空氣分級+SNCR聯合脫硝工藝可望成為主流
目前，我國擁有水泥企業近3000 家，產量已連續多年位居世界首位。2012 年我國水泥總產量已突破20億噸，其中，新型干法水泥比重達到85%。來自國家發改委的數據顯示，截至2012 年年底，采用國內技術和裝備建設的新型干法水泥生產線已達1400 多條，日產4000 噸、5000 噸水泥生產線占70%左右，總計1000多條生產線。
“十二五”時期，水泥行業是NOx減排的重點行業。2012年《水泥工業“十二五”發展規劃》指出，到2015年末，NOx排放總量降低10%，新建生產線必須配套建設效率不低于60%的煙氣脫硝裝置，二氧化硫排放總量降低8%等目標。
為了配合國家降低水泥行業NOx排放總量的要求，部分省市出臺了水泥氮氧化物排放標準和降低NOx排放的技術路徑。既要滿足新的NOx排放標準，又要降低后期運行成本，選擇高效經濟的脫硝方法對于水泥行業變得尤其重要。
主要脫硝技術介紹
目前適用于水泥窯的脫硝技術主要應用于兩個方向：一個是減少水泥窯燃燒時NOx的生成—低氮燃燒技術，主要有：低空氣過量系數改造、窯頭燃燒器改造、空氣分級燃燒技術和燃料分級技術；另一個是對水泥窯里生成的NOx進行脫除，主要有：選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術。
1.低空氣過量系數改造
使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行。隨著煙氣中過量氧的減少，可以抑制NOx 的生成。這是一種最簡單的降低NOx排放的方法，NOx減排效率在10%左右。但如爐內氧濃度過低，會造成濃度急劇增加，增加化學不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，燃燒效率下降。針對水泥窯頭燃燒的情況，此技術關鍵點在于優化煤粉輸送用風量和控制二次風量，控制空氣過量系數在6%及以下。該技術所受影響因素較多，是系統的改造工程，需同時對煤管和二次風風量進行檢測和分析，并對窯頭諸多因素予以考慮，實施難度大。
2.低氮燃燒器
燃燒器是水泥窯燃燒系統中的關鍵設備。不但煤粉是通過燃燒器送入窯內，而且煤粉燃燒所需的空氣也是通過燃燒器進入窯內的。從燃燒的角度看，燃燒器的性能對煤粉燃燒設備的可靠性和經濟性起著主要作用。從NOx的生成機理看，占NOx絕大部分的燃料型NOx是在煤粉的著火階段生成的，因此，通過特殊設計的燃燒器結構以及通過改變燃燒器的風煤比例，應用空氣分級、燃料分級脫硝技術原理，以盡可能地降低著火氧的濃度適當穩定著火區的溫度，達到最大限度地抑制NOx生成的目的。低氮燃燒器的關鍵控制點為低空氣過量系數，控制局部高溫和減少空氣在高溫區的停留時間，最大限度減少熱力型NOx生成。
3.空氣分級燃燒技術
空氣分級燃燒的基本原理是將燃燒所需的空氣（三次風）分成兩部分送入，一部分送入第一級燃燒區內（分解爐錐部），使過剩空氣系數α在0.8左右，燃料先在缺氧富燃料的條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，燃燒生成的CO與NO進行還原反應。另一部分空氣輸入燃燒區內（分解爐中部），保證燃燒的完全燃燒。
空氣分級技術在原未采用該技術的分解爐上可根據實際情況進行后期設計和改造，其改造成本低，施工難度小，對原有的燃燒制度影響小，能較快地建立新的燃燒制度。在分解爐低氮改造上是較成熟和完備的燃燒技術。
4.燃料分級技術
燃料分級原理是將在燃燒中生成的NO 與烴根CH、未完全燃燒產物CO、H2、C 以及CnHm發生還原反應，生成無污染的氣體。
利用這一原理，將80%~85%的燃料送入第一級燃燒區，在α>1 條件下，燃燒并生成NOx。其余15%~20%的燃料則在分解爐上部送入二級燃燒區，在α<1 的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區中生成的NOx在二級燃燒區內被還原成氮分子。在二級燃燒區中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，可使NOx 的排放濃度進一步降低。在二級燃燒區的上面還需布置“燃盡風”噴口，以保證上面生成的未完全燃燒產物的燃盡。這種再燃燒法稱為燃料分級燃燒。
根據火電鍋爐氮氧化物燃燒控制技術，水泥窯分解爐燃料分級燃燒具有一定脫硝效果，暫未有水泥工業上的較成功應用實例，且需對分解爐做加大規模的改造，效果較難控制。
5. 選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術
選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術是在無催化劑存在條件下向爐內噴入還原劑氨或尿素，將NOx 還原為N2 和H2O。還原劑噴入水泥窯分解爐（850℃～1150℃），在NH3/NOx摩爾比0.8～1.5情況下，脫硝效率30%～60%。在850℃左右溫度范圍內，反應式為：
4NH3+4NO＋O2→4N2+6H2O
當溫度過高時，會發生如下的副反應，又會生成NO：
4NH3+5O2→4NO+6H2O
當溫度過低時，又會減慢反應速度，所以溫度的控制是至關重要的。
該工藝不需催化劑，但脫硝效率不高，高溫噴射對窯爐受熱面安全有一定影響。存在的問題是由于溫度隨窯爐負荷和運行周期而變化及窯爐中NOx 濃度的不規則性，使該工藝應用時變得較復雜。
組合脫硝技術
現在水泥行業最主流的煙氣脫硝技術是選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術，但是其后期的運行成本比較高，一般2500噸新型干法熟料生產線噸熟料運行成本在2.5元~4元。由于近期水泥市場不景氣，所以，運行脫硝設備對于水泥廠來說，無形的增加了他們的壓力，因此，控制水泥回轉窯中氮氧化物的生成，降低后期SNCR的運行成本，成為現在所有水泥廠希望采用的聯合脫硝技術——低氮燃燒+SNCR。
通過以上對各種控制水泥回轉窯中氮氧化物技術的比較（見表），空氣分級燃燒技術具有改造簡單、對原燃燒制度影響小，理論NOx減排效率較穩定的優點。所以，最適合水泥廠運用的組合脫硝技術是空氣分級+SNCR技術。
目前，一條4000t/d熟料新型干法生產線上一套SNCR成本需要300萬元，一套空氣分級系統需要50萬元，氨水到廠家1000元/噸來計算，運行組合脫硝系統只需要大概半年多的時間，就可以抵消掉上一套空氣分級系統的成本。由此可見，這種組合脫硝工藝對于水泥企業來說，是一種最佳的選擇。
運用實例
以一家日產4000噸熟料新型干法生產線為例，采用了空氣分級燃燒+SNCR聯合脫硝技術，將原來的NOx 濃度從790mg/Nm3降低到300mg/Nm3。一年減少NOx 排放總量達到1000多噸，不僅滿足了國家新的排放標準，又產生了很好的社會效益，為其他水泥企業指明了聯合脫硝的方向。
1.工藝設計
（1）空氣分級
按4000t/d燒成系統熱平衡計算，三次風管（按內徑2.5m計算）風速為23.5m/s，分解爐內風速5.75m/s，如三次風管錐體進入氣體過剩空氣系數按0.8計算，分級燃燒風管直徑可選擇1.8m，這時分級燃燒風管風速為17m/s，脫氮風管進口需設置在分解爐37.8m平臺上部2.6m位置，進入即可。
（2）SNCR
SNCR煙氣脫硝系統工藝系統包括還原劑存儲系統、循環模塊、稀釋計量模塊、分配模塊、噴射系統、控制系統、電氣系統等組成。
本項目的還原劑采用氨水（10~20%），氨水采用罐車廠區內輸送到儲罐。儲罐設有液位、溫度、壓力等顯示和信號檢測儀表，用于判定和系統報警。儲罐采用一用一備設置方式；儲罐出口通過軟連接連接到高倍流量循環（HFD）模塊，該模塊內設置的離心泵（一用一備）為脫硝系統還原劑提供輸送動力，該模塊內設置電動開關閥和溫度、壓力、流量檢測儀表，實現自動控制和檢測；經HFD模塊加壓后的還原劑進入稀釋計量模塊，根據工藝需要進行稀釋，并通過計量儀表完成還原劑用量的計量，該模塊內配置稀釋水泵和流量調節閥門。經過計量和稀釋的還原劑被管道輸送到分配模塊，經過分配模塊將還原劑分配到每只噴槍。壓縮空氣通過主管氣源連接到壓縮空氣儲罐，經分配模塊調壓后通過盤管向每只噴槍供應壓縮空氣。以上主要控制可通過中控控制界面控制實現。
2.運行效果及成本分析
在本項目中，設計了兩套方案：方案一，空氣分級和SNCR全開，使空氣分級的效率調整到最高，并控制總的脫硝效率（60%）的狀態下，在穩定運行48小時后，記錄氨水（20%）單位時間內的消耗量；方案二，關閉空氣分級調風閥，只運行SNCR，在達到同樣脫硝效率的狀態下，在穩定運行48小時后，記錄氨水（20%）單位時間內的消耗量。
結論
通過對目前適用于水泥窯上的各種降低NOx技術的描述和對比，選擇了一種適用于水泥窯的組合脫硝工藝，并以一個具體水泥窯項目進行設計，對運行效果及成本進行分析，得出空氣分級+SNCR這種聯合脫硝的工藝是今后水泥脫硝的主流。
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