1 目前我国大气污染现状
我国是以燃煤为主的发展中国家,燃煤造成的大气污染日趋严重,而氮氧化物(NOx)是其主要成分之一，包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O5等多种氮的氧化物，燃煤窑炉排放的NOx 中绝大部分是NO。NO 的毒性不是很大，但是在大气中NO 可以氧化生成NO2。NO2 比较稳定，其毒性是NO 的4～5倍。空气中NO2 的含量在3.5×10‐6（体积分数）持续1h，就开始对人体有影响；含量为（20～50）×10‐6时，对人眼有刺激作用。含量达到150×10‐6 时，对人体器官产生强烈的刺激作用。此外，NOx 还导致光化学烟雾和酸雨的形成。由于大气的氧化性，NOx 在大气中可形成硝酸（HNO3）和硝酸盐细颗粒物，同硫酸（H2SO4）和硫酸盐颗粒物一起，易加速区域性酸雨的恶化。
随着我国工业的持续发展，由氮氧化物等污染物引起的臭氧和细粒子污染问题日益突出，严重威胁着人民群众的身体健康，成为当前迫切需要解决的环境问题。2011 年全国人大审议通过了“十二五”规划纲要，提出将氮氧化物首次列入约束性指标体系，要求“十二五”期间工业氮氧化物排放减少10%，氮氧化物减排已经成为我国下一阶段污染治理和减排的重点。氮氧化物活性高、氧化性强，是造成我国复合型大气污染的关键污染物。随着国民经济持续快速发展和能源消费总量大幅攀升，我国氮氧化物排放量迅速增长。“十一五”期间，我国氮氧化物排放量逐年增长，水泥行业氮氧化物排放量也呈现快速增长趋势，继火电和机动车之后排第3 位。氮氧化物排放量的迅速增加导致了一系列的城市和区域环境问题。北京到上海之间的工业密集区已成为对流层二氧化氮污染较为严重的地区，2012 年底到2013.01 月连续二十几天的雾霾天气，严重威胁着人民群众的身体健康，成为当前迫切需要解决的环境问题。若不严加控制，今后一段时期我国城市光化学烟雾、酸雨污染和灰霾天气还将呈现迅速发展和恶化之势。“十二五”期间我国将针对氮氧化物的污染特征，进入以空气质量改善为切入点、以主要行业为突破口的大规模削减阶段。继火电行业脱硝工作大规模推广后，我国将推进以水泥行业为主的其它行业氮氧化物排放控制。
2 目前我国水泥生产NOx 排放控制的政策与污染物排放标准
2.1 GB4915-2004 水泥工业大气污染物排放标准，水泥窑NOx 排放量应小于800mg/Nm3 (标况气体，折算为NO2，以10%氧含量为基准，下同) ；
2.2 GB50259-2008水泥厂设计规范规定，水泥厂焚烧废弃物NOx 排放量应小于500mg/Nm3；
2.3 氮氧化物排放量已被国家列入“十二五”规划的控制性目标，要求 2015 年氮氧化物排放总量比2010 年下降10％；
2.4 工业和信息化部发布的《水泥行业准入条件》（工原[2010]第127 号文件）“对水泥行业大气污染物实行总量控制，新建或改扩建水泥（熟料）生产线项目须配置脱除NOx 效率不低于60%的烟气脱氮装置”。
3 目前我国水泥企业NOx 排放现状及将来的政策
3.1 现状
目前新型干法水泥企业NOx 实际排放浓度为500~1100mg/Nm3之间, 有个别企业在某个时段有超1300mg/Nm3。有的企业已经上了低氮喷煤管或者分级燃烧技术的,其排放浓度已经低于目前的国家标准800mg/Nm3。
3.2 将来的政策：
3.2.1 《水泥工业大气污染物排放标准》（ GB4915-2012）征求意见稿提出：
a. 2013 年7 月1 日起， 新建企业执行320mg/Nm3
b. 2015 年1 月1 日起， 现有企业执行450mg/Nm3
c. 重点地区企业执行大气污染物特别排放限值的时间和地域范围由国务院环境保护行政主管部门或省级人民政府规定
由于工信部下文”新建或改扩建水泥（熟料）生产线项目须配置脱除NOx效率不低于60%的烟气脱氮装置”中的60%并没有特别注明本底值是目前生产线实际排放值还是环保部规定的800mg/Nm3,这样就导致了目前各地环保部门出台的指标不一致,有要求脱硝效率达到60%或70%;有要求排放浓度300~350mg/Nm3,杭州要求最严格为150mg/Nm3；专家猜测今年上半年之前国家会出台最终的NOx排放浓度规定,范围可能在350~500mg/Nm3 之间。环保部要求北京,天津和河北地区所有水泥厂要求在今年6月之前上脱硝工程,其它地区时间会稍微晚些。
4 水泥窑产生氮氧化物的主要原理及主要影响因素
水泥窑产生的废气中，NO约占95%，NO2占5%。氮氧化物主要有三种来源：燃料型、热力型和快速型。
4.1 燃料型氮氧化物
燃料中的氮在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物，煤中氮含量一般在0.5%~2.5%左右，主要以有机氮的形式存在，有机氮热裂解产生N、CN、HCN 和NHi 等中间产物基团，然后氧化而生成的NOx。其主要影响因素有：燃料特征、燃烧温度和过剩空气系数等。
主要的控制方法有：改变燃烧条件，减少燃料型NOx生成量 ；对燃烧后产生的含NOx 烟气进行脱硝处理。
4.2 热力型氮氧化物
高温条件下N2 和O2反应生成的氮氧化物：
N2 O2→2NO
NO 1/2O2→NO2
其主要影响因素：温度、氧气浓度和停留时间。回转窑中烧成带温度低于1350℃时几乎不产生热力型NOx，高于1500℃时大量产生。
主要的控制方法有：①降低燃烧温度；②降低氮浓度；③降低氧浓度;④缩短在窑的停留时间。
5 水泥窑几种典型脱硝技术的比较
5.1 低氮燃烧器
5.1.1 原理
由于热力型氮氧化物的生成主要与火焰温度和过剩空气系数有关，当火焰温度高于1500℃以上时,氮氧化物的生成与火焰温度成指数关系增加。低氮燃烧器的主要特点是推力大，煤和空气混合好，燃烧速率快。它与传统的燃烧器相比，需要的过剩空气系数小，火焰温度也较低，因此生成的氮氧化物少。
5.1.2 低氮燃烧器脱硝效率
低氮燃烧器脱硝效率一般为10～15%，但在不影响正常生产情况下脱硝效率一般为5～10%。
5.1.3 低氮燃烧器主要设备构成
低氮燃烧器主要设备构成有：低氮喷煤管。
5.1.4 低氮燃烧器的投资
低氮燃烧器的总投资为：进口设备：80~130万人民币左右；国内设备：30~80 万人民币左右。
5.1.5 低氮燃烧器的优、缺点
优点是:运行时无额外的费用，操作简单；缺点是：国内产品价格便宜，但效果不好；国外产品效果还行，但价格较贵；另外，如果片面追求脱硝效率，火焰温度过低，窑热力强度降低，会带来窑的减产或者熟料中游离氧化钙的增高而影响熟料的强度和安定性。
5.2 分级燃烧技术
根据氮氧化物的生成机理，主要分为：空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环；我们水泥厂用的较多的就空气分级燃烧和燃料分级燃烧。
5.2.1 空气分级燃烧
5.2.1.1 原理
燃烧区的氧浓度对各种类型的NOx生成都有很大影响。当过剩空气系数α<1 时，煤不能充分燃烧，煤燃烧生成的一氧化碳与氮氧化物进行还原反应，以及燃料氮分解成中间产物相互作用或氮氧化物还原分解，抑制燃料氮氧化物生成。根据这一原理，把供给燃烧区的空气量分成两级送入，一部分为主二次风，占总二次风量的70%～85% ，由三次风管主风管送入；另一部分空气量，占总二次风量的15%～30%，由三次风管上的支管送入分解炉的中部。这样燃料在主燃区为缺氧燃烧，部分未燃尽的燃料在分解炉的中部燃烧。空气分级燃烧的主要反应如下：
C 1/2O2→CO
2CO 2NO→2CO2 N2
NH NH→N2 H2
NH NO→N2 OH
5.2.1.2 空气分级燃烧脱硝效率
空气分级燃烧脱硝效率一般为10～30%，但在不影响正常生产情况下脱硝效率一般为15～20%；
5.2.1.3 空气分级燃烧主要设备构成
空气分级燃烧主要设备有：耐高温电动闸板阀、风管、膨胀节和浇注料。
5.2.1.4 空气分级燃烧的投资
空气分级燃烧的总投资为80～150 万人民币，对应的生产线的规模为2500t/d~7200t/d。
5.2.1.5 空气分级燃烧的优、缺点其优点是：装置简单、投资省，只有一次性投资，基本没有运行费用；缺点是：脱硝率不大，正常在15~20%(片面追求脱硝率会影响分解炉的分解率)，操作员要有经验，要掌握好分解炉分风和分料的比例，否则分解炉可能出现塌料现象；设备运行稳定性较差，不适合高硫煤和石油焦等燃料。
5.3 燃料分级燃烧
5.3.1 原理
分解炉锥部设计脱氮还原区，将分解炉原来的2个煤粉管道喷煤嘴改为4 个头部带旋流风翅火嘴的喷煤嘴，这4 个煤粉管道分上下两层喂入，在保证煤粉充分燃烧的同时，适当增加分解炉锥部的煤粉喂入比例（大概为3：7），保证缺氧燃烧的还原气氛，还原窑尾烟气中的NOx，产生脱氮作用。煤分级燃烧的主要反应如下：
C 1/2O2→CO
2CO 2NO→2CO2 N2
NH NH→N2 H2
NH NO→N2 OH
5.3.2 燃料分级燃烧脱硝效率
燃料分级燃烧脱硝效率一般为10～30%，但在不影响正常生产情况下脱硝效率一般为15～25%。
5.3.3 燃料分级燃烧主要设备构成
燃料分级燃烧主要设备构成有：喷煤嘴、分煤阀门、压力表和送煤管道。
5.3.4 燃料分级燃烧的投资
燃料分级燃烧的总投资为100 万人民币左右。
5.3.5 燃料分级燃烧的优、缺点
其优点是:一次性投资不大,运行时没有费用，脱硝率正常在20%~25%；缺点是：为使分解炉煤粉在还原气氛下燃烧，系统拉风需减小，同时提高三次风比例，操作员要有经验，要掌握好分煤的比例，否则窑尾及分解炉会出现结皮现象；另外，由于窑内通风相对减小，系统波动敏感性提高，对操作提出较高要求，操作适应阶段熟料质量合格率有所下降；为取得良好的脱硝效果，窑尾氧含量需严格控制，在减小系统拉风同时，要最大限度减小窑尾漏风，窑尾氧含量超过5%，脱硝效果将显著下降。设备运行稳定性较差，不适合高硫煤和石油焦等燃料。
5.4 选择性非催化还原技术（SNCR）
5.4.1 原理
SNCR 技术是一种成熟的NOx 控制处理技术。此方法是在分解炉的合适温度区域(约 850~1050℃)加入还原剂氨水（质量浓度17%～20%）或尿素（质量浓度30%~50%），在有部分氧存在的条件下，氨与NOx 发生选择性非催化还原反应，将NOx 转化成无污染的N2。喷氨后窑炉内发生的化学反应有：
4NO 4NH3 O2→4N2 6H2O
6NO 4NH3→5N2 6H2O
6NO2 8NH3→7N2 12H2O
2NO2 4NH3 O2→ 3N2 6H2O
当反应区温度过低时，反应效率会降低；当反应区温度过高时，氨会直接被氧化成N2 和NO。因此，为了提高脱硝效率并实现NH3 的逃逸最小化，需满足以下条件：在还原剂喷入的位置没有火焰；在反应区域维持合适的温度范围（850~1050℃）；在反应区域有足够的停留时间（至少0.5秒，900℃）。SNCR 技术用还原剂主要有氨水和尿素两大类：
氨水的反应更直接，有着高效的去除率、较低氨逃逸和较高的化学反应效率；尿素要先加水融化才能使用，系统和设施复杂，同时尿素反应也相对复杂，会形成笑气、形成较高的氨逃逸和较高的CO。尿素作为还原剂时，反应温度要求在1000℃左右时，才能达到理想的脱硝效率，反应温度高，同时温度区间较窄。水泥窑系统分解炉中烟气温度一般在 900℃左右，最高不超过950℃，适合SNCR 反应的区域，所以选用氨水作为还原剂较适合。
5.4.2 SNCR 脱硝效率
SNCR 脱硝效率一般为50～75%。
5.4.3 SNCR 主要设备构成SNCR 主要设备构成有：卸氨系统、氨水储罐系统、氨水制备系统、氨水管路输送系统、分配调节控制系统、气力雾化系统、压缩空气供给系统和控制系统组成。
5.4.4 SNCR 的投资
目前国内做SNCR 的公司技术及配置参差不齐，总投资一般在200~350 万人民币左右。
5.4.5 SNCR 的优、缺点SNCR 烟气脱硝技术具有经济实用的特点，虽然受到反应温度、混合等因素的制约，但系统容易加工，无停工期，所占空间极小，与其它脱硝设备兼容升级性能好，运行管理方便等突出特点。SNCR系统具有建设快、投资经济、运行管理灵活、脱硝成本相对低廉等优势。其缺点是：相对低氮燃烧技术，有氨系统安全性和投资较高，运行时会增加水泥企业的成本（成本约2.0~2.5 元/吨熟料）；另外，如果控制不好，氨逃逸量过高时，会造成环境的二次污染！
5.5 选择性催化还原技术（SCR）
5.5.1 原理
SCR 技术大规模的应用于国内外的电力行业中。SCR 是利用NH3 与NO 反应的选择性，选择合适的催化剂，在350~400℃时，在催化剂表面将富氧烟气中的NO 还原成N2 和H2O。
5.5.2 SCR 脱硝效率
SCR 脱硝效率一般为70～90%。
5.5.3 SCR 主要设备构成SCR 主要设备构成有：卸氨系统、氨水储罐系统、氨水制备系统、氨水管路输送系统、分配调节控制系统、气力雾化系统、压缩空气供给系统、催化剂系统和控制系统组成。
5.5.4 SCR 的投资
目前国内水泥行业基本使用SNCR 技术，SCR很少使用，其技术基本靠引进，总投资一般在2000万人民币左右。
5.5.5 SCR 的优、缺点
SCR 烟气脱硝技术具有脱硝效率高的优点。其缺点是：有氨系统安全性和投资非常高，催化剂使用寿命和系统电耗高，运行时会大大增加水泥企业的成本（成本约20~25 元/吨熟料）。
6 结束语
综合以上对比，低氮燃烧技术，SNCR 与SCR技术各有优缺点（见表1），各水泥企业应该根据自身所处的地理位置环保要求和企业的技术条件来选择合理的脱硝技术，这样才能做到既达到环保要求，又不会大幅增加企业成本。
来源：《水泥工业脱硝实用技术参考手册》
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