水泥厂氮氧化物来源及如何降低氮氧化物排放

水泥厂氮氧化物来源及如何降低氮氧化物排放？

随着经济的持续发展和煤耗的增加，燃煤造成的大气污染日趋严重，而氮氧化物是主要污染成分之一。环保部门相关统计数据显示，水泥工业的NOx排放量约占全国总量的10%~12%，是继火电厂、机动车之后的第三大排放源。

一、水泥工业NOx的来源

在水泥熟料的煅烧过程中，会产生大量的氮氧化物，这些氮氧化物主要是NO和NO2，其中NO约占90%以上，而NO2只有5%～10%。按其来源划分主要取决于原、燃料中氮的含量、燃烧温度的高低和燃料类型。

1、原、燃料NOx

水泥生产使用的原燃料均来自于自然界，其中不可避免的会含有一定量有机物和低分子含氮化合物，由该部分氮元素直接转化的NOx称为原、燃NOx。原料中的氮主要来源于矿石沉积的含氮化合物，其含氮量一般在20～100ppm（百万分之20~100）。燃料中的氮主要为有机氮，属于胺族（N-H和N-C链）或氰化物族（C=N链）等，其含量一般在0.5%～2.5%。

2、热力型NOx

热力型NOx由空气中的氮气和氧气在高温下发生化学反应而来，其生成速度与温度的关系是由捷里道维奇提出来的，因此称为捷里道维奇机理。当燃烧温度低于1500℃时，几乎观测不到NOx的生成，当温度高于1500℃时，温度每升高100℃，反应速率将增大6~7倍。因此，热力型NOx主要在燃烧的高温区产生，燃烧温度对其产生量具有决定性的影响。此外，热力型NOx的产生浓度还与N2、O2浓度及停留时间有关。

3、快速型NOx

在欠氧环境下，燃料中的碳氢化合物燃烧分解生成CH、CH2以及C2等基团，它们与氮分子，以及O、OH等原子基团反应而在很短的时间内大量产生NOx，称为快速型NOx。快速型NOx对温度的依赖性很弱，它的生成量一般总NOx生成量的5%以下。

由于对水泥窑烧成系统的研究还处在较为粗放的状态，当前国内水泥行业对窑内工况和氮氧化物的生成机理，仍然存在很多的不足。甚至关于关于热力型氮氧化物产生量与原、燃料氮氧化物产生量熟多熟少，也存在争论。但是总体来讲，氮氧化物的来源是多方面的，影响因素众多，氮氧化物来源比例除了烧成系统本身的结构以外，也与工况环境，原燃料差异甚至操作人员水平息息相关。也正因为如此，氮氧化物源头治理显得相当困难，目前业内脱硝也主要集中在末端治理。

二、降低氮氧化物排放的方法

水泥行业目前仍施行GB4915-2013大气污染物排放标准，颗粒物、SO2、NOx三项污染物排放指标

分别为30mg/m³、200mg/m³和400mg/m³，重点区域执行20mg/m³、100mg/m³和320mg/m³标准。

今年以来，多省市连续出台水泥工业大气污染物特别排放值实施计划，要求1-2年内水泥行业全部完成超低排放改造，颗粒物、SO2、NOx排放浓度要分别不高于10mg/m³、50mg/m³、100mg/m³。一方面，在当前的环保形势下，水泥企业降低污染物排放是外在环境的必然要求；另一方面，随着水泥工业技术的迭代，更低的能耗和排放标准也是行业转型升级的必然趋势。

根据目前大部分水泥企业的窑况，通过全过程低氮燃烧技术——SNCR+分级燃烧+低氮燃烧技术以达到NOx排放低于100mg/m³是目前主流改造技术。SNCR技术是利用分解炉内合适的温度空间（900℃～1100℃），向其内喷入氨水混合物，在此温度下，氨（NH3）与烟气中NOx反应生成N2和H2O。SNCR不用催化剂，但这有两个技术难点：一是如何保证喷嘴始终处于温度窗口内，二是如何保证所有NOx与NH3有一定时间的充分接触。

低NOx燃烧措施主要针对窑头燃烧器，有低氮燃烧、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧、烟气再循环燃烧、替代燃料燃烧等措施。根据现有燃烧器的好坏和所采用的低氮燃烧技术的力度不同，该项措施一般能降低NOx排放量5%～30%。分级燃烧通过将窑外分解炉分为主还原区、弱还原区、完全燃烧区控制还原气氛，根据分级燃烧措施的合理程度，该项措施一般能降低NOx排放量30%～50%。在低氮燃烧和分级燃烧的基础上，结合SNCR，在稳定的窑况下，也可实现超低排放。

三、示范线技术改造实例

内蒙古某2500t/d水泥生产线窑尾烟囱NOx排放浓度达到720~750mg/Nm³，为满足环保标准要求采用SNCR技术来降低NOx的排放量，但成本升高较多。为了降低NOx排放，减少喷入的氨水，降低生产成本，该厂采用了全过程低氮燃烧技术进行改造。

1、技术改造方案

本水泥生产线回转窑为Φ4m×60m，分解炉为在线管道式分解炉，炉容为584m³，较大的炉容有足够的空间形成还原区域，改造工作量小，不需要改变分解炉主体结构。

改造主要包括以下几个部分：

1）窑尾煤粉输送管道和分解炉燃烧器

对分解炉喂煤点进行重新设计和布置，保持原分解炉两个燃烧器位置不变，在分解炉锥部增加2个燃烧器，改造后锥部2个燃烧器的喂煤量为窑尾喂煤量的30%，利用窑内过剩空气与过量煤粉不完全燃烧形成的CO、CxHy等还原物质，实现将分解炉还原区域向上下游延伸，扩大了还原区域，还原回转窑内产生的NOx，同时抑制燃料型NOx的生成。相应地对窑尾煤粉输送管道（窑尾塔架内部分）根据现场布置进行改造，见图1。

图1、燃料分级煤粉输送管道

2）三次风管的改造

增加三次风支管连接至分解炉中上部，将15%～20%的三次风引至分解炉中上部，使分解炉中下部过剩空气系数降至0.85左右成为贫氧还原区，还原在回转窑中熟料煅烧产生的热力型NOx和燃料型NOx，同时抑制分解炉内烟煤燃烧新生成的燃料型NOx。支管的三次风使分解炉的中上部恢复过剩空气系数1.05左右的正常状态，确保可燃物质的充分燃烧，见图2。

图2、助燃风分级管道

3）生料下料改造

将C4预热器的下料分成3个下料口，分别布置在分解炉的中部和锥部。在操作上同时调节C4下料阀分至分解炉底部的生料比例，以防局部温度过高造成结皮。

2、操作调试

在保证系统的烧成温度，满足熟料煅烧要求的基础上，基于全过程低氮燃烧技术低氧、低氮、控制高温、在燃烧过程中同时还原的原理，在操作过程中的思路是适当降低窑内煅烧温度，减少烟气在高温段的停留时间，适当控制窑内煅烧气氛，增大分解炉还原区域，同时对相关工艺过程进行对比试验，以研究影响NOx排放浓度的因素。

1）通过燃料分级燃烧，将30%的煤粉从分解炉的锥部喷入，分步打开分解炉下部的两个煤粉燃烧器管道上阀门，可以看到随着阀门开度增大，烟囱NOx排放量降低，NOx的排放量降低约10%，见表1。

表1、燃料分级燃烧效果

2）通过空气分级燃烧，将20%左右的三次风引入分解炉上部，分步打开分解炉上部的三次风支管阀门。由表2数据可知，将20%的三次风从分解炉的上部喷入，NOx的排放量降低20%～40%，减排效果明显。