣燃用天然氣的輥道窯，兩者的NOx卻相差了將近四倍。兩者的過剩系數(shù)α相差不大，主要差別在于燒制的產(chǎn)品?？赏茢嗥渖傻目焖傩蚇Ox應(yīng)差異較少，猜測C窯中NOx的增長是由物料中釉面成分產(chǎn)生的。這說明天然氣窯爐雖能有效減少燃料型與熱力型的產(chǎn)生，但無法避免或者減少由于燒制物料帶來的NOx排放。為證實(shí)上述推斷，對C窯的煙氣樣品進(jìn)行其他成分分析，發(fā)現(xiàn)其中存在大量的SO2，天然氣是不含硫的潔凈燃料，該SO2應(yīng)源于釉料。釉料成分復(fù)雜，其污染物排放量受其成分含量及熱穩(wěn)定性影響。

4 治理措施

治理NOx排放簡單來說可從生產(chǎn)過程中的燃燒前、燃燒中、燃燒后進(jìn)行控制及治理。

4.1 燃燒前控制

4.1.1燃料的改善

化石燃料中大多存在硫、氮、鉛等元素，其燃燒不可避免會產(chǎn)生SO2、NOx等大氣污染物，通過燃燒前除氮、燃料氣化、乳化、摻混等方式可有所減少，如煤轉(zhuǎn)氣經(jīng)過嚴(yán)格的凈化過程后燃燒，凈化后氣體燃料不含氮成本，燃燒不會產(chǎn)生燃料型氮氧化物，但其燃燒成本相對增大，設(shè)備維修費(fèi)用增高；目前廠區(qū)的煤轉(zhuǎn)氣設(shè)備都比較粗獷，不利于減少氮氧化物。天然氣作為國家大力支持的清潔能源，可從根本上解決燃料型NOx的產(chǎn)生。

4.1.2選用合適的燃燒器

可采用低NOx燃燒器降低NOx排放。針對其他燃料改造為燃用天然氣，選用合適的燃燒器，合理布置燒嘴位置，只要設(shè)備調(diào)試得當(dāng)，能有效降低NOx的排放水平。另外，采用全預(yù)混燃燒器也能有效降低NOx排放。

對于新建設(shè)窯爐，建議首選燃燒天然氣，避免日后改造為燃用天然氣或其他燃料后調(diào)試不當(dāng)，改造成本較高，無法達(dá)到節(jié)能減排的最佳工況。

4.2 燃燒中控制

燃燒中控制可通過燃燒氣氛的控制來達(dá)到節(jié)能減排目的，可通過調(diào)整溫度、壓力及空氣過剩系數(shù)三大因素，保證爐內(nèi)正壓、溫度均勻、富氧燃燒，再結(jié)合煙氣循環(huán)、低NOx燃燒等方式，可有效抑制NOx的生成。

4.3 燃燒后控制

燃燒后控制主要從尾氣處理入手，可采用煙氣循環(huán)裝置，增加煙氣與空氣的循環(huán)對流，即可換熱利用，又可降低煙氣溫度從而減少NOx的生成量；

針對物料型NOx，可在燃料或物料中加入還原劑以抑制NOx的產(chǎn)生，但是加入的量若控制不好易導(dǎo)致附加排放物的增加，因此進(jìn)行尾氣脫硝是最保險的治理方法。

5 結(jié)語

享有“陶都”盛名的佛山，陶瓷制造歷史悠久，曾經(jīng)歷多輪淘汰、轉(zhuǎn)型、升級，根據(jù)《全國窯爐（陶瓷磚）能耗調(diào)查及節(jié)能減排技術(shù)匯編》的數(shù)據(jù)，佛山市陶瓷行業(yè)的能耗水平在國內(nèi)已位較先進(jìn)行列，其行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)及企業(yè)環(huán)保意識較高。本文選用佛山市的數(shù)據(jù)客觀實(shí)際，具有先進(jìn)性。從分析結(jié)果來看，生產(chǎn)同產(chǎn)品的輥道窯燃用天然氣較燃用其他燃料生成的NOx低，選用天然氣作為燃料有利于降低NOx排放。典型案例中NOx排放量雖然符合陶瓷行業(yè)現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，但仍具有降低的空間，有待各界學(xué)者及行業(yè)工作者共同努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃浪歡， 曾令可， 任雪潭， 等. 陶瓷窯爐NOx的污染與防治[J]. 中國陶瓷， 2000， 36（6）： 23-25.

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[3] 金永龍. 燒結(jié)過程中NOx的生成機(jī)理解析[J]. 燒結(jié)球團(tuán)， 2004，29（5）： 6-8.

[4] 同濟(jì)大學(xué)， 重慶建筑大學(xué)， 哈爾濱建筑大學(xué)，等. 燃?xì)馊紵c應(yīng)用[M]. 3版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2000： 3-11.

[5] GB 25464-2010， 陶瓷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2010.

[6] 環(huán)境保護(hù)部. 關(guān)于發(fā)布國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)《陶瓷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 25464-2010）修改單的公告[EB/OL]. 環(huán)境保護(hù)

部辦公廳，2014，12，12.

[7] 徐婷， 馬曉茜， 姜娟. 輥道窯燒成帶火焰空間在富氧氣氛下NOx生成的研究. 工業(yè)加熱. 2010，39（1）： 38-40.