脱硝技术

根据水泥窑氮氧化物的形成机理，水泥窑降氮减排的技术措施有两大类：

一类是从源头上治理。控制煅烧中生成NOx。其技术措施：①采用低氮燃烧器；②分解炉和管道内的分段燃烧，控制燃烧温度；③改变配料方案，采用矿化剂，降低熟料烧成温度。

另一类是从末端治理。在烟气再循环对层燃锅炉典型区段燃烧的影响下，结合空气分级技术通过半焦催化还原NO。控制烟气中排放的NOx，其技术措施：①“分级燃烧+SNCR”，国内已有试点；②选择性非催化还原法（SNCR），国内已有试点；③选择性催化还原法（SCR），欧洲只有三条线实验；③SNCR/SCR联合脱硝技术，国内水泥脱硝还没有成功经验；④生物脱硝技术（正处于研发阶段）。

总之，国内开展水泥脱硝，尚属探索阶段，还未进行科学总结。各种设计工艺技术路线和装备设施是否科学合理、运行可靠的脱硝效率、运行成本、水泥能耗、二次污染物排放有多少等都将经受实践的检验。

一、NOx氮氧化物的生成机制

       对于锅炉来说，Nox的产生主要来自空气中的氮气和过量氧气产生的热力型Nox，热力型NOx的产生和燃烧的温度呈指数型关系，通常在燃烧温度高于1000摄氏度的时候开始产生，而在1400度以上NOx的生成速度会急剧增加。更安全：冷凝锅炉采用强制循环，可以不燃烧室内空气（普通锅炉则必须燃烧室内空气，为了安全需增加烟气报警系统）。下图反映的是燃煤型锅炉的NOx排放和温度的关系，其中热力型Nox的温度关系同样适合于锅炉燃烧器。

燃煤型锅炉的NOx排放和温度的关系基于以上NOx的生长机制，低氮燃烧器的控制NOx的技术也主要着眼于两个方向：

       1、降低火焰温度；

       2、降低氧含量。

二、低氮燃烧器和超低氮燃烧器类型

       传统的锅炉燃烧器通常的NOx排放在120~150毫克左右。低氮燃烧器通常是指NOx排放在30~80毫克的燃烧器。NOx排放在30毫克以下的通常称为超低氮燃烧器。

       传统的燃烧器的高NOx排放主要源于下述几个原因：

       1、为了保证燃烧充分，采用了较大的过量空气；

       2、燃烧温度通常在1800度左右。

三、低氮燃烧器三、低氮燃烧器通常基于下列技术

       1.电子比例调节和氧含量控制技术；来控制氧含量；

       2.FGR烟气再循环技术，来降低火焰温度和氧含量；

       3.全预混的表面燃烧技术来降低火焰温度和实现充分燃烧；

      上述技术中，通常是低氮燃烧器的必须配置。基于上述技术，市场的低氮燃烧器主要分为以下类型：

四、各低氮燃烧器优缺点介绍

       1、FGR低氮燃烧器

        FGR低氮燃烧器通常能够将NOx在全火范围内控制到65毫克，极限大约在40毫克左右，进一步降低NOx排放可能导致燃烧不稳定，或者牺牲可调比等弊端。

        2、表面燃烧超低氮燃烧器

        表面燃烧超低氮燃烧器通常能够将NOx在全火范围内控制到30毫克以内，其优点是安装简单，不需要FGR烟气再循环管道；其主要缺点是需要过滤空气，加大了维护工作量；同时氧含量在7%左右，降低了部分燃烧效率。

        3、表面燃烧+FGR超低氮燃烧器

        表面燃烧+FGR超低氮燃烧器结合了表面燃烧的NOx控制优点和FGR降氧含量优点，可以实现在全火范围控制NOx到20毫克水平，同时控制氧含量在3%以内，化燃烧效率。其主要短处是设备成本提高。

近年来，煤燃烧造成的大气污染问题备受人们关注,尤其我国北方供暖期的严重雾霾更是影响到了人们的日常生活。如何去除燃烧烟气中氮氧化物，防止环境污染，现已作为世界范围的问题，被尖锐地提了出来。

为防止锅炉内煤燃烧后产生过多的NOx污染环境，应对煤进行脱硝处理。4．在炉膛中设立再燃区，利用在主燃区中燃烧生成的烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm等，将NO的还原成N2。锅炉低氮燃烧和SNCR脱硝技术在现有LNB技术和SNCR技术原理的基础上，对锅炉LNB和SNCR技术进行大量的试验研究和工程化研发，研究适应于煤粉低氮燃烧和SNCR脱硝优化技术装备的耦合技术。首先对原有低氮燃烧器进行针对性改造，将燃烧器改造成更适合与SNCR系统耦合，控制燃料燃烧过程中NOx的生成量，其次建立SNCR烟气脱硝系统，进一步降低烟气中NOx浓度。通过实验室和实际工程试验，研究整套系统关键技术参数，包括锅炉负荷变化对低氮燃烧和SNCR耦合技术下的气固两相流动和混合过程的影响规律，研究低NOx燃烧和SNCR技术耦合脱除NOx过程中燃烧区的温度场、流场和浓度场分布规律。优化关键参数，可使系统在运行成本较低的情况下，达到较高的脱硝效率。

1 低热值燃气燃烧特性

低热值气体燃料并没有明确的概念，通常根据气体燃料自身发热量可将气体燃料分为高热值燃料（Q＞15.07MJ/m3）、中热值燃料（6.28MJ/m3＜Q＜15.07MJ/m3）及低热值燃料（Q＜6.28MJ/m3），工业中常见的低热值气体燃料主要有化工过程低热值尾气、高炉煤气、石油化工行业冶炼尾气、煤矿低浓度气等。氮氧化物排放浓度削减幅度大于等于50%，且浓度值低于30毫克/立方米的项目，按照改造***额的30%给予奖补资金。其中，高炉煤气、煤层气等热值介于3.0～6.28MJ/m3的低热值燃料的研究应用已逐步展开，但在工业生产中还存在一些工业废气，含有少量的可燃成分，热值非常低，甚至远低于3.0MJ/m3，这种超低热值燃气种类很多，比如某些煤层气、生物质气化气、垃圾掩埋坑气、炭黑尾气、一些工艺废气等。超低热值燃气比低热值燃气点火、稳燃更困难，能量密度低，长距离输送不经济，在当地没有合适的热用户时只能直接放散，既浪费能源又污染环境。

低热值燃气燃烧器特性主要包括以下几个方面：

（1）燃气中可燃成分少，热值低，着火温度高，火焰传播速度慢，难以点火及稳定燃烧；

（2）燃气压力低且波动范围大，压力过低、速度过慢时容易回火；

（3）低热值燃气多为化工生产线的尾气，需对多条生产线进行汇总综合利用，燃气的流量变化大；

（4）化工工艺过程的操作对尾气的成分及热值影响较大，尾气的燃烧工艺如配风系数需及时匹配调整，否则容易熄火。

2 低热值燃气的稳燃技术

根据燃烧理论，为保证低热值燃气的稳定燃烧，主要的稳燃措施包括优化着火条件、提高火焰温度以及优化燃烧场分布等。

（1）优化着火条件

低热值气体燃料的着火极限高，着火比较困难，燃烧温度也较低。为此，需要提高燃气热值，降低燃料着火下限。如掺烧高热值燃料，提高混合燃气的热值，降低着火温度；燃料和空气预热提高初始温度。

（2）提高火焰温度

燃烧温度的提髙可强化炉内辐射换热并改善炉内的燃烧状况。低氮燃烧器顾名思义就是燃烧器的时候燃烧更充分，使其产生的氮氧化物更加的少从而控制污染物的排放以达到环保的目的。而实际火焰温度与装置类型、燃烧效率、燃料种类、空气/燃气预热温度等有关。如：强化燃料和空气的混合，降低不完全燃烧损失；合理设计炉膛结构，进行绝热燃烧，减少系统散热量；降低空气过剩系数或采用纯氧/富氧燃烧。

（3）优化燃烧场分布

燃烧场的分布包括燃气、空间以及烟气在燃烧空间的分布，燃烧场特别是温度场的优化分布来源于高温烟气对新鲜燃气、空气的加热，进而促进空气与烟气短时间内升温至着火温度。如旋流燃烧中心回流区强化燃烧，提高火焰温度；钝体稳定燃烧技术。

2.1 掺烧高热值气体燃料

掺烧高热值气体燃料分为两种类型：

（1）采用高热值辅助燃料，作为长明灯使用，形成稳定的高温热源，引燃主流燃气和空气混合物；

（1）全混型掺混燃烧，以均匀混合的高低热值燃气为燃料，可燃物含量增加，降低着火温度，提高燃烧温度，改善了燃烧条件。2优化调整，使用科学的燃烧方法锅炉低氮燃烧器经过改造后，燃烧器的型式已确定，但是在锅炉不同的条件下，燃烧不同的煤种产生的NO的量也会不同，由此可见起主导作用的是锅炉的运行方式。该方法在低热值燃气稳定燃烧中较为常用。需要注意的是，因高热值燃料成本较高，在保证低热值气体燃料稳定燃烧的前提下，髙热气体燃料的掺烧比例越小，则经济性越好。文午祺、陈福龙等基于回流区分级着火原理，针对钝体或旋转气流等形成的燃烧器喷口附近的高温低速回流区，喷入小股高热值燃料使其着火，然后点燃热值仅为1250kJ/kg左右的超低热值气体主流，从而使火焰稳定，燃烧强度提高。高低热值燃料供热比21：79，平均热值1584kJ/kg。

2.2 富氧燃烧/纯氧燃烧

燃烧反应是燃料中可燃物与氧气发生的氧化放热反应，富氧燃烧/纯氧燃烧就是指以氧含量大于21%甚至达到100%的氧化剂与低热值气体燃料进行混合燃烧。（北京）能源设备技术有限公司成立至今就一直奉行超越自己比超越对手更有意义的研发理念，在研发创新的过程中，不断超越自己。在理论需氧量不变的前提下，氧含量的提高减少燃烧烟气量，炉内火焰温度大幅度提高，不具备辐射能力的氮气所占比例减少，有利于提高烟气黑度，增强有利于炉膛内部辐射传热。但富氧燃烧因需要配备空气分离装置，故釆用富氧燃烧方法时，掺烧的空气中的氧浓度不宜太高，否则会影响系统经济性，这也需要在低热值气体燃料回收的经济性和稳定燃烧所需的低氧浓度之间找到一个平衡点，一般富氧浓度在26%～31%时。

2.3 高温空气预热燃烧

高温空气预热技术是充分利用加热炉的排烟余热将助燃空气加热到1000℃，甚至更高，使加热炉排烟温度降低到200℃，预热的高温空气可以增大燃烧速率、稳定低热值燃料燃烧。冷凝热水锅炉采用了新理念的模块化设计方式，可根据用户的实际需求，提供各种类型不同规格型号的冷凝锅炉。该技术不仅能提高燃烧速率，还能回收尾排烟气余热，提高热效率。朱彤、张健等对低热值煤气的高温空气燃烧过程进行了数值模拟，当燃气和助燃空气预热温度由600℃增加到1000℃，炉内高温度和平均温度分别上升267℃和268℃，有利于低热值燃气稳定燃烧。赵岩采用空-煤气双预热技术将空气预热到600℃以上，煤气预热到450℃以上，预热后的低热值煤气可直接用于加热炉燃烧，实现了低热值煤气的直接利用和废气余热回收。高温空气预热通常与蓄热燃烧相结合，空气通过换向阀进入高温蓄热体，热能释放给助燃空气，温度提高到接近炉膛温度，由于空气温度在燃气的着火点以上，可以实现稳定燃烧。

2.4 旋流燃烧

旋流燃烧是利用气流旋转强化低热值煤气燃烧和***火焰的燃烧技术，能够有效提高燃烧的强度和火焰的稳定性。如果对用于锅炉、工业窑炉的用户来讲，一年节省下来是一个很可观的数字。旋转射流除了具有直流射流存在的轴向分速度和径向分速度外，还有一个切向分速度，而且其径向分速度在喷嘴出口附近比直流射流的径向分速度大得多，在强旋转气流作用下，旋转射流的内部建立了一个回流区，不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中卷吸介质，在燃烧过程中，从内外回流区卷吸的高温烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。郭涛通过对高炉煤气燃烧火焰的传播速度、回火、脱火以及旋转射流的研究，研制了高炉煤气双旋流燃烧器，实现了高炉煤气的稳定燃烧。

陈宝明等利用旋流加强空气与低热值燃气的混合，结合蓄热稳燃技术，成功研制了低热值燃气燃烧器，可实现高炉煤气、工业尾气、炭黑尾气等种类的燃气在不配长明火的情况下稳定燃烧。

2.5 钝体稳燃

钝体稳燃机理是利用烟气在钝体后形成的高温低速回流区作为稳定的点火源。煤粉工业锅炉可结合室燃锅炉的特点，采用浓淡燃烧、空气分级、烟气再循环等多种手段实现低氮燃烧。当空气燃气绕过钝体时，钝体后形成一个稳定的回流区，在回流区内充满回流的高温烟气，使回流区成为内部蓄热体，在回流区外侧与主流之间的区域，是新鲜燃气空气混合物和热回流烟气的湍流混合区，边界上存在较大的径向速度梯度，可燃混合物与高温烟气之间发生强烈的质量、动量及能量交换，可燃混合物就不断被加热而升温，并达到着火温度开始着火。