陶瓷燃氣隧道窯減排NOx 的方法探析

林佳，郭喜斌

（潮州市粵潮節能技術咨詢服務中心，潮州 521000）

1 前言

大氣環境中有50%以上的NOx由固定排放源排放，此固定排放源主要來自工業窯爐。排放的NOx類型包括：（1）熱力型；（2）快速型；（3）燃料型；（4）物料型。

近年來，隨著耐火材料推廣應用，陶瓷燃氣隧道窯建設數量有所增多，屬于熱力型NOx排放類型，影響其排放的因素包括窯爐類型、物料、過剩空氣系數、煙氣停留時間及溫度等。考慮到當前階段此類窯爐的NOx排放限值較大，陶瓷生產制造應結合“降氮”要求，加強對陶瓷燃氣隧道窯減排NOx的方法的研究，在技術賦能路徑下有效實現對此類NOx的減排目標。下面先對陶瓷燃氣隧道窯NOx生成機理做出簡要概述。

2 陶瓷燃氣隧道窯NOx 生成機理

陶瓷燃氣隧道窯屬于自動化程度較高的先進窯爐，主要由窯體、窯內輸送設備、燃料燃燒系統、通風設備等共同組成，結構為預熱帶、燒成帶、冷卻帶。此類窯爐中的氮氧化物排放類型為熱力型NOx。具體而言，熱力型NOx是指“空氣中的氮氣燃燒過程中通過氧化反應生成的氮氧化物”。目前，被廣泛接受的生成機理為家捷里道維奇(Zeldovich)機理，具體表現為一組不分支鏈式反應，反應過程如下：

其中，公式（1）、（2）、（3）中從左到右的正向反應速率與從右向左的逆向反應速率有所不同，通常標記為：K1與K-1、K2與K-2、K3與K-3。

3 影響陶瓷燃氣隧道窯NOx 生成的因素

3.1 窯爐類型

陶瓷燃氣隧道窯屬于連續性類型，與輥道窯具有一定的相似性，對NOx的生成具有間接影響。從當前的研究成果看，該窯爐中的NOx生成時間持續較長，加上煙氣流動方向上的阻擋物較少，流動相對通暢，影響較大。但是該類型下對其單位燃料耗量的NOx產生量的影響及其抑制NOx生成的情況研究較少。

3.2 燃料因素

燃料類型不同，含氮量不同，會對NOx的生成產生不同的影響。比較而言，燃料對快速型NOx、燃料型NOx生成的影響比較突出，對熱力型NOx的影響相對較小。但是在燃料燒燒過程中需要經過空氣與燃料的混合→燃燒→產生煙氣→排出煙氣整個過程，并不能排除其影響。通常而言，此類爐窯中使用的燃料類型較多，其中，煤、劣質重油、一般重油、劣質輕油的含氮平均值，分別為1.5%、0.2%、0.14%、0.02%，與之相比，天然氣作為一種清潔能源，含氮量較小，幾乎可以忽略不計。從燃料對NOx生成的影響情況看，從小到大可以排列為天然氣＜劣質輕油＜一般重油＜劣質重油＜煤。

3.3 溫度因素

爐內溫度對NOx生成的影響相對較小，通常情況下只要溫度達到某個確定的值后不會產生影響，但對熱力型NOx而言影響較大。以陶瓷燃氣隧道窯NOx生成影響為例，盡管與其它NOx排放類型具有共性，然而按照熱力型NOx的生成機理建立數據模型后，通過改變全爐熱負荷提升其中的平均溫度可繪制出NOx濃度-溫度變化曲線，了解溫度對其影響。一般而言，當爐內溫度在1300℃時可以達到臨界溫度，小于該數值時的NOx濃度小，而且受溫度的影響幾乎可以忽略，但是大于該數值后的NOx會增加并呈現為指數式增長。根據同樣的方法能夠對其他條件下的溫度與NOx濃度的影響做出分析。

3.4 物料因素

陶瓷燃氣隧道窯主要用于生產陶瓷時，燒制陶瓷釉面磚、陶瓷素坯，其中的物料存在差異。采用同一爐窯對兩種物料進行燒制，此時的窯體結構一致、燃燒工況相同，假定均采用天然氣燃料，那么，燒制過程中產生的NOx排放量也會出現差別。從以往的燒制經驗看，燒制素坯時的NOx排放量小于燒制釉面時的排放量，二者的排放量約為39.2mg/m3、69.8 mg/m3。通過查閱文獻資料可知，后者的排放量大的原因是釉料主要是礦物原料，其中添加有NaNO3、KNO3等添加劑，此時經過高溫燒制后會通過熱分解增加其中的氮氧化物。反應過程如下：

3.5 煙氣停留時間

煙氣在燃燒型、快速型NOx生成方面的停留時間相對較短，其影響幾乎可能忽略。但是陶瓷燃氣隧道窯屬于熱力型NOx，溫度對其影響大，并決定了其反應速率，反應速率又與煙氣停留時間密切關聯。在這種條件下，實際的煙氣停留時間長度會影響到其生成過程的化學平衡。具體而言，當反應過程未達到化學平衡時，熱力型NOx處于生成狀態，如果此時的煙氣停留時間較長，那么會增加局部溫度并增加其產生量，直到達到化學平衡為止。由此，會形成一個“先增加后趨于穩定”的規律。

4 陶瓷燃氣隧道窯減排NOx 的重要性

4.1 從市場競爭角度分析

目前，我國陶瓷生產制造對陶瓷隧道窯的應用相對增多，并且將建設方向轉向了節能型爐窯，更加強調走“資源節約型與生態文明型”的可持續發展之道路，加劇了市場競爭的激烈程度。進一步看，當前此類企業依托統一大市場已參與了全球同行業競爭，競爭內容從原來的規模化競爭轉移到了對“定價權”的爭奪上。在這種條件下，此類企業要增強競爭力，必須擴大對“降氮”技術的配置比例，并借助技術賦能增強自身的知識產權創新。另外，當前階段我國陶瓷行業正處于產業轉型過程中，形成了產業生態化與生態產業化發展新格局，隧道燃氣隧道窯減排NOx勢在必行。

4.2 從企業效益角度分析

陶瓷燃氣隧道窯運營企業始終以追求利益最大化為根本目標，近幾年此類企業雖然未改變這個根本目標，但是在生態文明思想指導下，此類企業普遍在追求經濟效益的同時，增加了對生態效益、社會效益的重視程度，由此也形成了產出綜合效益的新目標。NOx作為一種揮發性有機物，污染相對較大，會借助生態循環系統將對大氣環境的污染，擴展到對水環境、土壤環境的污染，進而對人類的生存及發展造成嚴重威脅。具體而言，工業窯爐等工業加熱系統排放的氮氧化物水平約在200mg/Nm3～400mg/Nm3范圍之間，從NOx排放產生的影響看，一方面會影響身體健康，造成神經衰弱、神經麻痹、肺水腫、缺氧等疾病；另一方面能造成環境污染，導致城市霧霾、富營養化、光化學煙霧、酸雨沉降等。因而，在當前階段需要研發能夠減少其排放量的方法。

5 陶瓷燃氣隧道窯減排NOx 的方法分析

5.1 PNCR 脫氮脫硝工藝

PNCR 脫氮脫硝工藝脫硝劑是以高分子材料作為載體，把納米基官成分聚合負載在高分子材料上，經高精度設備制成粉體狀材質。本脫硝劑利用氣力輸送裝置直接噴入爐內，噴射的溫度窗口在700℃～950℃之間，高溫下高分子連接的化學鍵斷裂，釋放出大量的含納米基官能團，納米基官與煙氣中NOx發生還原反應，進而達到脫除NOx目的，脫硝劑是粉末狀，在還原反應過程中不會產生水蒸氣，對鍋爐及其他設施不會產生影響。

5.2 全氧燃燒技術

全氧燃燒技術利用純氧替代空氣，并將煙氣循環燃燒，為了提高CO2的濃度，這樣NOx、SOX 的濃度自然會提高。但是缺少空氣中的N2，這樣會熱力型NOx和快速型NOx就沒有了，最重要的是高CO2的濃度會提高燃燒區CO 的濃度，營造還原性氣氛，將已經生成的NO 還原成N2。而且循環煙氣的再燃，即循環煙氣中的NO 會在煤焦表面發生異相還原，在氣相中發生均相還原。所以一般來說燃燒氮的轉換率，全氧燃燒會低于常規燃燒，一般是低1/3 左右。但隨著煤種不同，燃燒方式組織不同這個數字是很不準確的。而且富燃燃燒條件下，高CO2與H2O 氣氛影響氮氧化物SOX的機理非常復雜，如CO2對煤焦的氣化，脫揮發分階段CO2在煤焦表面的物理與化學吸附，都會對NOx的生成造成影響，

5.3 蓄熱燃燒技術

通常情況下，燃燒時煙氣NOx含量與助燃空氣預熱溫度的高低有關，溫度越高，其含量會越大。應用蓄熱燃燒技術后，可以在1000℃條件下，直接使空氣與燃料相混合，進而增加煙氣中的NOx生成量，此時容易增加氮氧化物排放量與排放濃度，對空氣環境造成嚴重污染。在這種情況下，為了有效降低其氮氧化物排放量及濃度，控制其污染，可以采用如下方法：

（1）緊扣蓄熱燃燒技術本質特征，組織低氧燃燒。具體而言，空氣、燃料混合過程中與燒嘴十分接近，混合空間狹小、容易導致高溫區域的形成。此時，可以借助高速射流卷吸爐內煙氣進行形成一個“低氧燃燒氣氛”，增加火焰體積、均衡其溫度分布等，最終通過抑制火焰最高溫度實現對NOx排放量的控制。

（2）在組蓄熱燒嘴火焰時，可以進一步應用分級燃燒方案，通過應用燃燒分級與空氣分級兩種方法，減少蓄熱燒嘴生成NOx濃度等。

5.4 煙氣再循環技術

目前，應用較多的煙氣再循環技術（FGR）主要是在窯爐的空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐內，或與一次風或二次風混合后送入爐內，這樣不但可降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，進而降低了NOx的排放濃度。從空氣預熱器前抽取溫度較低的煙氣，通過再循環風機將抽取的煙氣送入空氣煙氣混合器，和空氣混合后一起送入爐內，再循環煙氣量與不采用煙氣再循環時的煙氣量之比，稱為煙氣再循環率。

煙氣再循環技術降低NOx排放的效果與燃料品種和煙氣再循環有關。經驗表明，煙氣再循環率為15%-20%時，NOx排放濃度可降低25%左右。NOx的降低率隨著煙氣再循環率的增加而增加，而且與燃料種類和燃燒溫度有關，燃燒溫度越高，煙氣再循環率對NOx降低率的影響越大。例如，電站鍋爐和煙氣再循環率一般控制在10%-20%，但是采用更高的煙氣再循環率時，燃燒會不穩定，未完全燃燒熱損失會增加。需要說明的是，該技術應用時需加裝再循環風機、煙道，對場地、投資、原設備改造要求較高，具有一定的復雜性。但是該技術既可在一臺鍋爐上單獨使用，也可和其他低NOx燃燒技術配合使用，以此降低主燃燒器空氣的濃度并輸送二次燃料。通過以往的應用經驗看，煙氣再循環技術是目前降低燃氣鍋爐NOx排放最有效的技術之一，能降低燃氣鍋爐60%以上的NOx排放。

6 結論

總之，陶瓷燃氣隧道窯產生的NOx類型較多，污染較大，在新時期工業行業轉向內涵式、集約型、高質量經濟增長模式的過程中，陶瓷生產制造應結合高質量建設與高水準運營目標，提高對陶瓷燃氣隧道窯減排NOx的重視程度，并增強對相關方法的研究及推廣應用。結合上述分析可以看出，陶瓷燃氣隧道窯特征鮮明、工作原理具有一定的復雜性，建議在當前減排NOx的過程中結合行業競爭內容與企業產出綜合效益目標，研發一些適配性較高的減排方法來有效控制NOx排放量，為陶瓷生產制造企業的高質量發展賦能，進而提高此類企業的全要素生產率。