水泥窯NOx排放濃度mg/Nm³與ppm的換算關(guān)系

  1 NOx排放濃度的表示方法

  水泥熟料生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯窯尾、分解爐出口、預(yù)熱器出口等排放的煙氣中，含有NOx  等有害微量組分。

  NOx 排放的濃度一般有兩種表示方法，一是每標準立方米煙氣中NOx 的毫克數(shù)即質(zhì)量濃度mg/ Nm³，二是物質(zhì)量中含有微量組分的體積濃度ppm， GB4915－2004《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定的NOx排放濃度單位為mg/Nm³。但是在工程實踐或資料中，體積濃度ppm也較常用[1]，尤其是一些監(jiān)測儀器儀表顯示值使用的較多。自然就產(chǎn)生mg/ Nm³與ppm的換算問題。

  2 有關(guān) mg/Nm³與ppm的換算方法

  見諸水泥、建材報刊雜志有兩個較為接近的換算數(shù)據(jù)，資料[2]為： 1 mg/Nm³≈1.8 cm³/Nm³；資料[3]為：1 mg/Nm³≈1.7 cm³/Nm³。對于水泥窯煙氣中微量組分NOx的質(zhì)量濃度mg/Nm³與體積濃度ppm（cm³/Nm³）的換算關(guān)系，一般是根據(jù)相應(yīng)的濃度（質(zhì)量濃度即每標準立方米煙氣中NOx的毫克數(shù)cm³/Nm³，體積濃度即每標準立方米煙氣中的立方厘米數(shù)cm³/Nm³。）和密度的概念去求解，在兩者之間建立簡單的數(shù)學公式：

  1 mg/Nm³=k·cm³/Nm³         ……（1）

  k=1 mg/Nm³/cm³/Nm³         ……（2）

  k=1 mg/ cm³                      ……（3）

  經(jīng)過推導得到公式（3），其k值為物理量密度。求解一種氣體物質(zhì)密度的經(jīng)典方法是該物質(zhì)的分子量與其1摩爾氣體體積的比值。例如NO2的密度等于NO2的分子量46與1摩爾NO2氣體體積22.4L的比值，即46÷22.4=2.054，即k=2.054。NO的分子量30，其密度等于1.339，即k=1.339。一般認為，水泥回轉(zhuǎn)窯排放煙氣中的NOx 由 95%NO和5%NO2組成，其加權(quán)平均值等于k=1.375。氮氧化物排放的結(jié)果最終為NO2，故此k=2.054。若取值k=2.0，就是現(xiàn)在水泥行業(yè)所說的“1個 mg/Nm³等于兩個ppm”。煙氣中的NOx ＝NO+NO2，按此式求解上面介紹的k=1.8時，NO為35.5%、NO2為64.5%； k=1.7時，No為41.3%，NO2為58.7%。因此，k=1.8或 k=1.7時是NO與NO2一定比例的特定值，不能代表最終氮氧化物排放濃度mg/ m³與ppm  換算關(guān)系。

  空氣、以煤做燃料的火力發(fā)電廠鍋爐排放的煙氣、水泥窯排放的氣體屬于不同類型氣體，本文只討論水泥窯排放的煙氣。水泥窯排放煙氣中的主要組分是氮氣N2、二氧化碳氣CO2、水蒸氣 H2O、少量的氧氣O2、一氧化碳氣CO、微量的氮氧化物NOx等。以兩廠水泥窯為例，其熱工測定煙氣的主要組分見表1。

   NOx含量屬微量組分，一般不在熱工測定結(jié)果中顯示，或只用NO2值來表示NOx的排放數(shù)據(jù)。2009年，由中國建筑材料科學研究總院與合肥水泥工業(yè)研究設(shè)計院組成的水泥工業(yè)大氣污染物排放監(jiān)測組，對山東等地31條2500t/d到6000t/d新型干法生產(chǎn)線預(yù)分解水泥窯進行大氣主要排放物實時監(jiān)測，其中1條2500t/d生產(chǎn)線NOx監(jiān)測數(shù)據(jù)最大為1619.5 mg/ Nm³。按照水泥行業(yè)所說的“1個mg/Nm³等于兩個ppm”，則換算為3239ppm，僅占煙氣體積 的0.3239%，與氮氣N2所占的體積相比，僅為氮氣體積的1/200。可見，Nox雖是微量組分，但也關(guān)系到對排放濃度的理解和換算。以上表明，mg/m³與ppm 換算關(guān)系對監(jiān)測控制具有重要影響。為此，筆者根據(jù)表1兩例實測數(shù)據(jù)進行理論推導（推導過程略），得出兩者的換算系數(shù)見表2。

  推導結(jié)果，用于體積濃度ppm換算為質(zhì)量濃度mg/Nm³的系數(shù)為2.018，反之取0.4955。即：

  1mg/Nm³=2.018ppm 或1ppm=0.4955mg/Nm³

  以上兩個換算系數(shù)是依據(jù)表1兩個案例熱工測定數(shù)據(jù)進行推導計算得出的結(jié)果。兩個案例中，表1案例1標定的煙氣之和為100%，并未包括氮氧化物，雖其微量但卻客觀存在，在煙氣中也占有一定的體積而不應(yīng)被忽略。案例2的煙氣之和為99.96%，其余的0.04%可能就是微量組分的體積。

  3 對換算方法的思考與建議

  在治理NOx排放的工程中，由ppm換算為mg/Nm³的換算系數(shù)是采用2.018還是前述的1.7和1.8，是非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。設(shè)某地氮氧化物的排放標準值為600 mg/Nm³，而實時監(jiān)測值是1200ppm，采用換算系數(shù)2.018，換算得：1200/2.018=595 mg/Nm³，按標準600 mg/Nm³衡量，可判定符合標準要求；若采用換算系數(shù)1.8，換算得：1200/1.8=667 mg/Nm³，則可判定不符合標準要求。后者因此能會引起排污費的增加，還可能受到行政追責及追加治理投資。由此可見換算系數(shù)對排放達標判定的重要性。

  目前，國家標準GB4915-2004對于質(zhì)量濃度mg/Nm³與體積濃度ppm的換算沒有明確的規(guī)定，這就給準確表達氮氧化物的排放值帶來一定的困難。建議修訂標準時，對mg/Nm³與ppm之間的換算系數(shù)加以規(guī)定，筆者認為換算系數(shù)取值2.0為宜。

  參考資料

  [1] 朱永禮，等.低氮分級燃燒技術(shù)在日產(chǎn)萬噸熟料生產(chǎn)線上的應(yīng)用實踐. 水泥商訊網(wǎng).2012水泥工業(yè)脫硝、脫硫除塵使用技術(shù)參考手冊，P126。

  [2] 張大康，非催化選擇還原法降低NOx排放，水泥，2004，（12）P13－16。

  [2] 俞進旺，宋正華.新型干法水泥氮氧化物治理及控制技術(shù).中國建材報，2011年8月4日機械與裝備版。