天然气隧道窑烟气中氮氧化物的治理

静jing

天然气隧道窑烟气中氮氧化物的治理

随着国民经济持续快速增长以及生态文明建设的需要，旧有能源体系已无法适应新形势的要求，由此产生的资源、环境和安全，节能减排问题越来越受到社会关注。天然气作为一种非常重要的新能源，在化工、电力、城市燃气等工业和民用领域正得到广泛的应用，也已成为砖瓦企业在环保压力下作为替代传统燃料煤的首选。然而虽然天然气燃烧热值高，污染排放物少，但是在正常的燃烧条件下仍然排放大量的氮氧化物，如何有效的减少天然气隧道窑烟气中氮氧化物浓度，让烟气排放符合新的《砖瓦工业大气污染物排放标准》要求，是当前最迫切需要解决的课题。长沙经沣作为国内最先采用天然气焙烧工艺的砖瓦企业之一，通过6年的探索和实践，现将天然气隧道窑烟气控制污染物的一些经验和想法与各位分享，希望能给专家一些思考和启发，改善隧道窑烟气排放质量，促进砖瓦工业绿色健康发展。

一、氮氧化物的危害

凡是由氮和氧元素构成的化合物都可以称作氮氧化物，因为空气中氮气和氧气的大量存在，氮氧化物的生成已然是燃烧反应一部分。燃烧产生的氮氧化物主要是NO和NO₂，统称为Nox，NOx对人体和环境具有非常大的毒害作用。NOx经太阳紫外线照射后会形成一种光化学烟雾，对动物呼吸道和眼睛有非常大的刺激和毒害作用。大气中的NOx溶于水后会形成酸雨，酸雨有很强的腐蚀性，不仅损伤动植物，还破坏土壤成分，会对环境带来广泛的危害，造成严重生态灾难。

二、氮氧化物的来源

天然气隧道窑烟气中NOx的主要来自与以下几个方面：

（一）热力型NOx。空气中的氮含量占78%，天然气燃烧时，因燃烧热达4万KJ/m3，助燃空气中的氮在高温下大量被氧氧化而形成NOx，这是烟气中NOx的主要来源。

（二）合成型NOx。天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷等碳氢化合物构成，在天然气燃烧过程中，部分碳氢化合物在高温环境下被分解生成CH-自由基，CH-和空气中的氮气反应生成HCN-和N-，再进一步被氧气氧化快速合成NOx。

（三）燃料型NOx。天然气主要来源于气田或油田，虽基本上由碳氢化合物构成，但难免含有含氮化合物成分，含氮化合物直接燃烧生成NOx，这一部分来源很微量，基本可以忽略。

三、氮氧化物的治理

要控制天然气隧道窑烟气中NOx含量，主要应从减少热力型NOx和合成型NOx的产生来进行调节。长沙经沣通过大量的实践，总结出以下几方面有效降低烟气中NOx的措施：

（一）烟热分离。通过在窑道前端和后段分别设置排烟风机和排热风机，天然气烧嘴燃烧时产生的烟气在排烟风机的作用下向前移动，冷却区送入的冷却空气在排热风机作用下向后移动，分开排出隧道窑。两台风机通过变频器和压力变送器精准调校各自的运行速率，使烟气和热气处于合理的平衡位置，互不污染，分离排放。烟热的有效分离，使得烟气中不含或仅含少量的空气，有效的降低了烟气中氧含量，故而使得高温烟气中的氮因缺少氧与之反应从而可大大减少热力型NOx的产生。

（二）天然气充分燃烧。天然气充分燃烧，烟气中无残余碳氢化合物，就不会生成CH-自由基与氮和氧反应生成NOx。长沙经沣采用先进的预混型燃烧器确保天然气的高效燃烧。该燃烧器为套管结构，中心小管为天然气管，外套管内为助燃空气，空气从四周完全包裹天然气，且外套管略长于中心小管，小管前安装有一个波浪型带锯齿状孔隙的混流片，将通过的天然气和空气气流充分预混合后进行燃烧，可使燃烧更充分。同时使用减压阀进行二次减压，使进入燃烧器的天然气压力尽量低（低于1.5KPa），同时使用匹配的助燃空气。较低的气体压力和流速，能更精确的定量准确配比，同时能使气体混合更充分，确保天然气的彻底燃烧而又无过剩空气。随着烟气中过量氧的减少，可以有效的抑制NOx的生成。

（三）合理降低烧成温度。氮和氧的化合以及碳氢化合物的分解均需在高温下才能发生。长沙经沣采取合理优化烧成曲线，通过适当延长较低温度烧成时间，成功的将大部分产品烧成温度降低到1千摄氏度以下，而产品抗压强度和吸水率指标不受影响。

四、进一步完善的思路

在充分利用现有的设备和工艺技术条件下，长沙经沣通过烟热分离和预混燃烧等方法，取得了较好的控制NOx效果，经过技术人员的经验分析，我们认为后续还可以从以下几个方向进行研究，进一步降低烟气中的NOx含量。

（一）富氧燃烧。空气中氧含量仅不到21%，而氮含量达到78%。我们假设天然气的成分全部为甲烷，一份天然气燃烧需要两份氧气，故天然气完全燃烧时与助燃空气的理论配比须为1:10，烟气中氮含量达到71%。采取有效手段提高助燃空气中氧含量，可有效减少烟气中氮含量，从而也有效可以降低NOx的生成。但是富氧燃烧会同步提高燃烧火焰的温度，即会导致燃烧后烟气温度升高，而促进热力型和化合型NOx的生成，故需合理设计助燃空气中氧含量的增加幅度，不可盲目操作。

（二）烟气再循环。烟气再循环的本质是通过将燃烧产生的烟气重新引入燃烧区域，从而实现降低NOx的排放和节约能源的效果。该方法通过将高温烟气重新与助燃空气混合后与天然气进行燃烧反应，一方面因气体本身温度升高，故能有效降低能耗，同时燃气分子活动加快，使燃烧更充分，燃烧效率得到提高；另一方面烟气再循环起到稀释氧浓度，预热燃料和空气的作用，使得火焰体积更大，形成柔和燃烧，温度更均匀，降低了火焰中心最高温度，有效抑制NOx的形成，从而可使NOx排放量大幅度减少。但因隧道窑燃烧器数量多，分布相对分散，改造工程量较大，同时燃烧器为套管式，高温会增加天然气的安全使用风险。

（三）催化剂催化分解。通过选用安全有效的催化剂，使得烟气中的NOx分解成氮气和氧气。这种方法需要选择合适而高效的催化剂，对催化剂的使用操作和用量控制也有非常高的要求，而且很多催化剂本身就具有污染性，如果用量控制不当则可能产生比NOx更严重的污染危害。寻找更加安全高效而经济实惠的催化剂应该成为催化分解工艺研究的重点，相信随着研究的深入推进，这将成为清除烟气中NOx最主流也最有效的方法。

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