陶瓷燃气隧道窑减排NOx 的方法探析

林佳，郭喜斌

（潮州市粤潮节能技术咨询服务中心，潮州 521000）

1 前言

大气环境中有50%以上的NOx由固定排放源排放，此固定排放源主要来自工业窑炉。排放的NOx类型包括：（1）热力型；（2）快速型；（3）燃料型；（4）物料型。

近年来，随着耐火材料推广应用，陶瓷燃气隧道窑建设数量有所增多，属于热力型NOx排放类型，影响其排放的因素包括窑炉类型、物料、过剩空气系数、烟气停留时间及温度等。考虑到当前阶段此类窑炉的NOx排放限值较大，陶瓷生产制造应结合“降氮”要求，加强对陶瓷燃气隧道窑减排NOx的方法的研究，在技术赋能路径下有效实现对此类NOx的减排目标。下面先对陶瓷燃气隧道窑NOx生成机理做出简要概述。

2 陶瓷燃气隧道窑NOx 生成机理

陶瓷燃气隧道窑属于自动化程度较高的先进窑炉，主要由窑体、窑内输送设备、燃料燃烧系统、通风设备等共同组成，结构为预热带、烧成带、冷却带。此类窑炉中的氮氧化物排放类型为热力型NOx。具体而言，热力型NOx是指“空气中的氮气燃烧过程中通过氧化反应生成的氮氧化物”。目前，被广泛接受的生成机理为家捷里道维奇(Zeldovich)机理，具体表现为一组不分支链式反应，反应过程如下：

其中，公式（1）、（2）、（3）中从左到右的正向反应速率与从右向左的逆向反应速率有所不同，通常标记为：K1与K-1、K2与K-2、K3与K-3。

3 影响陶瓷燃气隧道窑NOx 生成的因素

3.1 窑炉类型

陶瓷燃气隧道窑属于连续性类型，与辊道窑具有一定的相似性，对NOx的生成具有间接影响。从当前的研究成果看，该窑炉中的NOx生成时间持续较长，加上烟气流动方向上的阻挡物较少，流动相对通畅，影响较大。但是该类型下对其单位燃料耗量的NOx产生量的影响及其抑制NOx生成的情况研究较少。

3.2 燃料因素

燃料类型不同，含氮量不同，会对NOx的生成产生不同的影响。比较而言，燃料对快速型NOx、燃料型NOx生成的影响比较突出，对热力型NOx的影响相对较小。但是在燃料烧烧过程中需要经过空气与燃料的混合→燃烧→产生烟气→排出烟气整个过程，并不能排除其影响。通常而言，此类炉窑中使用的燃料类型较多，其中，煤、劣质重油、一般重油、劣质轻油的含氮平均值，分别为1.5%、0.2%、0.14%、0.02%，与之相比，天然气作为一种清洁能源，含氮量较小，几乎可以忽略不计。从燃料对NOx生成的影响情况看，从小到大可以排列为天然气＜劣质轻油＜一般重油＜劣质重油＜煤。

3.3 温度因素

炉内温度对NOx生成的影响相对较小，通常情况下只要温度达到某个确定的值后不会产生影响，但对热力型NOx而言影响较大。以陶瓷燃气隧道窑NOx生成影响为例，尽管与其它NOx排放类型具有共性，然而按照热力型NOx的生成机理建立数据模型后，通过改变全炉热负荷提升其中的平均温度可绘制出NOx浓度-温度变化曲线，了解温度对其影响。一般而言，当炉内温度在1300℃时可以达到临界温度，小于该数值时的NOx浓度小，而且受温度的影响几乎可以忽略，但是大于该数值后的NOx会增加并呈现为指数式增长。根据同样的方法能够对其他条件下的温度与NOx浓度的影响做出分析。

3.4 物料因素

陶瓷燃气隧道窑主要用于生产陶瓷时，烧制陶瓷釉面砖、陶瓷素坯，其中的物料存在差异。采用同一炉窑对两种物料进行烧制，此时的窑体结构一致、燃烧工况相同，假定均采用天然气燃料，那么，烧制过程中产生的NOx排放量也会出现差别。从以往的烧制经验看，烧制素坯时的NOx排放量小于烧制釉面时的排放量，二者的排放量约为39.2mg/m3、69.8 mg/m3。通过查阅文献资料可知，后者的排放量大的原因是釉料主要是矿物原料，其中添加有NaNO3、KNO3等添加剂，此时经过高温烧制后会通过热分解增加其中的氮氧化物。反应过程如下：

3.5 烟气停留时间

烟气在燃烧型、快速型NOx生成方面的停留时间相对较短，其影响几乎可能忽略。但是陶瓷燃气隧道窑属于热力型NOx，温度对其影响大，并决定了其反应速率，反应速率又与烟气停留时间密切关联。在这种条件下，实际的烟气停留时间长度会影响到其生成过程的化学平衡。具体而言，当反应过程未达到化学平衡时，热力型NOx处于生成状态，如果此时的烟气停留时间较长，那么会增加局部温度并增加其产生量，直到达到化学平衡为止。由此，会形成一个“先增加后趋于稳定”的规律。

4 陶瓷燃气隧道窑减排NOx 的重要性

4.1 从市场竞争角度分析

目前，我国陶瓷生产制造对陶瓷隧道窑的应用相对增多，并且将建设方向转向了节能型炉窑，更加强调走“资源节约型与生态文明型”的可持续发展之道路，加剧了市场竞争的激烈程度。进一步看，当前此类企业依托统一大市场已参与了全球同行业竞争，竞争内容从原来的规模化竞争转移到了对“定价权”的争夺上。在这种条件下，此类企业要增强竞争力，必须扩大对“降氮”技术的配置比例，并借助技术赋能增强自身的知识产权创新。另外，当前阶段我国陶瓷行业正处于产业转型过程中，形成了产业生态化与生态产业化发展新格局，隧道燃气隧道窑减排NOx势在必行。

4.2 从企业效益角度分析

陶瓷燃气隧道窑运营企业始终以追求利益最大化为根本目标，近几年此类企业虽然未改变这个根本目标，但是在生态文明思想指导下，此类企业普遍在追求经济效益的同时，增加了对生态效益、社会效益的重视程度，由此也形成了产出综合效益的新目标。NOx作为一种挥发性有机物，污染相对较大，会借助生态循环系统将对大气环境的污染，扩展到对水环境、土壤环境的污染，进而对人类的生存及发展造成严重威胁。具体而言，工业窑炉等工业加热系统排放的氮氧化物水平约在200mg/Nm3～400mg/Nm3范围之间，从NOx排放产生的影响看，一方面会影响身体健康，造成神经衰弱、神经麻痹、肺水肿、缺氧等疾病；另一方面能造成环境污染，导致城市雾霾、富营养化、光化学烟雾、酸雨沉降等。因而，在当前阶段需要研发能够减少其排放量的方法。

5 陶瓷燃气隧道窑减排NOx 的方法分析

5.1 PNCR 脱氮脱硝工艺

PNCR 脱氮脱硝工艺脱硝剂是以高分子材料作为载体，把纳米基官成分聚合负载在高分子材料上，经高精度设备制成粉体状材质。本脱硝剂利用气力输送装置直接喷入炉内，喷射的温度窗口在700℃～950℃之间，高温下高分子连接的化学键断裂，释放出大量的含纳米基官能团，纳米基官与烟气中NOx发生还原反应，进而达到脱除NOx目的，脱硝剂是粉末状，在还原反应过程中不会产生水蒸气，对锅炉及其他设施不会产生影响。

5.2 全氧燃烧技术

全氧燃烧技术利用纯氧替代空气，并将烟气循环燃烧，为了提高CO2的浓度，这样NOx、SOX 的浓度自然会提高。但是缺少空气中的N2，这样会热力型NOx和快速型NOx就没有了，最重要的是高CO2的浓度会提高燃烧区CO 的浓度，营造还原性气氛，将已经生成的NO 还原成N2。而且循环烟气的再燃，即循环烟气中的NO 会在煤焦表面发生异相还原，在气相中发生均相还原。所以一般来说燃烧氮的转换率，全氧燃烧会低于常规燃烧，一般是低1/3 左右。但随着煤种不同，燃烧方式组织不同这个数字是很不准确的。而且富燃燃烧条件下，高CO2与H2O 气氛影响氮氧化物SOX的机理非常复杂，如CO2对煤焦的气化，脱挥发分阶段CO2在煤焦表面的物理与化学吸附，都会对NOx的生成造成影响，

5.3 蓄热燃烧技术

通常情况下，燃烧时烟气NOx含量与助燃空气预热温度的高低有关，温度越高，其含量会越大。应用蓄热燃烧技术后，可以在1000℃条件下，直接使空气与燃料相混合，进而增加烟气中的NOx生成量，此时容易增加氮氧化物排放量与排放浓度，对空气环境造成严重污染。在这种情况下，为了有效降低其氮氧化物排放量及浓度，控制其污染，可以采用如下方法：

（1）紧扣蓄热燃烧技术本质特征，组织低氧燃烧。具体而言，空气、燃料混合过程中与烧嘴十分接近，混合空间狭小、容易导致高温区域的形成。此时，可以借助高速射流卷吸炉内烟气进行形成一个“低氧燃烧气氛”，增加火焰体积、均衡其温度分布等，最终通过抑制火焰最高温度实现对NOx排放量的控制。

（2）在组蓄热烧嘴火焰时，可以进一步应用分级燃烧方案，通过应用燃烧分级与空气分级两种方法，减少蓄热烧嘴生成NOx浓度等。

5.4 烟气再循环技术

目前，应用较多的烟气再循环技术（FGR）主要是在窑炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，进而降低了NOx的排放浓度。从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送入炉内，再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率。

烟气再循环技术降低NOx排放的效果与燃料品种和烟气再循环有关。经验表明，烟气再循环率为15%-20%时，NOx排放浓度可降低25%左右。NOx的降低率随着烟气再循环率的增加而增加，而且与燃料种类和燃烧温度有关，燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越大。例如，电站锅炉和烟气再循环率一般控制在10%-20%，但是采用更高的烟气再循环率时，燃烧会不稳定，未完全燃烧热损失会增加。需要说明的是，该技术应用时需加装再循环风机、烟道，对场地、投资、原设备改造要求较高，具有一定的复杂性。但是该技术既可在一台锅炉上单独使用，也可和其他低NOx燃烧技术配合使用，以此降低主燃烧器空气的浓度并输送二次燃料。通过以往的应用经验看，烟气再循环技术是目前降低燃气锅炉NOx排放最有效的技术之一，能降低燃气锅炉60%以上的NOx排放。

6 结论

总之，陶瓷燃气隧道窑产生的NOx类型较多，污染较大，在新时期工业行业转向内涵式、集约型、高质量经济增长模式的过程中，陶瓷生产制造应结合高质量建设与高水准运营目标，提高对陶瓷燃气隧道窑减排NOx的重视程度，并增强对相关方法的研究及推广应用。结合上述分析可以看出，陶瓷燃气隧道窑特征鲜明、工作原理具有一定的复杂性，建议在当前减排NOx的过程中结合行业竞争内容与企业产出综合效益目标，研发一些适配性较高的减排方法来有效控制NOx排放量，为陶瓷生产制造企业的高质量发展赋能，进而提高此类企业的全要素生产率。