石朝亭，蔡 軍,3，任強強,3，吾慧星，馬海軍

(1. 中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院潔凈能源創(chuàng)新研究院，遼寧 大連 116023；4. 寧夏天縱泓光余熱發(fā)電技術(shù)股份有限公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

我國是水泥生產(chǎn)和消費大國，自1985年以來水泥產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界首位，2019年全年水泥產(chǎn)量達23.3億t[1]。水泥生產(chǎn)是一個能源高消耗、污染高排放的過程，我國水泥工業(yè)2018年能耗在2.95億tce左右[2]，而2017年的NOx排放量在105.8萬t左右[3]。雖然水泥行業(yè)NOx排放量逐年降低，但水泥生產(chǎn)依然是我國繼熱力發(fā)電和交通運輸之后的第三大NOx排放源。分解爐和回轉(zhuǎn)窯是現(xiàn)代干法水泥生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生NOx的重要設備。分解爐用于水泥生料的分解，其燃燒溫度為870～1 050 ℃，主要生成燃料型NOx，出口煙氣NOx原始排放濃度為800～1 300 mg/Nm3[4]；回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要進行物料的煅燒熔融和礦物重結(jié)晶過程，燃燒氣相溫度超過1 700 ℃，主要產(chǎn)生熱力型NOx，窯尾煙氣NOx原始排放濃度為1 500～2 600 mg/Nm3[5]。NOx排放一方面威脅人類生命健康，影響動植物生存，另一方面又造成酸雨、光化學煙霧以及霧霾等環(huán)境問題。現(xiàn)行GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定水泥生產(chǎn)NOx排放限值為400 mg/Nm3，重點地區(qū)不超過320 mg/Nm3，一些地方政府則提出了更嚴格要求，其中河北唐山、邢臺以及邯鄲規(guī)定現(xiàn)有水泥企業(yè)NOx排放濃度不高于50 mg/Nm3。

為了應對水泥工業(yè)越來越嚴苛的排放標準，有必要對現(xiàn)行以及近年來新涌現(xiàn)的低NOx排放控制技術(shù)進行梳理總結(jié)，進一步了解水泥行業(yè)低NOx排放控制技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，為水泥企業(yè)選擇適合的低氮脫硝技術(shù)提供參考，為水泥工業(yè)實現(xiàn)超潔凈綠色生產(chǎn)提供技術(shù)儲備。

1 水泥行業(yè)常見低NOx排放控制技術(shù)

目前，燃煤水泥窯爐實現(xiàn)低NOx排放的控制方法可分為燃燒前處理、燃燒中控制以及燃燒后處理3類。

1.1 燃燒前處理方法

對于水泥生產(chǎn)，燃燒前處理大致可分為燃料處理、空氣處理、生料處理3種方法?？傮w來看，燃燒前處理方法雖然可從源頭上減少NOx的產(chǎn)生，但在水泥生產(chǎn)中的降氮脫硝能力有限。

1.1.1燃料處理

燃料脫氮由于成本高、技術(shù)難度大、工藝不成熟等原因在水泥行業(yè)尚無應用[6]。在低氮燃料方面，選擇含氮量低于煤粉的天然氣或煤油作為水泥生產(chǎn)的燃料，可使NOx排放濃度降低60%[5]，但以油或氣代替煤粉進行水泥生產(chǎn)并不適應我國水泥產(chǎn)量大的現(xiàn)狀以及富煤貧油少氣的能源結(jié)構(gòu)。一般煤燃燒過程中NOx排放量隨含氮量增加而增加，因而可以選擇含氮量低的煤種，如褐煤。

一般認為增加煤粉細度、含水量可以減少NOx排放量。煤粉細到一定程度時，揮發(fā)分析出以及燃燒過程急速耗氧，煤焦顆粒表面由于貧氧形成還原性氛圍，從而還原掉部分揮發(fā)分劇烈燃燒產(chǎn)生的NOx，并抑制煤焦燃燒過程中焦炭N向NOx的轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒較粗的劣質(zhì)煤或燃點較高的煤會因為揮發(fā)分析出速度慢從而減少NOx的形成[7]。

在煤粉中添加一定量石灰石等礦物質(zhì)原料或生活污泥、廢輪胎等固體廢棄物也有助于煤的低氮燃燒[5,8]。這些添加物一般通過影響煤粉揮發(fā)分析出過程，或為NOx還原提供有利條件等手段來降低煤燃燒過程中NOx的排放量。

1.1.2空氣處理

對于空氣處理，研究發(fā)現(xiàn)將生活污泥烘干尾氣與空氣混合后作為燃煤載氣，可以減少NOx排放，其原因在于生活污泥烘干尾氣中的碳氫化合物對NOx的還原作用[8]。但烘干尾氣比例過大會影響燃燒穩(wěn)定性；另外，如果直接運用水泥窯系統(tǒng)中的熱源，如熟料冷卻風對污泥進行烘干，則對水泥廠與污泥處理廠的位置有進一步要求，需要綜合考慮成本和收益。

1.1.3生料處理

在生料中添加礦化劑可以提高生料的易燒性，使回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度降低，從而降低熱力型NOx的產(chǎn)生，可降低5%～10%，在一些特殊情況下可降低30%。降低煅燒溫度有可能使熟料質(zhì)量下降[5]。

1.2 燃燒中控制方法

燃燒中控制方法通過合理組織燃燒來降低燃燒過程NOx排放量：一方面通過合理組織燃燒降低回轉(zhuǎn)窯用煤比例和燃燒溫度，進而減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOx的產(chǎn)生；另一方面則通過合理組織燃燒提高分解爐對窯尾煙氣中NOx的還原能力，同時抑制分解爐內(nèi)部燃燒過程中NOx的生成。

1.2.1回轉(zhuǎn)窯中NOx控制

1)低氮燃燒器

目前國內(nèi)水泥行業(yè)多使用德國洪堡公司的PYRO-JET型、丹麥史密斯Duoflex型以及法國Novaflam型低氮燃燒器，其中PYRO-JET型低氮燃燒器在我國水泥行業(yè)使用時間較長，范圍較廣。PYRO-JET型低氮燃燒器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。一次風包括高速直流風、低速渦流風以及中心分風，多風道設計可使低氮燃燒器一次風量降低至5%～6%。外圍高速直流風對高溫二次風具有很強的卷吸作用，可將燃料和二次風均勻分布至火焰下游，拉長火焰進而降低燃燒溫度，并減少空氣在高溫區(qū)的停留時間，從而降低熱力型NOx的產(chǎn)生；靠近中心部位的低速渦流風可在燃燒器頂部形成低壓區(qū)，使部分燃料回流到一次風量較少的火焰核心區(qū)進行燃燒，進一步減少NOx產(chǎn)生量。低氮燃燒器目前的脫硝效率在10%～15%[9]，多通道設計可使各通道流量協(xié)同調(diào)節(jié)進而形成大推力、大速差的運行特點，同時對燃料的適應性也更強，是低氮燃燒器獨有的優(yōu)勢。

圖1 PYRO-JET型低氮燃燒器結(jié)構(gòu)原理[9]

目前，我國水泥生產(chǎn)線大多已安裝了低氮燃燒器，效果比較穩(wěn)定，但過程中仍存在問題。低氮燃燒器結(jié)構(gòu)復雜，投資以及運行維修成本相對較高，對操作人員要求也較高；另一方面，考慮到我國優(yōu)質(zhì)煤價高量小，以及劣質(zhì)煤使用積極性逐漸提高的現(xiàn)狀，需要進一步發(fā)展低氮燃燒器，以提高其對低品位燃料的適應性[10]。

2)高固氣比懸浮預熱分解技術(shù)

該技術(shù)通過對懸浮預熱器和分解爐進行高固氣比設計，以達到NOx減排的目的。根據(jù)徐德龍院士對固氣比與熱利用效率關(guān)系的研究[11]，當固氣比低于3.6時，懸浮預熱器熱效率隨著固氣比增加而增加；生料在分解爐中的最終分解率隨其在分解爐中停留時間的延長而增大。高固氣比懸浮預熱分解技術(shù)流程如圖2(C為旋風分離器，下標數(shù)字為級數(shù))所示。

圖2 高固氣比懸浮預熱分解技術(shù)流程[12]

由C2A、C2B旋風筒出口管道進入預熱器系統(tǒng)的生料分別經(jīng)C1A、C1B旋風筒分離，2股物料混合均勻后進入C2A旋風筒，由C2A旋風筒分離出的物料再進入C2B旋風筒進行分離，并以此類推；由C5旋風筒分離出的煙氣均分為2股分別進入C4A、C4B旋風筒，并分別依次上升至C1A、C1B后再混合進入尾部煙氣處理系統(tǒng)。這種料路交叉串聯(lián)、氣路平分并聯(lián)的雙系列懸浮預熱器設計使預熱器系統(tǒng)中的固氣比增大(但仍小于3.6)，進而使其換熱效率增大，降低熱耗；在外循環(huán)立式分解爐中，分解不完全的生料顆粒由于外循環(huán)立管的設置而多次返回分解爐繼續(xù)分解，使生料在進入回轉(zhuǎn)窯之前分解率接近100%[13]。上述設計使回轉(zhuǎn)窯僅需提供熟料燒成中固相反應所需熱量，其用煤比例降低至30%，甚至更低[12]，高溫火焰處的氣相溫度相對普通回轉(zhuǎn)窯較低，熱力型NOx產(chǎn)生量也降低。分解爐中燃燒不完全的煤粉顆粒也因為外循環(huán)立管的設置而返回至分解爐中燃燒，從而使分解爐中平均氧濃度相對普通分解爐降低，70%的煤粉在分解爐低溫(850 ℃左右)低氧的氛圍中燃燒，一方面揮發(fā)分N的不完全析出使燃料型NOx的生成減少，另一方面更強的還原氛圍(平均氧濃度的降低)使得窯尾煙氣中更多的NOx被還原，系統(tǒng)整體NOx排放濃度下降。該技術(shù)通過調(diào)節(jié)水泥窯系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)達到降氮減排目的，沒有新增額外成本以及二次污染，目前已在國內(nèi)多條生產(chǎn)線進行工業(yè)應用。據(jù)報道其工業(yè)化應用可以達到50%以上的減排效果[12]。

3)預燒成工藝

根據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的傳熱計算分析[14]，回轉(zhuǎn)窯850～1 100 ℃溫度區(qū)間(生料進一步預熱分解)內(nèi)換熱量約為417 kJ/kg(以物料計，下同)，在1 100～1 450 ℃溫度區(qū)間(固相反應)內(nèi)換熱量僅為43.1 kJ/kg，回轉(zhuǎn)窯窯尾的換熱需求遠大于窯頭，但是窯尾煙氣溫度低且對流換熱能力差，其綜合換熱效率低。水泥預燒成工藝[15]采用傳熱效率極高的懸浮煅燒方法來優(yōu)化分解爐，使物料在進入回轉(zhuǎn)窯前就全部分解，并進一步加熱物料至1 100 ℃左右?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)僅進行熟料燒成的固相反應，其用煤比例理論上可以降至20%，進而達到與高固氣比懸浮預熱分解技術(shù)相似的降氮脫硝效果。二級水泥預燒成工藝系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 二級預燒成工藝示意[16]

物料經(jīng)C4旋風筒分離下來后進入一級分解爐，并隨煙氣一起進入C5旋風筒，經(jīng)C5旋風筒分離下來的物料隨后進入二級分解爐，隨煙氣進入C6旋風筒后進行分離，最后進入回轉(zhuǎn)窯煅燒。預燒成工藝采用傳熱效率極高的懸浮預熱分解爐代替回轉(zhuǎn)窯部分功能，相對原水泥窯系統(tǒng)整體熱效率提高，且回轉(zhuǎn)窯長度縮短30%左右，占地面積減小，改造或新建的成本也相對較低。但該工藝需要注意分解爐溫度升高后的黏結(jié)堵塞問題，需對下料管等相關(guān)設備進行升溫后處理。目前該工藝處于工程化初期階段[17]。

1.2.2分解爐中NOx控制

分解爐中NOx控制技術(shù)主要指分級燃燒技術(shù)，該技術(shù)將分解爐所用的三次風或燃料分級送入分解爐，在一定區(qū)域內(nèi)形成還原性氛圍，增強分解爐對窯尾煙氣中NOx的還原能力，同時抑制分解爐自身燃燒過程中NOx的產(chǎn)生。分級燃燒又可分為空氣分級燃燒、燃料分級燃燒以及兩者的結(jié)合。

空氣分級燃燒技術(shù)是將分解爐底部原三次風分級送入分解爐的不同位置，以在分解爐特定區(qū)域建立還原區(qū)。還原區(qū)中空氣過量系數(shù)根據(jù)理論計算一般為0.8左右[18]。燃料在低溫(850 ℃左右)低氧氛圍下燃燒時，大量的CO、NH3、HCN、CxHy氣體以及焦炭等還原性物質(zhì)的存在，會使得窯尾煙氣中部分NOx得以還原，同時抑制分解爐中燃料型NOx的產(chǎn)生。分級風的比例以及送入分解爐的位置都需要通過合適的方法確定，其中分級風的比例可通過計算機數(shù)值模擬的方法進行優(yōu)化改進[19-20]，分級風送入爐膛的位置可通過熱工計算確定，原則上以確保NOx在還原區(qū)的停留時間大于1 s為宜[18]?？諝夥旨壢紵夹g(shù)僅需一次性投資，且?guī)缀鯖]有運行費用，不過其脫硝效率僅有15%～20%[21]，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較差，且不適用于高硫煤以及石油焦等燃料的燃燒。

燃料分級燃燒技術(shù)將分解爐用煤分層喂入分解爐不同位置，以在特定區(qū)域建立還原區(qū)，進而達到與空氣分級燃燒類似的降氮效果。燃料分級燃燒技術(shù)不影響正常生產(chǎn)時脫硝效率只有15%～25%[21]，同樣不適用于高硫煤和石油焦的燃燒。另外，為保證分解爐中還原區(qū)的低氧氛圍，需要嚴格控制窯尾煙氣的氧濃度，減少回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)通風以及漏風，同時需要掌握好三次風位置以及分煤比例，否則容易出現(xiàn)高溫結(jié)皮現(xiàn)象。但減小窯內(nèi)通風會使系統(tǒng)波動敏感性提高，運行穩(wěn)定性降低，從而影響熟料質(zhì)量。

目前水泥行業(yè)采用的分解爐爐型有30多種，具有較低NOx排放的分解爐大多采用分級燃燒的設計原理[22]，但由于外形尺寸的區(qū)別，不同分解爐的分級燃燒設計方案有所不同，還原區(qū)位置也有所差異，常見的還原區(qū)位置有窯尾煙室、煙室上升煙道以及分解爐錐部等。DD型分解爐及其派生爐型由于結(jié)構(gòu)設計所具有的噴騰效應使其在脫氮以及煤粉燃燒方面優(yōu)勢突出，因而在我國具有較為廣泛的應用。DD型分解爐(圖4)分別采用空氣分級、燃料分級、空氣/燃料分級示意，圖中灰色區(qū)域為還原區(qū)，箭頭方向及其所處位置表示不同物料的入口/出口相對方向和位置。分級燃燒技術(shù)已在國內(nèi)外水泥行業(yè)普遍采用，雖然能夠在一定程度上降低NOx排放量，但易影響分解爐原有流場，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，為保證還原區(qū)的低氧氛圍，操作人員需要嚴格把控分風、分煤比例以及窯尾煙氣的氧濃度，當窯尾煙氣中氧濃度大于3%時，分級燃燒將會失去減排效果[18]，這對操作人員經(jīng)驗和測控系統(tǒng)的精準控制提出了更高要求。對于分級燃燒學術(shù)方面的研究，大多借助小型試驗和數(shù)值模擬的方法，從爐型、工藝參數(shù)、燃料類型等角度展開[5,23-28]。

圖4 DD型分解爐分級燃燒示意[27]

1.3 燃燒后處理方法

燃燒后處理方法即指煙氣脫硝技術(shù)。根據(jù)反映體系的狀態(tài)，煙氣脫硝技術(shù)可分為干法和濕法兩大類。在國內(nèi)水泥行業(yè)，濕法煙氣脫硝技術(shù)由于脫硝廢液無法處理、二次污染以及需要大量氧化劑等原因鮮少采用。干法煙氣脫硝技術(shù)中，電子束照射法和脈沖電暈等離子體法對煙氣的處理量小，在水泥行業(yè)尚無應用；而吸附法目前僅限于實驗室研究，尚未工業(yè)化應用；選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)在水泥行業(yè)的應用較為普遍，而選擇性催化還原(SCR)技術(shù)在國內(nèi)水泥行業(yè)的應用還處于中試試驗、個別項目示范和積累運行數(shù)據(jù)與經(jīng)驗的階段

1.3.1SNCR方法

SNCR方法在溫度區(qū)間為850～1 100 ℃，不使用催化劑的條件下，利用氨水或尿素(尿素進入爐膛后，首先產(chǎn)生NH3，再參與NOx還原反應[29])將煙氣中的NOx還原為N2。該技術(shù)相對成熟，設備簡單，易于改造，對于水泥的生產(chǎn)過程影響也比較小，在水泥行業(yè)已經(jīng)成為標配。但該技術(shù)在應用過程中也存在一些問題，如：① 還原劑中水分會使料粒相互黏結(jié)，影響回轉(zhuǎn)窯通風；② 還原劑噴嘴需要定期更換；③ NH3可能會與煙氣中的SO2反應，生成NH4HSO4或(NH4)2SO4導致堵塞或腐蝕問題；④ 對應用溫度窗口要求比較嚴格，溫度低于850 ℃反應速率慢，脫硝效率低，溫度高于1 100 ℃還原劑則會被氧化為NO，反而增加NOx濃度；⑤ 氨逃逸帶來的二次環(huán)境污染。

對于不同的水泥生產(chǎn)線，SNCR技術(shù)的脫硝效率差異較大，可達15%～80%[4]。這主要是分解爐復雜惡劣的環(huán)境所致。還原劑噴入的位置(即溫度窗口的選擇)、用量以及與煙氣的混合程度是影響SNCR技術(shù)脫硝效率的重要因素[30-33]，而分解爐中大量水泥生料的分解使得影響SNCR技術(shù)脫硝效率的因素變得更為復雜。CaO作為生料分解的主要固體產(chǎn)物，會對NH3的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響[2,5,34-44]，生料分解產(chǎn)生的其他金屬礦物質(zhì)也會影響NH3的轉(zhuǎn)化。而CaO以及其他金屬礦物質(zhì)對NH3轉(zhuǎn)化路徑的作用又會受到CO2、O2以及CO等氣體成分的影響[38-42,45-47]，而影響的具體路徑目前尚無一致的結(jié)論。

1.3.2SCR方法

SCR方法在催化劑作用下，利用氨水或尿素將NOx還原為N2，脫硝效率可達80%～95%。由于催化劑的使用，該方法氨氮比降低，還原劑使用量以及NH3逃逸率大幅降低，不過其改造投資成本及運行成本較高，對溫度窗口要求也較為嚴苛(260～400 ℃)；另外，催化劑易使煙氣中的SO2氧化為SO3[48]，進而與還原劑反應生成硫酸銨，引發(fā)催化劑堵塞及設備腐蝕等問題。

SCR技術(shù)雖已成為大型工業(yè)鍋爐以及電站鍋爐煙氣脫硝的主流工藝，但由于水泥窯爐煙氣粉塵含量高且含堿金屬等復雜成分，催化劑易中毒失活等問題，該技術(shù)在水泥行業(yè)的應用十分有限，國內(nèi)首套SCR脫硝示范裝置于2018年10月在河南登封宏昌水泥公司建成。

SCR技術(shù)在水泥行業(yè)有高溫高塵、低溫高塵以及低溫低塵3種布置形式。高溫高塵布置形式是將SCR反應系統(tǒng)安裝在預熱器C1旋風筒之后，余熱鍋爐之前，此位置煙氣溫度為280～400 ℃，符合大多數(shù)催化劑的活性溫度區(qū)間。但該位置煙氣含塵量極高，易引起催化劑磨損、堵塞以及堿土金屬中毒等問題。根據(jù)電廠經(jīng)驗，對于高CaO煙氣可選取含有WO3的催化劑，以延長催化劑使用壽命[43]。以該布置形式為基礎(chǔ)，在SCR反應器之前安裝高溫除塵設備可降低高CaO煙氣對于催化劑的危害，美國Joppa生產(chǎn)線以及我國登封宏昌的SCR示范線均采用了該方法。

低溫高塵布置形式則將SCR反應系統(tǒng)安裝在余熱鍋爐或增濕塔之后，此時煙氣溫度只有160 ℃左右，且同樣存在高粉塵問題。高塵布置中，SCR催化劑負載需要綜合考慮截距、壁厚以及硬度等條件。目前催化劑有蜂窩式、板式以及波紋式3種結(jié)構(gòu)形式，國外水泥窯SCR系統(tǒng)中，約65%以上的生產(chǎn)線采用蜂窩式催化劑，33%左右的生產(chǎn)線使用板式催化劑，波紋式催化劑使用較少[49]。

低溫低塵布置形式將SCR系統(tǒng)安裝在窯尾除塵器之后，該布置形式很大程度上避免了煙氣中的高粉塵問題，且相對另外2種布置形式，該布置形式所需空間小，能耗低，催化劑壽命長且運行成本低，工業(yè)化應用前景廣闊。但窯尾除塵器之后的煙氣溫度已經(jīng)降低至130 ℃左右，催化劑的活性十分受限，而有關(guān)低溫催化劑的研究[50-55]多集中在催化劑低溫活性和抗SO2、H2O兩方面，其中清華大學環(huán)境學院的李俊華教授團隊處于行業(yè)領(lǐng)先，不過目前仍處于中試研發(fā)階段。

1.4 聯(lián)合脫硝技術(shù)

兼顧排放水平以及經(jīng)濟效益，水泥行業(yè)常采用多種低氮燃燒技術(shù)相結(jié)合的方法來達到降本增效的目的，其中以高效再燃脫硝技術(shù)和熱碳催化還原復合脫硝技術(shù)為代表。

1.4.1高效再燃脫硝技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了分級燃燒技術(shù)和SNCR技術(shù)，通過對分解爐(圖5)區(qū)域劃分來達到降氮脫硝的目的，圖中陰影區(qū)域從下到上分別為主燃燒區(qū)、再燃區(qū)、燃盡區(qū)以及SNCR區(qū)，箭頭方向及其所處位置表示不同物料的入口相對方向和位置。文獻[56]總結(jié)了該技術(shù)的工業(yè)應用效果，雖然相對分級燃燒和SNCR技術(shù)單獨使用時的脫硝效率更高，但不同規(guī)模生產(chǎn)線的NOx排放濃度差異較大。

圖5 高效再燃脫硝技術(shù)示意[16]

1.4.2熱碳催化還原復合脫硝技術(shù)

熱碳催化還原復合脫硝技術(shù)結(jié)合了燃料處理以及分級燃燒技術(shù)，主要通過催化改性材料來提高碳的還原能力，其基本原理是在分解爐內(nèi)形成還原區(qū)，并將催化改性材料和煤粉一起噴入該還原區(qū)中。在還原氛圍以及催化條件下，煤熱解產(chǎn)生的大量CO、碳氫化合物以及焦炭等還原性物質(zhì)，與窯氣中的NOx發(fā)生還原反應，同時抑制分解爐自身燃燒過程中NOx的生成。催化改性材料主要采用硅鋁酸鹽礦物和工業(yè)固體廢棄物，不但可以起到脫硝作用，同時能夠融入水泥熟料，實現(xiàn)水泥熟料的微量增產(chǎn)。據(jù)報道，該復合脫硝技術(shù)已經(jīng)在2 500 t/d水泥生產(chǎn)線上完成了工業(yè)性試驗，脫硝效率可以達到55%～70%[57]。

2 新涌現(xiàn)的低NOx排放控制技術(shù)

目前，我國水泥行業(yè)多采用低氮燃燒器、分級燃燒以及SNCR組合的脫硝策略，雖然NOx排放可以滿足國家排放標準，但隨著地方省市政府排放標準的不斷提高，水泥企業(yè)仍面臨巨大的環(huán)保壓力。從發(fā)展趨勢來看，水泥行業(yè)實現(xiàn)超低排放和綠色潔凈生產(chǎn)是大勢所趨。在此大背景下，近年來涌現(xiàn)出了一些新的脫硝技術(shù)。

2.1 水泥窯O2/CO2燃燒技術(shù)

水泥窯O2/CO2燃燒技術(shù)[58]將富含CO2的再循環(huán)煙氣與O2混合，通過冷卻熟料后成為高溫的O2/CO2混合氣體，參與回轉(zhuǎn)窯或分解爐中煤粉的燃燒。該技術(shù)以CO2代替N2，從根本上消除了熱力型NOx的產(chǎn)生，同時CO2還可以與煤焦反應生成大量的CO，對燃燒過程中產(chǎn)生的NOx進行還原。煙氣再循環(huán)的方式增加了NOx的還原時間，理論上可以大幅度減少NOx的產(chǎn)生，但其對熟料燒成的影響仍在探索階段[59]，目前也只有歐洲進行了小試研究[60]。該燃燒方式所需的純氧如果通過普通制氧技術(shù)獲得，成本高昂，也有工藝提出通過化學鏈制氧方法以降低制氧成本。該技術(shù)兼具NOx減排以及CO2捕集的功能，不過其在水泥行業(yè)的應用總體上處于實驗室研究階段。

2.2 以城市污泥實現(xiàn)水泥窯爐低氮排放技術(shù)

該技術(shù)是以城市污泥為原材料，以碳還原為關(guān)鍵核心的脫硝技術(shù)，其原理為：通過對城市污泥固廢進行物理改性，將其轉(zhuǎn)化為BPM高分子后作為還原NOx的載體，利用水泥生產(chǎn)過程中大量排放的CO2中的碳元素作為還原劑，以碳治氮，并將反應后多余的碳通過專利技術(shù)制成水煤氣，輸送到水泥回轉(zhuǎn)窯中作為燃料使用。據(jù)報道，該技術(shù)目前仍處于工程中試試驗階段[61]。

2.3 兩步還原法脫硝技術(shù)

隨著低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展，煤粉熱解氣化耦合燃燒超低氮燃燒技術(shù)越來越引起水泥行業(yè)的重視[62]，由中國科學院工程熱物理研究所循環(huán)流化床實驗室團隊提出的兩步還原法就是煤粉熱解氣化耦合燃燒超低氮燃燒技術(shù)的一種。兩步還原法是一種NOx綜合控制方法，包括燃燒前燃料預熱改性、燃燒中NOx的原位還原、以及燃燒后煙氣中NOx的熱碳還原，綜合脫硝效率可達90%。該方法首先對燃料進行預處理，之后進入分解爐內(nèi)燃燒，以減少燃料型NOx的產(chǎn)生，預處理后的燃料同時對回轉(zhuǎn)窯煙氣中的NOx進行還原。煙氣進入預熱煙道后，再利用熱碳對NOx進一步還原。該方法工藝簡單，對現(xiàn)有水泥工藝改動少，投資和運行成本與現(xiàn)有技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢(不足SCR技術(shù)的1/10)，目前正處于工程示范驗證階段。

3 水泥行業(yè)低NOx排放控制技術(shù)

對比水泥行業(yè)低NOx排放控制技術(shù)，燃燒前處理方法可從源頭上減少NOx的產(chǎn)生，但其脫硝能力有限，燃燒中控制方法中的低氮燃燒器、高固氣比懸浮預熱分解技術(shù)、分級燃燒技術(shù)，以及燃燒后控制方法中的SNCR技術(shù)在水泥行業(yè)的應用相對成熟，仍有很多學者在開展這些技術(shù)的優(yōu)化研究，預燒成技術(shù)以及聯(lián)合脫硝技術(shù)目前也已在實際工程中有所應用，而近年來新涌現(xiàn)出的低NOx控制技術(shù)則大多處于實驗室或工程試驗階段。水泥行業(yè)低NOx排放控制技術(shù)對比見表1。

4 結(jié)語與展望

面對日益嚴峻的減排形式，水泥行業(yè)深度脫硝工作的開展勢在必行。結(jié)合水泥行業(yè)各種低氮燃燒

表1 水泥行業(yè)低NOx排放控制技術(shù)對比

技術(shù)的特點、優(yōu)勢以及存在問題，對水泥行業(yè)低氮脫硝技術(shù)的使用以及未來研究提出幾點建議：

1)燃燒中控制方法相對于燃燒前控制方法有更高的脫硝效率，而相對于燃燒后控制方法有更低的成本，因此燃燒中與燃燒后復合技術(shù)的使用可以在較低成本下達到較好的脫硝效果。目前，我國大多數(shù)水泥生產(chǎn)線都采用低氮燃燒器技術(shù)，對于現(xiàn)有需要改造的水泥生產(chǎn)線可采用“分級燃燒+SNCR”或“高效再燃脫硝技術(shù)”的組合應用方案進行改造，而對于新建的大規(guī)模生產(chǎn)線，為達到更高的排放標準，可采用“低氮燃燒器+SNCR+SCR”或“低氮燃燒器+分級燃燒+SNCR+SCR”組合應用方案進行建設。另外，“高固氣比懸浮預熱分解技術(shù)+SNCR”也是相對較好的選擇。

2)未來水泥行業(yè)低氮脫硝技術(shù)的發(fā)展應注重提高還原氛圍下的碳還原能力，以激發(fā)碳還原能力為核心進行現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化以及新技術(shù)的探索，同時應考慮到與低氮燃燒技術(shù)相匹配的精準自動化、智能化測控設備的應用。回轉(zhuǎn)窯以及分解爐中的燃燒溫度和氧濃度是影響水泥窯系統(tǒng)NOx排放的重要因素，低溫低氧才能低氮，二者的精準測量以及實時反饋是NOx控制措施的重要依據(jù)。另外，局部燃燒溫度和氧濃度的變化也會應影響NOx的排放，因此對于二者的測量需全方位進行，自動化和智能化的測控對于水泥行業(yè)低氮燃燒技術(shù)的應用十分重要。