北極星大氣網訊:我國是以燃煤為主的發展中國家,能源結構以煤炭為主,消耗量佔一次能源消費量的75%左右。隨著經濟的持續發展和煤耗的增加，燃煤造成的大氣汙染日趨嚴重，而氮氧化物是主要汙染成分之一。環保部門相關統計數據顯示，水泥工業的氮氧化物排放量約佔全國總量的10%~12%，是繼火電廠、機動車之後的第三大排放源。
因氮氧化物有多種存在形式且極不穩定，故通常用NOX來表示，人類活動排放的NOx主要來自各種燃燒過程,其中以工業窯爐和汽車排放的為最多。在職業環境中接觸的是幾種氣體混合物常稱為硝煙（氣），主要為一氧化氮和二氧化氮，並以二氧化氮為主。
NOx的危害多種多樣，通過呼吸進入人體肺的深部,可引起支氣管炎或肺氣腫，還能和大氣中其他汙染物發生光化學反應形成光化學煙霧汙染。N2O在大氣中經氧化轉變成硝酸,是造成酸雨的原因之一，N2O還可使平流層中臭氧減少,從而使到達地球的紫外線輻射量增加。
水泥工業氮氧化物的來源有哪些？
通常在不採取任何NOx控制措施時，我國新型幹法水泥生產系統NOx的排放濃度多為500～1200mg/Nm3；對於燃用無煙煤和含氮較高的燃料，再加上煅燒高標號水泥熟料、特種水泥熟料以及高矽或高飽和比要求的水泥企業，其NOx的排放濃度遠遠超過400mg/Nm3的控制標準。水泥煙氣脫硝技術顯得尤為重要。
在水泥熟料的煅燒過程中，會產生大量的氮氧化物，這些氮氧化物主要是NO和NO2，其中NO約佔90%以上，而NO2隻有5%～10%。按其來源劃分主要取決於原、燃料中氮的含量、燃燒溫度的高低和燃料類型。
（1）原、燃料NOx
水泥生產使用的原燃料均來自於自然界，其中不可避免的會含有一定量有機物和低分子含氮化合物，由該部分氮元素直接轉化的NOx稱為原、燃NOx。原料中的氮主要來源於礦石沉積的含氮化合物，其含氮量一般在20～100ppm（百萬分之20~100）。燃料中的氮主要為有機氮，屬於胺族（N-H和N-C鏈）或氰化物族（C=N鏈）等，其含量一般在0.5%～2.5%。
（2）熱力型NOx
熱力型NOx由空氣中的氮氣和氧氣在高溫下發生化學反應而來，其生成速度與溫度的關係是由捷裡道維奇提出來的，因此稱為捷裡道維奇機理。當燃燒溫度低於1500℃時，幾乎觀測不到NOx的生成，當溫度高於1500℃時，溫度每升高100℃，反應速率將增大6～7倍。因此，熱力型NOx主要在燃燒的高溫區產生，燃燒溫度對其產生量具有決定性的影響。此外，熱力型NOx的產生濃度還與N2、O2濃度及停留時間有關。
（3）快速型NOx
在欠氧環境下，燃料中的碳氫化合物燃燒分解生成CH、CH2以及C2等基團，它們與氮分子，以及O、OH等原子基團反應而在很短的時間內大量產生NOx，稱為快速型NOx。快速型NOx對溫度的依賴性很弱，它的生成量一般總NOx生成量的5%以下。
生料經懸浮預熱器預熱後，進入分解爐內發生分解反應，然後從窯尾進入迴轉窯中，在迴轉窯內完成燒成過程，最終形成熟料並從窯頭卸入冷卻機。煤粉在迴轉窯窯頭及分解爐兩處燃燒。新型幹法水泥窯系統中NOx主要的產生區域在迴轉窯和分解爐兩處。分解爐內溫度較低（小於1200℃），主要以燃料型NOx為主；迴轉窯內除產生燃料型NOx外，其內最高氣體溫度可達2200℃，會生成大量的熱力型NOx。
需要指出的是，由於對水泥窯燒成系統的研究還處在較為粗放的狀態，當前國內水泥行業對窯內工況和氮氧化物的生成機理，仍然存在很多的不足。甚至關於關於熱力型氮氧化物產生量與原、燃料氮氧化物產生量熟多熟少，也存在爭論。但是總體來講，氮氧化物的來源是多方面的，影響因素眾多，氮氧化物來源比例除了燒成系統本身的結構以外，也與工況環境，原燃料差異甚至操作人員水平息息相關。
也正因為如此，氮氧化物源頭治理顯得相當困難，目前業內脫硝也主要集中在末端治理。
怎麼降低氮氧化物的排放？
水泥行業目前仍施行GB4915-2013大氣汙染物排放標準，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物三項汙染物排放指標分別為30mg/m3、200mg/m3和400mg/m3，重點區域執行20mg/m3、100mg/m3和320mg/m3標準。
今年以來，多省市連續出臺水泥工業大氣汙染物特別排放值實施計劃，要求1-2年內水泥行業全部完成超低排放改造，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度要分別不高於10mg/m3、50mg/m3、100mg/m3。
一方面，在當前的環保形勢下，水泥企業降低汙染物排放是外在環境的必然要求；另一方面，隨著水泥工業技術的迭代，更低的能耗和排放標準也是行業轉型升級的必然趨勢。
根據目前大部分水泥企業的窯況，業內專家表示，以5000t/d生產線為例，顆粒物和二氧化硫的達標排放企業的改造費用分別預計在800萬和300萬左右，氮氧化物的技改花費的成本則比較高，主流的可以通過SNCR+分級燃燒+低氮燃燒和SCR技術進行改造以達到100mg/m3以下。
SCR選擇性催化還原技術，是目前世界上的脫硝主打技術。以氨水或尿素為脫硝劑，在吸收塔內的催化劑作用下作催化選擇吸收，脫硝率可達80%~90%。其弊端在於如煙氣塵粒堵塞催化劑層問題，煙氣中的鹼性物質、CaO、SO2會使催化劑中毒失效問題等。
SCR有自己的溫度窗口，一般在250～450℃之間。需要強調的是，低於這個溫度會增加NH3的逃逸率，導致脫硝效率下降，甚至形成NH3和CO汙染，而且催化劑會促使煙氣中的SO2轉換成SO3，NH3會與SO3反應生成硫酸銨堵塞催化劑的反應通道；高於這個溫度，特別是高於500℃會造成V2O5燒結和揮發失效，造成較大損失。另外，催化劑的投入大，而且壽命估計只有3年左右且依賴進口。
SNCR技術是利用分解爐內合適的溫度空間（900℃～1100℃），向其內噴入氨水混合物，在此溫度下，氨（NH3）與煙氣中NOx反應生成N2和H2O。SNCR不用催化劑，但這有兩個技術難點：一是如何保證噴嘴始終處於溫度窗口內，二是如何保證所有NOx與NH3有一定時間的充分接觸。脫硝率一般為50%~80%，氨水消耗量巨大，NH3的逃逸率較高，可達SCR的3倍以上。
低NOx燃燒措施主要針對窯頭燃燒器，有低氮燃燒、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環燃燒、替代燃料燃燒等措施。根據現有燃燒器的好壞和所採用的低氮燃燒技術的力度不同，該項措施一般能降低NOx排放量5%～30%。分級燃燒通過將窯外分解爐分為主還原區、弱還原區、完全燃燒區控制還原氣氛，根據分級燃燒措施的合理程度，該項措施一般能降低NOx排放量30%～50%。
在低氮燃燒和分級燃燒的基礎上，結合SNCR，在穩定的窯況下，也可實現超低排放，且該方案相比直接更換SCR的成本更低。客觀來看，企業應該選擇哪種技改方案應該結合企業自身實際來看，僅僅照搬火電行業的經驗是不行的。
在經濟角度來看，SCR技術僅改造費用預期在3000萬左右，另外還有催化劑的成本，遠遠高於SNCR+其他技術改造費用，但有業內專家表示，SCR是以後的趨勢，水泥企業在當前越來越嚴格的環保趨勢和去產能大環境下，選擇至關重要。
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