中國科學院工程熱物理研究所:燃煤水泥窯爐低NOx排放控制技術研究...

為了應對水泥工業越來越嚴苛的排放標準，中國科學院工程熱物理研究所對現行以及近年來新湧現的低NOx排放控制技術進行梳理總結，進一步了解水泥行業低NOx排放控制技術的研發現狀，為水泥企業選擇適合的低氮脫硝技術提供參考，為水泥工業實現超潔淨綠色生產提供技術儲備。

作者

石朝亭1,2，蔡 軍1,2,3，任強強1,2,3，吾慧星1,2，馬海軍4

作者單位

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.中國科學院潔淨能源創新研究院，遼寧 大連 116023；4. 寧夏天縱泓光餘熱發電技術股份有限公司，寧夏 銀川 750011

摘要

我國是水泥生產和消費大國，水泥行業已成為我國繼熱力發電和交通運輸之後的第三大NOx排放源，是引起我國霧霾天氣的主要成因之一。隨著水泥工業NOx排放標準的不斷提高，燃煤水泥窯爐低NOx排放控制技術的發展越來越受到重視。為清晰了解水泥行業常見低NOx排放控制技術的優化方向和新型低NOx排放控制技術的發展現狀，為水泥工業實現超潔淨綠色生產提供技術儲備，筆者梳理總結了燃煤水泥窯爐常見低NOx排放控制技術以及新型低NOx排放控制技術。圍繞燃煤水泥窯爐常見低氮脫硝技術，闡述了燃燒前、燃燒中以及燃燒後等各種低NOx排放控制技術的降氮原理、特點以及應用現狀，並指出了這些技術在實際應用中面臨的問題；同時介紹了燃燒前、中、後等各種低NOx排放控制技術的組合應用。重點介紹了近年來新湧現出的以兩步還原法為代表且具有潛力的低氮脫硝技術，論述其降氮原理及研究發展現狀，對比總結了水泥行業常見低NOx排放控制技術以及新型低NOx排放控制技術的脫硝效率、研究和應用現狀。面對日益嚴峻的減排形式，水泥行業深度脫硝工作的開展勢在必行。結合常見低NOx排放控制技術的減排原理、優勢以及存在的問題，建議水泥行業可採用燃燒中與燃燒後各種低氮控制技術的組合應用方案，以此達到降本增效的目的，並具體提出了水泥行業現有生產線以及新建生產線可行的組合應用方案。考慮到各種新型低NOx排放控制技術的降氮原理和發展現狀，筆者對水泥行業低氮脫硝技術未來的研究和努力方向進行展望，認為未來水泥行業低NOx排放控制技術的發展應注重提高還原氛圍下的碳還原能力，以激發碳還原能力為核心進行現有技術的優化以及新技術的探索，同時應考慮到與低氮燃燒技術相匹配的精準自動化、智能化測控設備的應用，以全方位監測、反饋系統的相關指標，更好地發揮低NOx排放控制技術的降氮脫硝效果。

1 水泥行業常見低NOx排放控制技術

1.1 燃燒前處理方法

對於水泥生產，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。總體來看，燃燒前處理方法雖然可從源頭上減少NOx的產生，但在水泥生產中的降氮脫硝能力有限。

1.1.1 燃料處理

燃料脫氮由於成本高、技術難度大、工藝不成熟等原因在水泥行業尚無應用。在低氮燃料方面，選擇含氮量低於煤粉的天然氣或煤油作為水泥生產的燃料，可使NOx排放濃度降低60%，但以油或氣代替煤粉進行水泥生產並不適應我國水泥產量大的現狀以及富煤貧油少氣的能源結構。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。

1.1.2 空氣處理

對於空氣處理，研究發現將生活汙泥烘乾尾氣與空氣混合後作為燃煤載氣，可以減少NOx排放，其原因在於生活汙泥烘乾尾氣中的碳氫化合物對NOx的還原作用[8]。但烘乾尾氣比例過大會影響燃燒穩定性；另外，如果直接運用水泥窯系統中的熱源，如熟料冷卻風對汙泥進行烘乾，則對水泥廠與汙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，使迴轉窯煅燒溫度降低，從而降低熱力型NOx的產生，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迴轉窯用煤比例和燃燒溫度，進而減少迴轉窯內NOx的產生；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，同時抑制分解爐內部燃燒過程中NOx的生成。

1.2.1 迴轉窯中NOx控制

1)低氮燃燒器

目前國內水泥行業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使用時間較長，範圍較廣。PYRO-JET型低氮燃燒器結構原理如圖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遊，拉長火焰進而降低燃燒溫度，並減少空氣在高溫區的停留時間，從而降低熱力型NOx的產生；靠近中心部位的低速渦流風可在燃燒器頂部形成低壓區，使部分燃料回流到一次風量較少的火焰核心區進行燃燒，進一步減少NOx產生量。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同調節進而形成大推力、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勢。

圖1 PYRO-JET型低氮燃燒器結構原理

2)高固氣比懸浮預熱分解技術

該技術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。根據徐德龍院士對固氣比與熱利用效率關係的研究，當固氣比低於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流程如圖2(C為旋風分離器，下標數字為級數)所示。

圖2 高固氣比懸浮預熱分解技術流程

3)預燒成工藝

根據迴轉窯內的傳熱計算分析，迴轉窯850～1 100 ℃溫度區間(生料進一步預熱分解)內換熱量約為417 kJ/kg(以物料計，下同)，在1 100～1 450 ℃溫度區間(固相反應)內換熱量僅為43.1 kJ/kg，迴轉窯窯尾的換熱需求遠大於窯頭，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。水泥預燒成工藝採用傳熱效率極高的懸浮煅燒方法來優化分解爐，使物料在進入迴轉窯前就全部分解，並進一步加熱物料至1 100 ℃左右。迴轉窯內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相似的降氮脫硝效果。二級水泥預燒成工藝系統示意如圖3所示。

圖3 二級預燒成工藝示意

1.2.2 分解爐中NOx控制

目前水泥行業採用的分解爐爐型有30多種，具有較低NOx排放的分解爐大多採用分級燃燒的設計原理，但由於外形尺寸的區別，不同分解爐的分級燃燒設計方案有所不同，還原區位置也有所差異，常見的還原區位置有窯尾煙室、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於結構設計所具有的噴騰效應使其在脫氮以及煤粉燃燒方面優勢突出，因而在我國具有較為廣泛的應用。DD型分解爐(圖4)分別採用空氣分級、燃料分級、空氣/燃料分級示意，圖中灰色區域為還原區，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。分級燃燒技術已在國內外水泥行業普遍採用，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，進而影響系統的穩定運行。同時，為保證還原區的低氧氛圍，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於3%時，分級燃燒將會失去減排效果[18]，這對操作人員經驗和測控系統的精準控制提出了更高要求。對於分級燃燒學術方面的研究，大多藉助小型試驗和數值模擬的方法，從爐型、工藝參數、燃料類型等角度展開。

圖4 DD型分解爐分級燃燒示意

1.3 燃燒後處理方法

燃燒後處理方法即指煙氣脫硝技術。根據反映體系的狀態，煙氣脫硝技術可分為幹法和溼法兩大類。在國內水泥行業，溼法煙氣脫硝技術由於脫硝廢液無法處理、二次汙染以及需要大量氧化劑等原因鮮少採用。幹法煙氣脫硝技術中，電子束照射法和脈衝電暈等離子體法對煙氣的處理量小，在水泥行業尚無應用；而吸附法目前僅限於實驗室研究，尚未工業化應用；選擇性非催化還原(SNCR)技術在水泥行業的應用較為普遍，而選擇性催化還原(SCR)技術在國內水泥行業的應用還處於中試試驗、個別項目示範和積累運行數據與經驗的階段。

1.4 聯合脫硝技術

兼顧排放水平以及經濟效益，水泥行業常採用多種低氮燃燒技術相結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和熱碳催化還原複合脫硝技術為代表。

1.4.1 高效再燃脫硝技術

該技術結合了分級燃燒技術和SNCR技術，通過對分解爐(圖5)區域劃分來達到降氮脫硝的目的，圖中陰影區域從下到上分別為主燃燒區、再燃區、燃盡區以及SNCR區，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]總結了該技術的工業應用效果，雖然相對分級燃燒和SNCR技術單獨使用時的脫硝效率更高，但不同規模生產線的NOx排放濃度差異較大。

圖5 高效再燃脫硝技術示意

1.4.2 熱碳催化還原複合脫硝技術

熱碳催化還原複合脫硝技術結合了燃料處理以及分級燃燒技術，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形成還原區，並將催化改性材料和煤粉一起噴入該還原區中。在還原氛圍以及催化條件下，煤熱解產生的大量CO、碳氫化合物以及焦炭等還原性物質，與窯氣中的NOx發生還原反應，同時抑制分解爐自身燃燒過程中NOx的生成。催化改性材料主要採用矽鋁酸鹽礦物和工業固體廢棄物，不但可以起到脫硝作用，同時能夠融入水泥熟料，實現水泥熟料的微量增產。據報導，該複合脫硝技術已經在2 500 t/d水泥生產線上完成了工業性試驗，脫硝效率可以達到55%～70%。

2 新湧現的低NOx排放控制技術

目前，我國水泥行業多採用低氮燃燒器、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，水泥企業仍面臨巨大的環保壓力。從發展趨勢來看，水泥行業實現超低排放和綠色潔淨生產是大勢所趨。在此大背景下，近年來湧現出了一些新的脫硝技術。

2.1 水泥窯O2/CO2燃燒技術

水泥窯O2/CO2燃燒技術將富含CO2的再循環煙氣與O2混合，通過冷卻熟料後成為高溫的O2/CO2混合氣體，參與迴轉窯或分解爐中煤粉的燃燒。該技術以CO2代替N2，從根本上消除了熱力型NOx的產生，同時CO2還可以與煤焦反應生成大量的CO，對燃燒過程中產生的NOx進行還原。煙氣再循環的方式增加了NOx的還原時間，理論上可以大幅度減少NOx的產生，但其對熟料燒成的影響仍在探索階段，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。該技術兼具NOx減排以及CO2捕集的功能，不過其在水泥行業的應用總體上處於實驗室研究階段。

2.2 以城市汙泥實現水泥窯爐低氮排放技術

該技術是以城市汙泥為原材料，以碳還原為關鍵核心的脫硝技術，其原理為：通過對城市汙泥固廢進行物理改性，將其轉化為BPM高分子後作為還原NOx的載體，利用水泥生產過程中大量排放的CO2中的碳元素作為還原劑，以碳治氮，並將反應後多餘的碳通過專利技術製成水煤氣，輸送到水泥迴轉窯中作為燃料使用。據報導，該技術目前仍處於工程中試試驗階段。

2.3 兩步還原法脫硝技術

隨著低氮燃燒技術的發展，煤粉熱解氣化耦合燃燒超低氮燃燒技術越來越引起水泥行業的重視[62]，由中國科學院工程熱物理研究所循環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、以及燃燒後煙氣中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，之後進入分解爐內燃燒，以減少燃料型NOx的產生，預處理後的燃料同時對迴轉窯煙氣中的NOx進行還原。煙氣進入預熱煙道後，再利用熱碳對NOx進一步還原。該方法工藝簡單，對現有水泥工藝改動少，投資和運行成本與現有技術相比具有較大優勢(不足SCR技術的1/10)，目前正處於工程示範驗證階段。

3 水泥行業低NOx排放控制技術

對比水泥行業低NOx排放控制技術，燃燒前處理方法可從源頭上減少NOx的產生，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、分級燃燒技術，以及燃燒後控制方法中的SNCR技術在水泥行業的應用相對成熟，仍有很多學者在開展這些技術的優化研究，預燒成技術以及聯合脫硝技術目前也已在實際工程中有所應用，而近年來新湧現出的低NOx控制技術則大多處於實驗室或工程試驗階段。

4 結語與展望

面對日益嚴峻的減排形式，水泥行業深度脫硝工作的開展勢在必行。結合水泥行業各種低氮燃燒技術的特點、優勢以及存在問題，對水泥行業低氮脫硝技術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於燃燒前控制方法有更高的脫硝效率，而相對於燃燒後控制方法有更低的成本，因此燃燒中與燃燒後複合技術的使用可以在較低成本下達到較好的脫硝效果。目前，我國大多數水泥生產線都採用低氮燃燒器技術，對於現有需要改造的水泥生產線可採用「分級燃燒+SNCR」或「高效再燃脫硝技術」的組合應用方案進行改造，而對於新建的大規模生產線，為達到更高的排放標準，可採用「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+SNCR」也是相對較好的選擇。

2)未來水泥行業低氮脫硝技術的發展應注重提高還原氛圍下的碳還原能力，以激發碳還原能力為核心進行現有技術的優化以及新技術的探索，同時應考慮到與低氮燃燒技術相匹配的精準自動化、智能化測控設備的應用。迴轉窯以及分解爐中的燃燒溫度和氧濃度是影響水泥窯系統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。另外，局部燃燒溫度和氧濃度的變化也會應影響NOx的排放，因此對於二者的測量需全方位進行，自動化和智能化的測控對於水泥行業低氮燃燒技術的應用十分重要。

引用格式

石朝亭，蔡軍，任強強,等.燃煤水泥窯爐低NOx排放控制技術研究進展[J].潔淨煤技術，2020，26(1):174-183.

SHI Chaoting，CAI Jun，REN Qiangqiang,et al.Research progress of low NOx emission control technologies in coal-fired cement kilns[J].Clean Coal Technology，2020，26(1):174-183.

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