水泥生产系统氮氧化物的产生过程和控制措施

刘文涛

（天伟水泥有限公司，新疆 石河子 832000）

1 燃料型NOx生成机理及影响因素

燃料型NOx的产生来源于燃料煤挥发份N的氧化以及焦炭N的氧化，其中前者占比较大。与热力型NOx和快速型NOx相比，水泥生产中燃料型NOx的生成量一般相对较低，通常研究中将其忽略不计。

燃料中的氮分为挥发份N和焦炭N，燃料中氮的转化率主要受温度、过剩空气系数以及燃料含氮量的影响。当反应温度在600℃～800℃之间时，燃料中的氮会受热分解产生由HCN、NH3和CN等中间产物组成的挥发份N，之后挥发份N会与H、OH和O等自由基生成NOx。这些反应发生于燃料燃烧的初始阶段。随着氛围温度升高，当温度在850℃～1150℃范围内时，燃料型NOx主要来自焦炭N的氧化，当温度大于1150℃时焦炭燃烧来源的占比开始下降。挥发份N向NOx的转化率与氧气含量成正相关关系，因此可通过区域性还原氛围来有效控制对应NOx的生成量。

2 水泥生产系统中出现氮氧化物的途径

2.1 热力型氮氧化物

随着温度的升高，空气中的氮气和氧气生成氮氧化物的速度会加快，环境温度低于1500℃时氮氧化物是无法形成的，所以形成氮氧化物的关键因素是燃烧温度。空气中氮气与氧气浓度对热力型氮氧化物的形成也有影响，其生成机理如下：

在高温下生成过程：

2.2 快速型氮氧化物

快速型氮氧化物也称瞬时反应型氮氧化物，燃料燃烧时，如果碳氢化合物过浓，在反应区附近就会快速生成N（X。由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成N（X，其形成时间只需要60ms，所生成的NO，量与炉膛压力0.5次方成正比，与温度的关系不大。另外，在氧气浓度变低的条件下，燃料中的碳氢化合物会形成原子基团，这个原子基团会与氮气快速高效地产生氮氧化物。

2.3 原料中的氮元素

烧制水泥熟料的原料有钙质原料 （如石灰石、电石渣）、硅质原料（如砂岩、硅石、硅砂）、铝质原料（如粉煤灰）及铁质原料（如铁矿石、硫酸渣、铜渣），这些原料中虽然含有氮元素，但这些氮元素含量不高，并都以稳定的化合物形式存在，很难转化为氮氧化物，可以完全不用考虑。

3 水泥生产系统氮氧化物排放控制技术

3.1 过程控制

1）空气分级燃烧。空气分级燃烧技术是将三次风分为多股风，并送至分解炉的不同位置。该技术可以达到10%～25%的脱硝效率。三次风被分成至少两股分支，其中小风量分支风量占比应大于15%。不同的分风方式可在分解炉不同区域制造还原区域，从而还原已生成的NOx，并抑制NOx的生成。空气分级燃烧技术没有运行费用，但目前该技术脱硝效率较低，运行稳定性由于影响因素较多也不太理想。

3.2 烟气处理

1）SNCR技术，①氨水在低于850℃和超过1100℃的情况下脱硝效果不佳；②氨逃逸量相比SCR技术的氨逃逸量高；③SNCR系统运行所需氨水量较大，因此运行成本相对较高；④无法满足企业应对超低NOx排放政策的需求。德国STAGE公司在SNCR技术基础上研发出高效SNCR注入系统（High-efficiencySNCRinjectionsystem），该系统利用在线CFD气体分布分析和温度分析等信息实现软件的自主学习，并能根据温度分布推算出合理的氨水喷嘴位置和氨水使用量，与此同时，搭配特制LechlerSNCR喷嘴和喷嘴管道控制系统，降低氨水使用量和NOx排放量。该系统可减少35%氨水使用量，并将NOx排放量控制在200mg/Nm3以内。

2）SCR技术，SCR技术是使用催化剂利用氨水或尿素将NOx转化为N2和H2O，脱硝效率一般大于90%。该技术的核心是高性能催化剂，现阶段商业化的SCR催化剂多见以TiO2为载体，V2O5为活性成分的钒钛系催化剂，有效活性温度区间为300℃～400℃［3]。SCR技术催化剂分为蜂窝式、波纹板式和板式催化剂，蜂窝式催化剂与波纹板和板式催化剂相比有体积小、表面积大且活性高等优点，从而占据了国内80%的市场份额。随着我国环保要求的不断升高，国内环保企业引进了国外SCR催化剂生产技术，现今产能均可超过10000m3/a。

SCR技术要求烟气温度应在200℃～450℃，在催化剂作用下，SCR技术与SNCR技术相比，氨水使用较少。窑尾烟气中粉尘有可能会使催化剂中毒并降低催化剂活性，因此SCR技术一般需要与烟气除尘技术相结合。烟气除尘技术一般分为高温高尘、高温半尘和低温低尘布置形式。高温高尘布置形式将反应器位置布置在预热器C1出口，该方法要求烟气粉尘浓度高于50g/m3，同时烟气温度应在300℃～400℃之间，在此条件下催化剂的活性高，但催化剂易磨损和堵塞。

4 结语

面对NOx排放标准的日益严格，水泥企业需要对脱硝技术和设备进行进一步提升和改造。在现阶段的技术中，SCR技术可实现氮氧化物的超低排放，但与此同时仍要面对催化剂需定期更换、运行成本高等问题。