氮氧化物减排技术在火电厂、水泥厂、工业锅炉等领域相对较成熟，而耐火材料燃气窑炉的氮氧化物控制与减排目前尚没有很成熟的适宜方案。耐火材料燃气窑炉分布众多，不论是隧道窑还是梭式窑，因为一方面各生产企业条件差异大，耐火材料产品种类、烧成温度、烧成气氛、自动控制水平等各不相同;另一方面，窑炉燃烧温度相对较高，而总烟气排放量相对不大，烟气成分波动明显，烟气温度随是否开展余热利用也有差异。因此，对于耐火材料燃气窑炉的氮氧化物减排问题，只有通过具体分析、对症下药、标本兼治，才能做到投入小、见效好。

为了积极响应我国“节能减排”基本国策和应对“蓝天保卫战”的具体要求，提高耐火材料生产的关键设备———高温燃气窑炉燃烧系统的先进性和自动化控制水平，实现高效减排和节能降耗，本工作中通过对实验室的1m³高温梭式窑(1800℃)和生产企业的耐火材料燃气高温隧道窑的低氮氧燃烧技术与烟气干法催化吸附的实验研究，以及对烟气组成的实测及分析，提出了适合耐火材料燃气窑炉的氮氧化物减排解决方案。

壹

试 验

1.1试验方法

(1)实验室研究时以郑州大学高温材料研究所的1m³高温梭式窑(最高烧成温度1800℃，配有两对共4个燃烧器)为研究对象。分别采用低NOx预混型高速燃烧器和非预混普通套筒式燃烧器进行燃烧，通过调整天然气和助燃空气的开度来控制天然气和助燃空气的流量，当窑内达到一定温度时(采用红外测温仪测量火焰温度)，测量窑内及烟道内氮氧化物的生成量，其烟气成分测量系统如图1所示。

(2)对某耐火材料公司的1700℃燃气隧道窑(采用普通枪式烧嘴)窑内及换热器前后的烟气成分进行测量，其测量系统的连接方式如图2所示。

(3)对某耐火材料公司1450℃燃气隧道窑(采用普通套筒式烧嘴)排放的烟气采用一级干法催化吸附试验进行吸附处理，其吸附及测量系统的连接方式如图3所示，测量位置分别为吸附箱的前端和后端，测量过程中每隔0.5h记录一次结果。

1.2烟气成分测试及NOx排放浓度折算方法

采用GH-60E型自动烟尘烟气测试仪测量窑炉的烟气成分，主要为O₂、SO₂、NO、NO₂、NOx等的含量。根据GB9078—1996《工业炉窑大气污染物排放标准》的规定，实测工业炉窑氮氧化物排放浓度应折算为基准氧含量排放浓度，其计算公式为:

式中：c为氮氧化物的基准氧含量排放浓度，mg·m-³,c'为实测的氮氧化物排放浓度，mg·m-³;O₂为基准氧含量(φ)，%;O'₂为实测氧含量(φ)，%。在本研究中，基准氧含量取9%(φ)。

贰

结果与讨论

2.1梭式窑燃烧测试分析

当1m³高温梭式窑采用非预混普通套筒式燃烧器时，对不同燃烧温度下的烟气成分进行测量，结果如图4所示。其中，图4(a)和图4(b)分别为NOx实测浓度和实测氧含量，图4(b)是通过公式(1)换算的基准氧含量排放浓度(以下简称“NOx折算浓度”)。由图4可知，NOx生成量与燃烧温度呈近似指数的关系，即存在一临界温度(1400℃):当燃烧温度低于1400℃时，NOx生成量变化不大;当燃烧温度高于1400℃时，NOx生成量迅速增加。这符合Zeldovich机制。

对梭式窑分别采用低NOx全预混高速燃烧器和非预混普通套筒式燃烧器时NOx生成量进行了比较，结果如图5所示。从图中可以看出，采用全预混高速燃烧器时，窑内和烟道中NOx的折算浓度明显低于采用非预混普通套筒式燃烧器时的，而且采用低NOx全预混高速燃烧器时NOx折算浓度低于80mg·m-³。

可见，采用全预混高速燃烧器时，消除了火焰局部高温炽热区，缩短了火焰在高温区内停留时间(v>100m·s-1)，按照严格的空燃比预混均匀，合理组织燃烧，从源头控制，实现了低NOx排放，并强化对流换热，实现均匀温度场。浓淡燃烧技术是通过精确的组织多对燃烧器进行燃烧来达到降低氮氧化物生成的目的，即精确控制空气或者天然气的流量，使其按照一定的比例进行燃烧，例如:对于装有多个燃烧器的窑炉，选择其中几个燃烧器控制其在空气过量的条件下运行;另外几个燃烧器在燃料过量的条件下运行，但每一个都能安全、正常地燃烧。进入炉膛内的燃烧产物中可燃成分会继续与过剩的氧气进行混合、燃烧。此时的燃烧过程属于扩散燃烧，燃烧速度取决于混合速度，它低于化学反应速度。可燃成分与氧气在炉膛内的混合速度远低于在燃烧室内的混合速度。因此它们在炉膛内的燃烧过程既无高的火焰温度，也没有局部的高温区，因此NOx的生成速度很低，总的NOx生成量低于单一平均空气系数的生成量。

2.2高温隧道窑燃烧测试分析

对某耐火材料公司的1700℃燃气高温隧道窑窑内以及换热器前后的烟气成分进行测量，各测点的位置、温度及其烟气成分均如表1所示。从表1可以看出，不同测点的NOx折算浓度不同，但普遍较高(最高的为833mg·m-³)，远达不到低排放的要求。而且该高温隧道窑内NOx的产生量波动明显，推测可能与其推车制度及烧成工艺有关。

对该隧道窑的烟气检测结果说明，对于高温隧道窑的NOx减排，即使从源头控制出发采用低氮氧燃烧技术，可能还是无法满足超低排放的要求，有必要开展末端烟气治理工作。

2.3烟气干法催化吸附试验

通过实验室对高温梭式窑的测试结果可知，对于温度低于1400℃的隧道窑，从源头控制出发，采用低NOx全预混高速燃烧器及浓淡燃烧技术即可满足环保要求;而对于温度高于1400℃的隧道窑，通过源头控制、过程减排，可使烟气中的NOx量显著降低，然后再通过末端治理即可实现NOx超低排放要求。 干法催化吸附技术(SDG)属于干法吸附酸性废气处理技术类型，合理设计系统，对氮氧化物的净化效率可以达到70%～90%以上。SDG吸附剂是一种无机复合固体吸附剂，对酸性气体具有物理吸附、表面催化和化学吸附的作用，针对酸性气体的吸附效果优于活性炭。SDG吸附剂净化效率高，本身无毒无害，吸附之后发生化学反应而生成无害的盐，无二次污染。在实际应用中，SDG相比活性炭价格低廉，其单价是活性炭的1/3～1/2，对酸性气体的吸附容量比活性炭大2～3倍。

对某耐火材料公司的1450℃燃气隧道窑烟气中的NOx采用一级干法催化吸附试验进行吸附处理，其吸附结果如图6所示。从图中可以看出，通过吸附箱的流速为3～5m·s-1，吸附前烟气中NOx的折算浓度平均约为450mg·m-³,吸附后的平均约为130mg·m-³,吸附效率约为71%。

通过上述对实验室和企业燃气窑炉的研究可知，对于温度高于1400℃的燃气窑炉，采用低氮氧燃烧技术源头减排后，再开展末端烟气治理，如采用SDG技术进行多级串联，即可满足环保要求。

叁

结 论

通过对实验室和企业燃气窑炉的低氮氧燃烧技术与烟气干法催化吸附实验研究、烟气成分数据实测及分析，提出了适合耐火材料燃气窑炉的氮氧化物减排解决方案:

(1)燃气窑炉氮氧化物减排技术应立足于具体情况具体分析、对症下药、标本兼治，才能投入小、见效好。

(2)低氮氧燃烧技术是发展方向，亟待研究应用。低NOx全预混高速燃烧器及低氮氧燃烧、浓淡燃烧关键技术，可从源头减少NOx的生成，使燃烧产物喷出速度在100m·s-¹以上，能显著降低高温燃气窑炉的NOx排放浓度，实现过程减排(减排量>40%)，以减除投资和运行费用较高的烟气脱硝负担。

(3)对于烧成温度在1400℃以下的窑炉，主要采用低氮氧燃烧技术，实现NOx源头减排达标;对于烧成温度在1400℃以上的窑炉，采用低氮氧燃烧技术源头减排后，末端治理再采用无机复合固体吸附剂干法催化吸附技术(吸附效率达70%～90%)，可以在相对较低的投入条件下取得理想的减排效果，实现NOx超低排放要求。