在中國科學(xué)院潔凈能源A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助下，中國科學(xué)院工程熱物理研究所循環(huán)流化床實驗室團隊針對水泥窯爐現(xiàn)有脫硝技術(shù)面臨的問題，在不改變主要生產(chǎn)工藝流程的情況下，創(chuàng)新性提出了適用于燃煤水泥窯爐的原位還原脫硝技術(shù)[5]，下面對其技術(shù)原理、技術(shù)特點、可行性驗證結(jié)果以及示范應(yīng)用效果進行詳細介紹。

2.1　技術(shù)原理與特點

原位還原脫硝技術(shù)原理如圖1所示。與原有工藝流程直接向分解爐給入冷煤粉相比，該方法利用還原爐對煤粉進行預(yù)熱處理，原分解爐給煤改為從還原爐給入并進行自持預(yù)熱，以獲得高溫氣固二元燃料 （煤焦和煤氣），之后進入分解爐內(nèi)燃燒，為水泥生料分解提供熱量。煤粉經(jīng)過預(yù)熱處理后，一方面，一部分燃料氮在還原爐中直接轉(zhuǎn)化為氮氣，減少了燃料型NOx的生成，實現(xiàn)分解爐煤燃燒NOx原位脫除；另一方面，獲得的高溫燃料與冷煤粉相比具有更強的還原性，進入分解爐后，可對窯氣中的高濃度NOx進行強還原。該技術(shù)對現(xiàn)行水泥生產(chǎn)工藝改動較少，因而投資和運行成本與現(xiàn)有技術(shù)相比具有較大優(yōu)勢，而采用獨特的煤粉預(yù)熱形式，更使得分解爐可以燃用劣質(zhì)煤和粗顆粒煤，拓展了分解爐的燃料適應(yīng)性，同時可以達到節(jié)能效果。

2.2　技術(shù)可行性驗證

在實驗室條件下，對原位還原脫硝技術(shù)的可行性和有效性進行了試驗驗證，驗證平臺示意見圖2。

圖2　原位還原脫硝技術(shù)驗證平臺

試驗平臺主要由還原爐、分解爐、燃氣熱風(fēng)爐、煙氣冷卻器、布袋除塵器、以及測控系統(tǒng)等組成。燃氣熱風(fēng)爐用于產(chǎn)生高溫煙氣，以模擬回轉(zhuǎn)窯窯尾出口窯氣，通過與高濃度NO氣體混合，可以調(diào)節(jié)窯氣中的NO濃度。煤粉經(jīng)過還原爐預(yù)處理后產(chǎn)生高溫氣固二元燃料，并進入分解爐內(nèi)燃燒，為水泥生料分解提供熱量。還原爐處理煤量5 kg/h，分解爐高度7.5 m，分解爐溫度900 ℃，窯氣量與分解爐煙氣量按照實際回轉(zhuǎn)窯與分解爐給煤比例設(shè)計。試驗過程中，參照實際回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣溫度和NO濃度，通過調(diào)節(jié)燃氣熱風(fēng)爐參數(shù)和NO配氣流量，將模擬窯氣溫度控制在1?000 ℃左右，同時將模擬窯氣中NO濃度控制在1?200 ppm，待分解爐內(nèi)燃燒狀態(tài)完全達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測量分解爐出口煙氣的NOx濃度。試驗結(jié)果顯示原位還原技術(shù)的脫硝效率在60%~80%[5]，且受到還原爐運行條件（還原爐溫度、燃燒份額）以及分解爐配風(fēng)條件等因素的影響。驗證結(jié)果表明，原位還原脫硝技術(shù)用于燃煤水泥窯爐脫硝是完全可行的，而且具有良好的脫硝效果。

2.3　工程示范應(yīng)用效果

基于中試驗證結(jié)果，原位還原脫硝技術(shù)在寧夏某燃煤水泥窯爐生產(chǎn)線上獲得了工程示范應(yīng)用。該水泥窯爐設(shè)計熟料產(chǎn)量2?500 t/d，實際產(chǎn)量2?900 t/d左右，采用五級懸浮預(yù)熱和窯外預(yù)分解工藝，采用SNCR脫硝技術(shù)，氨水噴灑位置位于分解爐出口與C5進口之間的煙道上。圖3所示為2?500 t/d水泥窯爐低NOx技術(shù)示范工程概貌。