淺議低氮燃燒技術

肖圣旭

（臺泥安順水泥有限公司，貴州安順 561100）

1 水泥窯爐系統NOX形成機理

1.1 NOX的生成機理

窯爐內產生的NOX主要有三種形式，高溫下N2與O2反應生成的熱力型NOX、燃料中的固定氮生成的燃料型NOX、低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的瞬時型NOX。

1.2 熱力型NOX

由于是燃燒反應的高溫使得空氣中的N2與O2直接反應而產生的，以煤為主要燃料的系統中，熱力型NOX為輔。

一般燃燒過程中N2的含量變化不大，根據澤里多維奇機理，影響熱力型NOX生成量的主要因素有溫度、氧含量、和反應時間。

熱力型NOX產生過程是強的吸熱反應，溫度成為熱力型NOX生成最顯著影響因素。研究顯示，溫度在1500K以下時，NO生成速度很小，幾乎不生成熱力型NO，1800K以下時，NO生成量極少，大于1800K時，NO生成速度每100K約增加6～7倍。

溫度在1500K以上時，NO2會快速分解為NO，在小于1500K時，NO將轉變為NO2,一般廢氣中NO2占NOX的5%～10%，排入大氣中NO最終生成NO2，所以在計算環境影響量時，還是以NO2來計算。

可以說，窯爐內的溫度及燃燒火焰的最高溫度是影響熱力型NOX生成量的一個重要指標，也最終決定了熱力型NOX的最大生成量。因此，在窯爐設計中，盡量降低窯爐內的溫度并減少可能產生的高溫區域，特別是流場變化等原因而產生的局部高溫區。燃燒器設計中，要具備相對均勻的燃燒區域來保證燃料的燃燒，降低火焰的最高溫度。這些都是有效降低熱力型NOX的有效辦法。

熱力型NOX生成量與氧濃度的平方根成正比，氧含量也是影響熱力型NOX生成量的重要指標。隨O2濃度增加和空氣預熱溫度的增加，NOX生成量上升，但會有一個最大值。O2濃度過高時，過量氧對火焰有冷卻作用。利用空氣時，O2含量增加，過剩空氣系數增加，并帶入更多吸熱的N2，降低火焰溫度。NOX生成量因溫度降低反而有所降低。

反應時間也是一個重要指標，熱力型NOX生成是個緩慢過程，在高溫區域，反應時間與NOX生成量呈線性關系。窯爐設計中，盡可能地減少燃料和介質在高溫區域特別是高氧含量高溫區域的停留時間，可有效降低熱力型NOX的生成。在窯爐已成型時，在高溫區域形成局部低氧或缺氧環境，在低溫區域增氧，在保證燃燒充分條件下，也可有效降低熱力型NOX的生成。

1.3 燃料型NOX

由燃料中N反應而生成，以煤為主要燃料的系統中，燃料型NOX約占60%以上。

燃料型NOX主要在燃料燃燒初始階段形成，主要是含氮有機化合物熱解產生的中間產物N、CN、HCN等氧化生成NOX。燃料型NOX較熱力型更易于生成。煤的氮含量約0.5%～2.5%。

當煤熱解脫去揮發份時，煤揮發份中的N，其一部分以胺類（RNH、NH3）、和氰類（RCN、HCN）等形式隨揮發份析出，揮發份中N占煤中N的比例隨煤種和熱解溫度不同而不同，其最主要的化合物是HCN和NH3。在1800K高溫下，一般地煤揮發份N轉為NO的比例約10%。

HCN遇氧后生成NCO，繼續氧化則生成NO。如被還原則生成NH，最終生成N2。已經生成的NO，在還原氣氛下也可被NH還原為N2。NH3在氧化氣氛中會被依次氧化成NH2、NH，甚至被直接氧化成NO。在還原氣氛中，NH3也可以將NO還原成N2。NH3可以是NO的生成源，也可以是NO的還原劑。

可見，揮發份N燃燒時，在氧化氣氛特別是在強氧化氣氛下，其傾向于向NO轉化，在強還原氣氛下，其傾向于向N2轉化。

在實際生產中，燃燒過程大多數是在氧化氣氛中進行的，由于反應和燃燒流場的復雜性，揮發份N不可能全部轉化為NO，即使在強還原氣氛中，也不可能全部轉化為N2，取決于反應溫度、氧含量、反應時間以及煤的特性。

焦碳N 在燃燒時也可能生成N OX，一般占燃料型N OX的20%～40%。有認為焦碳N可直接在焦碳表面生成NOX。或者和揮發份N一樣，以HCN和CN途徑生成NO。研究表明，焦碳N轉變為NOX是在火焰尾部焦碳燃燒區生成的，這一部位的氧含量比主燃燒區低，而且焦碳顆粒因溫度較高發生熔結，使孔隙閉合，反應比表面積減少，相對揮發份N來說生成NOX量少些。即使在較強氧化氣氛下，也會存在焦碳顆粒周圍形成局部還原區域，同時碳和煤灰中的CaO催化還原NOX，限制了焦碳N轉化為NOX。

影響燃料型NOX生成因素較多，與溫度、氧含量、反應時間，及煤粉的物理和化學特性有關。

（1）溫度

溫度的升高對燃料型NOX生成量有促進作用。在1200℃以下時，其隨溫度升高顯著增加，溫度在1200℃以上時，增速平緩。對于燃料型NOX，燃料中N越高、氧濃度越高、反應停留時間越長，NOX生成量越大，與溫度相關性越差。

（2）氧含量

氧含量的增加，可以形成或強化窯爐內燃燒的氧化氣氛，增加氧的供給，促進燃料中N向NOX的轉化。燃料型NOX隨過剩空氣系數的降低而降低，在a<1時，NOX生成量急劇降低。在氧含量不足時，氧被燃料中的可燃成分消耗盡，破壞了氮與氧反應的物質條件。在a>1.1時，熱力型NOX含量下降，燃料型NOX仍上升。

燃料型NOX與煤的熱解產物和火焰中氧濃度密切相關，如果在主燃燒區延遲煤粉與氧氣的混合，造成燃燒中心缺氧，可使絕大部分揮發份氮和部分焦碳N轉化為N2。

不同種類的煤，揮發份含量、氮含量等差異較大。通常揮發份和氮含量高的煤種生成NOX較多。煤粉細度較細時，揮發份析出速度快，燃燒速度快，加快了煤粉表面的耗氧速度，使煤粉顆粒局部表面易形成還原氣氛，產生抑制NOX生成的作用。煤粉細度較粗時，揮發份析出慢，也會減少NOX的生成量。特別是對劣質煤或是著火點較高的煤，這種情況會更明顯，控制合適煤粉細度可依據窯況和NOX生成量綜合考慮。

煤揮發份中氧氮比越大，NOX轉化率越高。相同氧氮比條件下，過?？諝庀禂翟酱螅琋OX轉化率越大。

1.4 瞬時型NOX

在燃燒反應的過程中空氣中的N2與燃料過程中的部分中間產物反應而產生的，以煤為主要燃料的系統中，瞬時型NOX生成量很少?？梢圆蛔髦攸c關注。

2 現有低氮燃燒技術

水泥窯煙氣中NOX的控制相對是一個非常復雜的問題，需要強調的是，降低NOX的排放必須是在保證水泥窯正常生產的前提下進行。

水泥窯煙氣中NOX的產生主要來源于燃燒，根據其燃燒過程的特點和燃料的生命周期，目前所掌握的NOX控制方式主要有以下幾類。

針對NOX主要來自燃料本身，對燃燒進行脫氮處理或者選擇含N低的燃料、使用低N的替代燃料，以降低燃料型NOX的生成，不可避免地成為一種選項。在燃料來源具備條件的區域，部分水泥廠采用此種方式也不失為一個辦法。

低氮燃燒技術是通過改變燃燒條件來控制燃燒關鍵參數，以抑制NOX生成或破壞已生成的NOX為目的，從而減少NOX排放的技術。

其主要方式有：采用低NOX燃燒器、空氣/燃料分級燃燒技術、改變燃料物化性能技術、改變生料易燒性等方面。

針對煙氣的脫硝技術，主要是根據NOX具有的還原、氧化和吸附等特性開發出的一項技術。主要有比較成熟的SNCR和SCR法、濕法脫硝、生物脫硝等。

2.1 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術主要是對應NOX的兩種生成機理，從降低燃燒溫度、窯爐內溫度來減少NOX生成，改變煤粉著火區域和燃燒區域的氣氛來達到抑制NOX的生成或促進NOX向N2轉變。

低氮燃燒技術只發生初期投資而沒有運行費用，是一種較經濟的控制NOX的方法。通過采用爐內低NOX燃燒技術，能將NOX排放濃度降低20%～30%。各種爐內低NOX燃燒技術均涉及窯爐燃燒的安全和效率問題，其存在一定局限性，多種技術組合使用后NOX生成降低率可以達到20%～40%。

2.2 低氮型燃燒器

回轉窯中的熱力型NOX主要是由窯頭燃燒產生的，相關資料顯示，窯頭燃燒排放的氮氧化物主要是NO，約占95%。提高一次風噴出速度，提高一次風噴出動量，降低一次風用量，可以顯著降低回轉窯中NOX的生成量。設計特殊燃燒器內部結構，改變風煤比例，產生燃料著火區有類似空氣分級、燃料分極法的效果，在保證煤粉著火燃燒的同時，可有效地抑制NOX的生成。大體上都在宣傳有20%～30%的降低效果。低氮燃燒器為了達到降低NOX目的，一般都采用低溫燃燒或低氧燃燒技術，對燃料適應性相對較差，在目前水泥企業使用原煤質量趨向變差的情況下，對低氮燃燒器提出了更高的要求。

2.3 分級燃燒技術

分級燃燒技術是將煤、燃燒空氣及生料分別引入，以盡量減少NOX生成和盡可能將NOX還原成N2的技術。

空氣分級燃燒技術是將燃燒所需的空氣分級送入爐內，使燃燒在爐內分級分段燃燒。燃燒區域的氧濃度對各種類型的NOX生成都有很大影響。當過剩空氣系數a<1時，燃燒區處于貧氧燃燒狀態，抑制NOX生成有明顯效果。分解爐內空氣分級燃燒一般是將三次風分為兩部分送入分解爐，主三次風占總三次風量的70%～90%，燃盡風則占10%～30%。爐內煤的燃燒分為三個區域，即熱解區、貧氧區、富氧區。在貧氧區，煤在缺氧條件下燃燒，燃燒速度和燃燒溫度降低，抑制了燃料型NOX的生成。同時，燃燒生成的CO和NOX進行還原反應，以及燃料中氮分解出的中間產物如NH、CN、HCN、NHX等相互作用，或與NOX還原分解，抑制NOX生成。在富氧區，保證煤燃燒充分?？諝夥旨壢紵夹g使用好的關鍵是：控制好貧氧區溫度和主三次風量，不使煤不完全燃燒損失過分增大，避免因還原性氣氛導致的結皮和結渣影響系統正常運行，要充分考慮爐容或者煤在爐內燃燒時間夠不夠。

燃料分級技術是把燃燒分成兩股或多股，創造三個燃燒區域：富氧區域、缺氧區域、燃盡區域。在富氧區域，供入分解爐用煤的70-90%，此處空氣過剩系數a約1.2，NOX生成。在缺氧區供入10-30%的分解爐用煤量，此處空氣過剩系數a約0.8～0.9，形成很強的還原氣氛，將富氧區形成的NOX還原成N2。燃盡區再供入部分三次風，在正常過剩空氣系數a約1.1條件下，使產生的CO和飛灰中的碳燃燒完全。

水泥窯的燃料分級燃燒技術還有，在窯尾煙室和分解爐之間建立還原燃燒區域，將爐用煤分一部分供入此區域，在缺氧燃燒條件下產生CO、H2、HCN和固定碳等還原劑，與窯內來的煙氣中的NOX發生反應，將NOX還原成N2。同時，煤粉在缺氧條件下，也相應地抑制了其自身燃料型NOX的產生。

3 低氮燃燒技術的效果

低氮燃燒器對氮氧化物的降低約在15%～30%；

空氣分級燃燒技術對氮氧化物的降低約在20%；

燃料分級燃燒技術對氮氧化物的降低約在20%～30%。

但并不是簡單的疊加效果，還沒有很有說服力的實例，證明上述技術措施同時采用時，其NOX排放濃度會降低50%～60%，一般是20%～40%。

4 改變燃料物化性能

不同性能、不同細度的煤粉在爐內生成NOX量有較大變化。分解爐內使用無煙煤較煙煤NOX生成量約提高300mg/Nm3。有一種說法，在分解爐內使用高揮發份的褐煤替代難燃的煤時，NOX生成量會顯著地降低，這可能與分級燃燒技術有相同的原理。

同樣地，較細的煤粉可以在燃燒區域內出現與分級燃燒相似的現象，揮發份和固定碳可以在火焰不同區域燃燒。

5 提高生料易燒性

具備條件時，在不影響產質量情況下，有意識地調整熟料配料方案，不過分地追求KH值，適當地降低生料細度，選擇易燒性好的原料，甚至加入礦化劑等，有效地提高生料易燒性，為可以有效地降低窯內燒成溫度，也是降低窯內熱力型NOX生成量的一個辦法。一般有降低NOX生成量5%～10%的效果。

6 新型干法水泥應對脫硝的相應措施

新型干法水泥，在回轉窯內，窯頭燃燒器產生火焰，其火焰溫度一般要求1700℃以上，窯內物料燒成帶溫度要控制在1350～1450℃以上，窯內過渡帶至窯尾氣相溫度一般在1000℃以上。分解爐內，一般控制在850℃以上，部分區域可達1000℃?？梢?，水泥熟料燒成系統中，窯頭及窯內產生的NOX以熱力型和燃料型為主，分解爐內以燃料型為主。

水泥窯NOX的控制和減排可采取的措施有以下幾點：

選取合適的原材料和熟料配料方案，使用礦化劑，在保證熟料質量前提下盡可能地降低燒成溫度，給NOX的生產控制創造溫度條件。

在具備條件的區域，使用優質低氮燃料。

控制適當的煤粉細度來降低NOX的生成量。

優化操作，控制系統的漏風量、降低系統熱耗，從總量上降低NOX。

使用合適的低氮型燃燒器。

設計或改造分解爐結構和爐容，保證燃料充分燃燒同時，控制合理溫度場。

采用分級燃燒技術。

投入SNCR和或SCR技術的脫硝系統。

水泥行業脫硝技術如火如荼。出現的觀點也比較多，有觀點認為只有上SNCR或SCR才能根本地解決水泥行業的脫硝問題。相應地水泥行業脫硝是為了完成環境排放要求而增加的一種新投入和新成本。實際上投入和使用低氮燃燒技術，不僅可以有效地降低NOX的生成量，直接達到水泥行業將執行的新排放標準要求，即使在排放要求較高地區，也是大幅降低脫硝成本的可靠措施。低氧燃燒技術與水泥廠工藝生產管理并行不悖，其降低NOX生成量的大多數措施與水泥工藝生產管理要求是一致的，是穩定產質量、降低煤耗、電耗等能耗的必然措施。