在中國科學(xué)院潔凈能源A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助下，中國科學(xué)院工程熱物理研究所循環(huán)流化床實驗室團(tuán)隊針對水泥窯爐現(xiàn)有脫硝技術(shù)面臨的問題，在不改變主要生產(chǎn)工藝流程的情況下，創(chuàng)新性提出了適用于燃煤水泥窯爐的原位還原脫硝技術(shù)[5]，下面對其技術(shù)原理、技術(shù)特點、可行性驗證結(jié)果以及示范應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2.1 技術(shù)原理與特點
原位還原脫硝技術(shù)原理如圖1所示。與原有工藝流程直接向分解爐給入冷煤粉相比，該方法利用還原爐對煤粉進(jìn)行預(yù)熱處理，原分解爐給煤改為從還原爐給入并進(jìn)行自持預(yù)熱，以獲得高溫氣固二元燃料 （煤焦和煤氣），之后進(jìn)入分解爐內(nèi)燃燒，為水泥生料分解提供熱量。煤粉經(jīng)過預(yù)熱處理后，一方面，一部分燃料氮在還原爐中直接轉(zhuǎn)化為氮氣，減少了燃料型NOx的生成，實現(xiàn)分解爐煤燃燒NOx原位脫除；另一方面，獲得的高溫燃料與冷煤粉相比具有更強(qiáng)的還原性，進(jìn)入分解爐后，可對窯氣中的高濃度NOx進(jìn)行強(qiáng)還原。該技術(shù)對現(xiàn)行水泥生產(chǎn)工藝改動較少，因而投資和運行成本與現(xiàn)有技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢，而采用獨特的煤粉預(yù)熱形式，更使得分解爐可以燃用劣質(zhì)煤和粗顆粒煤，拓展了分解爐的燃料適應(yīng)性，同時可以達(dá)到節(jié)能效果。
2.2 技術(shù)可行性驗證
在實驗室條件下，對原位還原脫硝技術(shù)的可行性和有效性進(jìn)行了試驗驗證，驗證平臺示意見圖2。
圖2 原位還原脫硝技術(shù)驗證平臺
試驗平臺主要由還原爐、分解爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐、煙氣冷卻器、布袋除塵器、以及測控系統(tǒng)等組成。燃?xì)鉄犸L(fēng)爐用于產(chǎn)生高溫?zé)煔�，以模擬回轉(zhuǎn)窯窯尾出口窯氣，通過與高濃度NO氣體混合，可以調(diào)節(jié)窯氣中的NO濃度。煤粉經(jīng)過還原爐預(yù)處理后產(chǎn)生高溫氣固二元燃料，并進(jìn)入分解爐內(nèi)燃燒，為水泥生料分解提供熱量。還原爐處理煤量5 kg/h，分解爐高度7.5 m，分解爐溫度900 ℃，窯氣量與分解爐煙氣量按照實際回轉(zhuǎn)窯與分解爐給煤比例設(shè)計。試驗過程中，參照實際回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣溫度和NO濃度，通過調(diào)節(jié)燃?xì)鉄犸L(fēng)爐參數(shù)和NO配氣流量，將模擬窯氣溫度控制在1?000 ℃左右，同時將模擬窯氣中NO濃度控制在1?200 ppm，待分解爐內(nèi)燃燒狀態(tài)完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測量分解爐出口煙氣的NOx濃度。試驗結(jié)果顯示原位還原技術(shù)的脫硝效率在60%~80%[5]，且受到還原爐運行條件（還原爐溫度、燃燒份額）以及分解爐配風(fēng)條件等因素的影響。驗證結(jié)果表明，原位還原脫硝技術(shù)用于燃煤水泥窯爐脫硝是完全可行的，而且具有良好的脫硝效果。
2.3 工程示范應(yīng)用效果
基于中試驗證結(jié)果，原位還原脫硝技術(shù)在寧夏某燃煤水泥窯爐生產(chǎn)線上獲得了工程示范應(yīng)用。該水泥窯爐設(shè)計熟料產(chǎn)量2?500 t/d，實際產(chǎn)量2?900 t/d左右，采用五級懸浮預(yù)熱和窯外預(yù)分解工藝，采用SNCR脫硝技術(shù)，氨水噴灑位置位于分解爐出口與C5進(jìn)口之間的煙道上。圖3所示為2?500 t/d水泥窯爐低NOx技術(shù)示范工程概貌。
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圖3 2?500 t/d水泥窯爐低NOx技術(shù)示范工程概貌
在示范工程投運期間，委托水泥行業(yè)權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)對水泥窯爐氮氧化物實時排放情況進(jìn)行了第三方測試，圖4所示為示范工程投運情況下4 h內(nèi)NOx排放濃度測試情況，圖中數(shù)據(jù)為根據(jù)10% O2的折算值。測試期間，噴氨量穩(wěn)定在250 L/h左右（同等規(guī)模水泥窯爐的噴氨量一般控制在400~500 L/h）。從圖示數(shù)據(jù)可以看出，大部分時間內(nèi)NOx排放濃度較為平穩(wěn)，波動幅度很小，測試期間NOx排放的平均值為80 mg/m3，實現(xiàn)了NOx超低排放。鑒于現(xiàn)場實施條件的限制，原位還原技術(shù)尚有很大的優(yōu)化空間，其脫硝能力還可以得到進(jìn)一步提升，這也是研發(fā)團(tuán)隊未來的研究重點。
圖4 示范工程投運后NOx排放濃度監(jiān)測情況
測試期間，對水泥熟料生產(chǎn)的煤耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，示范工程投運前的平均煤耗約144.6 kg/t熟料，投運期間的平均煤耗約為141.5 kg/t熟料，原位還原脫硝技術(shù)并不會增加水泥熟料生產(chǎn)煤耗。
1）水泥工業(yè)NOx超低排放勢在必行，原位還原低氮技術(shù)中試結(jié)果表明，該技術(shù)可以顯著降低氮氧化物排放，試驗條件下的脫硝效率可達(dá)60%~80%。
（2）2?500 t/d水泥窯爐應(yīng)用原位還原脫硝技術(shù)后，在較少噴氨量及煤耗略降低的條件下，NOx排放達(dá)到80 mg/m3，實現(xiàn)了水泥窯爐NOx超低排放。
（3）原位還原脫硝技術(shù)可以顯著降低燃煤水泥窯爐氮氧化物排放，為水泥工業(yè)實現(xiàn)超低排放提供了一條新的技術(shù)路徑。
