专家浅议水泥生产的脱硝问题

2，燃料型NOX的生成机理

燃料型NOX是由燃料中N反应而生成。在以煤为主要燃料的系统中，燃料型NOX约占60%以上。燃料型NOX主要在燃料燃烧初始阶段形成，主要是含氮有机化合物热解产生的中间产物N、CN、HCN等被氧化生成NOX。燃料型NOX较热力型更易于生成。煤的氮含量约0.5%～2.5%。

当煤热解脱去挥发份时，煤挥发份中的N，其一部分以胺类（RNH、NH3）、和氰类（RCN、HCN）等形式随挥发份析出。挥发份中N占煤中N的比例随煤种和热解温度不同而不同，其最主要的化合物是HCN和NH3。在1800K高温下，一般煤挥发份N转为NO的比例约10%。

HCN遇氧后生成NCO，继续氧化则生成NO。如被还原则生成NH，最终生成N2。已经生成的NO，在还原气氛下也可被NH还原为N2。NH3在氧化气氛中会被依次氧化成NH2、NH，甚至被直接氧化成NO。在还原气氛中，NH3也可以将NO还原成N2。NH3可以是NO的生成源，也可以是NO的还原剂。

可见，挥发份N燃烧时，在氧化气氛特别是在强氧化气氛下，其倾向于向NO转化，在强还原气氛下，其倾向于向N2转化。

在实际生产中，燃烧过程大多数是在氧化气氛中进行的。由于反应和燃烧流场的复杂性，挥发份N不可能全部转化为NO。即使在强还原气氛中，也不可能全部转化为N2，取决于反应温度、氧含量、反应时间以及煤的特性。

焦碳N在燃烧时也可能生成NOX，一般占燃料型NOX的20%～40%。有认为焦碳N可直接在焦碳表面生成NOX。或者和挥发份N一样，以HCN和CN途径生成NO。研究表明，焦碳N转变为NOX是在火焰尾部焦碳燃烧区生成的，这一部位的氧含量比主燃烧区低，而且焦碳颗粒因温度较高发生熔结，使孔隙闭合，反应比表面积减少，相对挥发份N来说生成NOX量少些。即使在较强氧化气氛下，也会存在焦碳颗粒周围形成局部还原区域，同时碳和煤灰中的CaO催化还原NOX，限制了焦碳N转化为NOX。

影响燃料型NOX生成因素较多，与温度、氧含量、反应时间，及煤粉的物理和化学特性有关。

温度的升高对燃料型NOX生成量有促进作用。在1200℃以下时，其随温度升高显著增加；温度在1200℃以上时，增速平缓。对于燃料型NOX，燃料中N越高、氧浓度越高、反应停留时间越长，NOX生成量越大，而与温度相关性越差。

氧含量的增加，可以形成或强化窑炉内燃烧的氧化气氛，增加氧的供给，促进燃料中N向NOX的转化。燃料型NOX随过剩空气系数的降低而降低，在a＜1时，NOX生成量急剧降低。在氧含量不足时，氧被燃料中的可燃成分消耗尽，破坏了氮与氧反应的物质条件。在a＞1.1时，热力型NOX含量下降，燃料型NOX仍上升。

燃料型NOX与煤的热解产物和火焰中氧浓度密切相关，如果在主燃烧区延迟煤粉与氧气的混合，造成燃烧中心缺氧，可使绝大部分挥发份氮和部分焦碳N转化为N2。

不同种类的煤，挥发份含量、氮含量等差异较大。通常挥发份和氮含量高的煤种生成NOX较多。煤粉细度较细时，挥发份析出速度快，燃烧速度快，加快了煤粉表面的耗氧速度，使煤粉颗粒局部表面易形成还原气氛，产生抑制NOX生成的作用。煤粉细度较粗时，挥发份析出慢，也会减少NOX的生成量。特别是对劣质煤或是着火点较高的煤，这种情况会更明显，控制合适的煤粉细度可依据窑况和NOX生成量综合考虑。

煤挥发份中氧氮比越大，NOX转化率越高。相同氧氮比条件下，过剩空气系数越大，NOX转化率越大。

3，瞬时型NOX的生成机理

瞬时型NOX是在燃烧反应的过程中，空气中的N2与燃料过程中的部分中间产物反应而产生的。以煤为主要燃料的系统中，瞬时型NOX生成量很少。在此，我们不作为重点关注。

4，NOX在窑系统上的分布

氮氧化物在水泥熟料生产线上的分布情况如图21-01所示。由图21-01可见，尽管窑炉内产生的NOX有几种形式，但都是在提高温度的过程中形成的。水泥窑的升温依赖于煤粉燃烧，所以在工艺流程上形成NOX的部位处于窑头和分解炉的两个煤粉燃烧环节上。

氮氧化物在水泥熟料生产线上的分布

由于NOX的形成与温度有很强的相关性，窑头的火焰温度达1600℃左右，是整个熟料烧成过程中的峰值区，所以窑头是水泥窑NOX的主要来源，且以热力型NOX为主。根据烧成工况的不同（主要是温度峰值的大小与波动），形成量约在800ppm～1500ppm之间，是关键的“预防为主”部位。

就分解炉来讲，温度分布在800℃～1100℃之间，比窑头要低得多，形成的NOX主要为燃料型，控制其形成的效果有限；但由于分解炉下部及后窑口存在一定的还原区，能起到一定的还原NOX功能，所以在分解炉燃烧后废气的NOX总量在400ppm～900ppm之间，反而比后窑口还低。而且可以通过分步给煤等措施，人为地强化其还原功能，是重要的“治疗为辅”部位。