水泥窑NOx排放浓度mg/Nm³与ppm的换算关系
水泥 四川水泥 武洪明 2014-08-08
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1 NOx排放浓度的表示方法
水泥熟料生产线回转窑窑尾、分解炉出口、预热器出口等排放的烟气中，含有NOx 等有害微量组分。
NOx 排放的浓度一般有两种表示方法，一是每标准立方米烟气中NOx 的毫克数即质量浓度mg/ Nm3，二是物质量中含有微量组分的体积浓度ppm， GB4915－2004《水泥工业大气污染物排放标准》规定的NOx排放浓度单位为mg/Nm3。但是在工程实践或资料中，体积浓度ppm也较常用[1]，尤其是一些监测仪器仪表显示值使用的较多。自然就产生mg/ Nm3与ppm的换算问题。
2 有关 mg/Nm3与ppm的换算方法
见诸水泥、建材报刊杂志有两个较为接近的换算数据，资料[2]为： 1 mg/Nm³≈1.8 cm³/Nm³；资料[3]为：1 mg/Nm³≈1.7 cm³/Nm³。对于水泥窑烟气中微量组分NOx的质量浓度mg/Nm³与体积浓度ppm（cm³/Nm³）的换算关系，一般是根据相应的浓度（质量浓度即每标准立方米烟气中NOx的毫克数cm³/Nm³，体积浓度即每标准立方米烟气中的立方厘米数cm3/Nm3。）和密度的概念去求解，在两者之间建立简单的数学公式：
1 mg/Nm³=k·cm³/Nm³ ……（1）
k=1 mg/Nm³/cm³/Nm³ ……（2）
k=1 mg/ cm³ ……（3）
经过推导得到公式（3），其k值为物理量密度。求解一种气体物质密度的经典方法是该物质的分子量与其1摩尔气体体积的比值。例如NO2的密度等于NO2的分子量46与1摩尔NO2气体体积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。一般认为，水泥回转窑排放烟气中的NOx 由 95%NO和5%NO2组成，其加权平均值等于k=1.375。氮氧化物排放的结果最终为NO2，故此k=2.054。若取值k=2.0，就是现在水泥行业所说的“1个 mg/Nm3等于两个ppm”。烟气中的NOx ＝NO+NO2，按此式求解上面介绍的k=1.8时，NO为35.5%、NO2为64.5%； k=1.7时，No为41.3%，NO2为58.7%。因此，k=1.8或 k=1.7时是NO与NO2一定比例的特定值，不能代表最终氮氧化物排放浓度mg/ m3与ppm 换算关系。
空气、以煤做燃料的火力发电厂锅炉排放的烟气、水泥窑排放的气体属于不同类型气体，本文只讨论水泥窑排放的烟气。水泥窑排放烟气中的主要组分是氮气N2、二氧化碳气CO2、水蒸气 H2O、少量的氧气O2、一氧化碳气CO、微量的氮氧化物NOx等。以两厂水泥窑为例，其热工测定烟气的主要组分见表1。
NOx含量属微量组分，一般不在热工测定结果中显示，或只用NO2值来表示NOx的排放数据。2009年，由中国建筑材料科学研究总院与合肥水泥工业研究设计院组成的水泥工业大气污染物排放监测组，对山东等地31条2500t/d到6000t/d新型干法生产线预分解水泥窑进行大气主要排放物实时监测，其中1条2500t/d生产线NOx监测数据最大为1619.5 mg/ Nm³。按照水泥行业所说的“1个mg/Nm³等于两个ppm”，则换算为3239ppm，仅占烟气体积 的0.3239%，与氮气N2所占的体积相比，仅为氮气体积的1/200。可见，Nox虽是微量组分，但也关系到对排放浓度的理解和换算。以上表明，mg/m³与ppm 换算关系对监测控制具有重要影响。为此，笔者根据表1两例实测数据进行理论推导（推导过程略），得出两者的换算系数见表2。
推导结果，用于体积浓度ppm换算为质量浓度mg/Nm3的系数为2.018，反之取0.4955。即：
1mg/Nm3=2.018ppm 或1ppm=0.4955mg/Nm3
以上两个换算系数是依据表1两个案例热工测定数据进行推导计算得出的结果。两个案例中，表1案例1标定的烟气之和为100%，并未包括氮氧化物，虽其微量但却客观存在，在烟气中也占有一定的体积而不应被忽略。案例2的烟气之和为99.96%，其余的0.04%可能就是微量组分的体积。
3 对换算方法的思考与建议
在治理NOx排放的工程中，由ppm换算为mg/Nm3的换算系数是采用2.018还是前述的1.7和1.8，是非常关键的数据。设某地氮氧化物的排放标准值为600 mg/Nm3，而实时监测值是1200ppm，采用换算系数2.018，换算得：1200/2.018=595 mg/Nm3，按标准600 mg/Nm3衡量，可判定符合标准要求；若采用换算系数1.8，换算得：1200/1.8=667 mg/Nm3，则可判定不符合标准要求。后者因此能会引起排污费的增加，还可能受到行政追责及追加治理投资。由此可见换算系数对排放达标判定的重要性。
目前，国家标准GB4915-2004对于质量浓度mg/Nm³与体积浓度ppm的换算没有明确的规定，这就给准确表达氮氧化物的排放值带来一定的困难。建议修订标准时，对mg/Nm³与ppm之间的换算系数加以规定，笔者认为换算系数取值2.0为宜。
参考资料
[1] 朱永礼，等.低氮分级燃烧技术在日产万吨熟料生产线上的应用实践. 水泥商讯网.2012水泥工业脱硝、脱硫除尘使用技术参考手册，P126。
[2] 张大康，非催化选择还原法降低NOx排放，水泥，2004，（12）P13－16。
[2] 俞进旺，宋正华.新型干法水泥氮氧化物治理及控制技术.中国建材报，2011年8月4日机械与装备版。
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