水泥窑NOx控制技术

　　水泥行业NOx的排放量约占全国工业排放总量的10%左右，已是居火力发电、汽车尾气之后的第三大NOx排放大户。调查统计水泥制造企业3535家，其中有熟料生产的水泥企业1793家。共有脱硝设施920套，排放NOx191.7万吨。《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2013）新标准确定NOx排放限值为一般地区400mg/m³、重点地区320mg/m³，这一浓度限值仅高于瑞典和德国，是世界上较严的标准。中国环境保护部发布《国家环境保护“十二五”规划》，明确提出至2015年NOx排放总量要在2010年的基础上削减10%，并强调新型干法水泥窑要进行低氮燃烧技术改造，新建水泥生产线要安装效率不低于60%的脱硝设施。

　　1水泥窑NOx的产生

　　在水泥熟料煅烧过程中，NOx主要来源于高温燃料中的氮和原料中的氮化合物。水泥熟料生产中，水泥生料将处在高温炉内煅烧。由于炉内高温的环境且含有大量O2，一系列的化学反应将因此发生而产生NOx，根据反应机理的不同可以将NOx的形成分为以下三种机理完成：

　　热力型：高温条件下空气中的O2和N2直接反应而生成；

　　燃料型：燃料当中含氮物质的氧化；

　　瞬时型：空气中的氮气与燃烧过程中的部分中间产物反应而产生。

　　根据水泥窑炉的类型，水泥窑炉高温区一般为1550℃~1900℃，此区域是生成NO的主要场所。随着烟气的流动，约5%~10%的NO转换成NO2。水泥窑所生成的NOx中，热力型NOx占据主导，其次为燃料型NOx。热力型NOx主要在高于1400℃的回转窑内生成，燃料型NOx主要在温度较低的分解炉或预热器内生成。

　　1.1热力型NOx的产生机理

　　热力型NOx是燃烧反应的高温使得空气中的N2与O2直接反应而产生的，以煤为主要燃料的系统中，热力型NOx为辅。一般燃烧过程中N2的含量变化不大，根据泽里多维奇机理，影响热力型NOx生成量的主要因素有温度、氧含量和反应时间。反应机理如式（1）、（2）。

　　O2+N→2O+N（1）

　　N2+O→NO+N（2）

　　1.2燃料型NOx的产生机理

　　燃料型NOx是由燃料中N反应而生成，以煤为主要燃料的系统中，燃料型NOx约占60%以上。燃料型NOx主要在燃料燃烧初始阶段形成，主要是含氮有机化合物热解产生的中间产物N、CN、HCN等氧化生成NOx。影响燃料型NOx生成因素较多，与温度、氧含量、反应时间，及煤粉的物化特性都有关系。

　　1.2.1温度

　　温度的升高对燃料型NOx生成量有促进作用。在1200℃以下时，其随温度升高显著增加，温度在1200℃以上时，增速平缓。对于燃料型NOx，燃料中N越高、氧浓度越高、反应停留时间越长，NOx生成量越大，与温度相关性越差。

　　1.2.2氧含量

　　氧含量的增加，可以形成或强化窑炉内燃烧的氧化气氛，增加氧的供给，促进燃料中N向NOx的转化。燃料型NOx随过剩空气系数的降低而降低，在α<1时，NOx生成量急剧降低。在氧含量不足时，氧被燃料中的可燃成分消耗尽，破坏了氮与氧反应的物质条件。在α>1.1时，热力型NOx含量下降，燃料型NOx仍上升。

　　燃料型NOx与煤的热解产物和火焰中氧浓度密切相关，如果在主燃烧区延迟煤粉与氧气的混合，造成燃烧中心缺氧，可使绝大部分挥发分氮和部分焦碳N转化为N2。

　　1.2.3煤粉的物化特性

　　不同种类的煤，挥发分含量、氮含量等差异较大。通常挥发分和氮含量高的煤种生成NOx较多。煤粉细度较细时，挥发分析出速度快，燃烧速度快，加快了煤粉表面的耗氧速度，使煤粉颗粒局部表面易形成还原气氛，产生抑制NOx生成的作用。煤粉细度较粗时，挥发分析出慢，也会减少NOx的生成量。特别是对劣质煤或是着火点较高的煤，这种情况会更明显，控制合适煤粉细度可依据窑况和NOx生成量综合考虑。煤挥发分中氧氮比越大，NOx转化率越高。相同氧氮比条件下，过剩空气系数越大，NOx转化率越大。