“十二五”國家科技支撐課題——“水泥窯爐富氧和分級燃燒減排NOx技術與示范應用”，歷時3年，在保持和提高熟料煅燒效率、熟料質量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內的自身消化，為減少水泥窯爐NOx排放提供多種技術途徑，并進行多條生產線技術應用示范，達到顯著的節(jié)能增產效果，被業(yè)內譽為節(jié)能降耗的“新式武器”。
??NOx減排迫在眉睫
??NOx是典型的大氣污染物，對環(huán)境具有嚴重的危害性。中國建材總院等承擔的這項國家科技支撐課題，基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，結合水泥工業(yè)的生產技術水平和工藝技術特性，開展了富氧燃燒和分級燃燒及檢測控制技術的研究，這對控制和減少NOx污染物排放具有著重要意義。
??“十二五”期間，國家已將NOx列入了污染物減排指標考核體系。水泥窯爐是NOx的高排放源，每噸水泥熟料的生產會產生約2.4千克NOx，一條年產60萬噸水泥熟料生產線每年則會產生約1440噸NOx。據(jù)統(tǒng)計，水泥行業(yè)NOx排放量占工業(yè)總排放量的8%~10%，是繼火電廠、機動車后的第三大排放源。在此背景下，GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》中規(guī)定，水泥企業(yè)NOx排放限值為400mg/m3，其中重點地區(qū)排放限值為320mg/m3，以此嚴格限制水泥行業(yè)NOx排放量。
??水泥行業(yè)NOx減排技術包括非催化還原技術（SNCR）、催化還原技術（SCR）、分級燃燒和低氮燃燒器技術等。其中SNCR脫銷效率達50%以上，但需要消耗大量的尿素、氨水等還原劑；SCR脫銷效率可達80%以上，而目前國內仍處于研發(fā)與示范階段，后兩種技術可在不消耗其他物質的基礎上，實現(xiàn)一定量NOx的削減，但脫硝效率往往不夠理想。
??基于此，依據(jù)水泥窯爐的工藝技術特點，在保證甚至提高水泥熟料產量、質量和窯爐能效水平的同時，通過富氧燃燒技術和分級燃燒技術，控制NOx的形成或促進NOx的分解，大幅度削減回轉窯內NOx的排放，對我國水泥工業(yè)NOx減排具有推動意義。
??課題研發(fā)碩果累累
??課題研究人員通過理論分析、計算機模擬、實驗研究和生產線示范等手段，掌握了水泥窯爐富氧燃燒和分級燃燒增產降耗原理、實施方法和降低NOx的規(guī)律，自主設計加工了富氧低NOx燃燒器，形成了具有自主知識產權的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，并開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置。
??成果一：富氧低NOx燃燒技術模擬及設計水泥窯爐富氧燃燒技術通過引入計算流體力學（CFD）來對傳統(tǒng)實驗測量中具有較大難度的水泥窯爐內部速度矢量、壓力等測量，以及實驗條件要求較高的水泥窯爐熱態(tài)測量。通過數(shù)值模擬，以及對旋流器不同配置、各風道不同壓力和不同速度的情況下，回轉窯內的速度和壓力分布，尋找具有較高一次風速，較合適回流區(qū)和速度梯度分布的燃燒器配置及邊界條件；對不同富氧濃度下，水泥回轉窯內的溫度分布、燃燒狀況、氣體組分濃度、NOx濃度分布等情況進行模擬，找出火焰溫度高、高溫范圍小、回流區(qū)較大、NOx生成濃度低的邊界條件，對后續(xù)的工廠示范應用提供指導。
??成果二：富氧低NOx燃燒器技術集成及研發(fā)。
??在理論計算、實驗研究和模擬分析的基礎上,兩條示范線進行富氧低NOx燃燒器技術與制氧技術配套及集成進行了研究。
??1000t/d回轉窯采用膜法制氧較為經濟合算，在其生產線上完成2000Nm3/h富氧制氧系統(tǒng)的設計、分離膜的選型及設備的加工，運行情況良好，富氧濃度可達30%，系統(tǒng)電耗0.075kWh/m3。
??2000t/d生產線富氧加入方式為液氧通過氣化器氣化之后通入一次風中，氧氣濃度在30%～40%范圍內可控制。
??此外，課題組自行設計出富氧低NOx燃燒器并對其進行了加工，燃燒器頭部與普通燃燒器相比，該燃燒器具有一次風量少，軸流風風速高，旋流角度15°～45°靈活可調等優(yōu)點。本燃燒器設計已申請國家發(fā)明zhuanli1項，實用新型zhuanli2項。
??成果三：富氧低NOx燃燒器實際運行及示范應用。
??富氧低NOx燃燒器的示范應用中，通過對其原有三通道燃燒器更換為自行設計的富氧低NOx燃燒器，并將富氧空氣通入一次風中，使一次風風量減少，同時軸流風速度提高；通過對高溫風機轉速、篦冷機風機風門開度、頭排風機轉速等窯系統(tǒng)參數(shù)的調整，富氧條件下窯頭火焰溫度較正常情況提高約120℃；二次風溫和三次風溫有較為顯著的提高，熟料煅燒質量明顯變好；同時，在節(jié)能增效并保證熟料質量的基礎上，通過對窯內氣氛的合理控制，使富氧條件下回轉窯NOx產生量有了明顯下降。評價檢測中心標定結果顯示，熟料產量提高15%（空白36.25t/h，富氧條件下41.68t/h），熟料燒成熱耗降低9.5%（空白3746kJ/kgcl，富氧條件下3389 kJ/kgcl），窯尾煙室NOx降低29%（空白1063ppm，富氧條件下755ppm）。
??富氧低NOx燃燒技術在示范應用中，通過將富氧空氣通入一次風中，一次風氧氣濃度達36.8%；通過調整高溫風機轉速、三次風閘板開度、篦冷機篦速等窯系統(tǒng)參數(shù)，富氧條件下窯頭火焰溫度提高約110℃；同時，大大改善了之前因協(xié)同處置廢棄物造成的熟料SO3含量高、燒失量大、有時出現(xiàn)黃心料等現(xiàn)象，據(jù)中控操作員現(xiàn)場觀察描述，“熟料黃心料現(xiàn)象明顯變少，直徑5cm的料都可燒透，熟料質量明顯提升?！痹诖嘶A上，通過對窯內整體氣氛的合理控制，在增產、節(jié)能、質量提升的基礎上，實現(xiàn)了部分NOx在回轉窯內削減的目標。由國家建筑材料工業(yè)建筑材料節(jié)能評價檢測中心標定，熟料產量提高14%（空白79.2t/h，富氧90.6t/h），熟料燒成熱耗降低11.6%（空白4301kJ/kgcl，富氧3804kJ/kgcl），窯尾煙室NOx降低31%（空白1538ppm，富氧1061ppm）。
??成果四：分級燃燒技術軟件包開發(fā)及示范應用示范。
??針對不同分解爐爐型建立全尺寸模型，進行分級燃燒改造數(shù)值模擬，得到優(yōu)化改造方案，形成了具有自主知識產權的“分解爐分級燃燒參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)”軟件包，分級燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行率＞95%，NOx排放濃度低于400mg/m3。
??成果五：窯爐燃燒工況氣氛快速檢測和控制技術。
??開發(fā)了窯爐燃燒工況氣氛檢測裝置，2000t/d生產線得到應用，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了燃燒工況氣氛的快速、準確分析，建立了窯爐燃燒工況與微量組分之間分析模型，并通過對窯系統(tǒng)優(yōu)化操作，使窯系統(tǒng)運行平穩(wěn)，節(jié)約了熟料燒成能耗。
??未來應用前景廣闊
??基于國家節(jié)能減排及減少NOx排放的重大需求，課題開展了富氧燃燒技術節(jié)能降耗與降低NOx排放的研究與應用，與二代新型干法水泥技術裝備研發(fā)標準中“高能效低氮預熱預分解及先進燒成技術研發(fā)攻關技術”及“攻克窯體氮氧化物消化和提升窯尾脫硝的技術攻關”緊密結合。課題在保持和提高熟料煅燒效率和熟料質量的前提下，研究攻破了部分NOx在窯體內的自身消化。實踐證明，富氧燃燒技術對改善水泥回轉窯因協(xié)同處置廢棄物可能產生的熟料產量無法提高、質量受到影響、單位熟料熱耗增加等現(xiàn)象具有很好的應用效果。
??隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的日趨提高，富氧燃燒技術在水泥窯的應用前景將非常廣闊。當然，此項技術不可避免地會改變其原有工況，因而在操作及設備方面必須做相應調整，以滿足水泥回轉窯生產要求。由于不同水泥企業(yè)生產狀況不同，在應用富氧燃燒技術時，需先對自身狀況進行全面評估，制定出合理的應用方案。
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