中国建筑材料科学研究总院与武汉理工大学、北京水泥厂有限责任公司共同承担的“十二五”国家科技支撑课题——“水泥窑炉富氧和分级燃烧减排NOx技术与示范应用”，历时3年，在保持和提高熟料煅烧效率、熟料质量的前提下，研究攻破了部分NOx在窑体内的自身消化，为减少水泥窑炉NOx排放提供多种技术途径，并进行多条生产线技术应用示范，达到显著的节能增产效果，被业内誉为节能降耗的“新式武器”。
NOx减排迫在眉睫
NOx是典型的大气污染物，对环境具有严重的危害性。中国建材总院等承担的这项国家科技支撑课题，基于国家节能减排及减少NOx排放的重大需求，结合水泥工业的生产技术水平和工艺技术特性，开展了富氧燃烧和分级燃烧及检测控制技术的研究，这对控制和减少NOx污染物排放具有着重要意义。
“十二五”期间，国家已将NOx列入了污染物减排指标考核体系。水泥窑炉是NOx的高排放源，每吨水泥熟料的生产会产生约2.4千克NOx，一条年产60万吨水泥熟料生产线每年则会产生约1440吨NOx。据统计，水泥行业NOx排放量占工业总排放量的8%~10%，是继火电厂、机动车后的第三大排放源。在此背景下，GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》中规定，水泥企业NOx排放限值为400mg/m3，其中重点地区排放限值为320mg/m3，以此严格限制水泥行业NOx排放量。
水泥行业NOx减排技术包括非催化还原技术(SNCR)、催化还原技术(SCR)、分级燃烧和低氮燃烧器技术等。其中SNCR脱销效率达50%以上，但需要消耗大量的尿素、氨水等还原剂;SCR脱销效率可达80%以上，而目前国内仍处于研发与示范阶段，后两种技术可在不消耗其他物质的基础上，实现一定量NOx的削减，但脱硝效率往往不够理想。
基于此，依据水泥窑炉的工艺技术特点，在保证甚至提高水泥熟料产量、质量和窑炉能效水平的同时，通过富氧燃烧技术和分级燃烧技术，控制NOx的形成或促进NOx的分解，大幅度削减回转窑内NOx的排放，对我国水泥工业NOx减排具有推动意义。
课题研发硕果累累
课题研究人员通过理论分析、计算机模拟、实验研究和生产线示范等手段，掌握了水泥窑炉富氧燃烧和分级燃烧增产降耗原理、实施方法和降低NOx的规律，自主设计加工了富氧低NOx燃烧器，形成了具有自主知识产权的“分解炉分级燃烧参数优化专家系统”软件包，并开发了窑炉燃烧工况气氛检测装置。
成果一：富氧低NOx燃烧技术模拟及设计
水泥窑炉富氧燃烧技术通过引入计算流体力学(CFD)来对传统实验测量中具有较大难度的水泥窑炉内部速度矢量、压力等测量，以及实验条件要求较高的水泥窑炉热态测量。通过数值模拟，以及对旋流器不同配置、各风道不同压力和不同速度的情况下，回转窑内的速度和压力分布，寻找具有较高一次风速，较合适回流区和速度梯度分布的燃烧器配置及边界条件;对不同富氧浓度下，水泥回转窑内的温度分布、燃烧状况、气体组分浓度、NOx浓度分布等情况进行模拟，找出火焰温度高、高温范围小、回流区较大、NOx生成浓度低的边界条件，对后续的工厂示范应用提供指导。
成果二：富氧低NOx燃烧器技术集成及研发。
在理论计算、实验研究和模拟分析的基础上，对章丘华明水泥有限公司和北京水泥厂有限责任公司两条示范线进行富氧低NOx燃烧器技术与制氧技术配套及集成进行了研究。
章丘华明水泥有限公司1000t/d回转窑采用膜法制氧较为经济合算，在其生产线上完成2000Nm3/h富氧制氧系统的设计、分离膜的选型及设备的加工，运行情况良好，富氧浓度可达30%，系统电耗为0.075kWh/m3。
北京水泥厂有限责任公司2000t/d生产线富氧加入方式为液氧通过气化器气化之后通入一次风中，氧气浓度在30%～40%范围内可控制。
此外，课题组自行设计出富氧低NOx燃烧器并对其进行了加工，燃烧器头部与普通燃烧器相比，该燃烧器具有一次风量少，轴流风风速高，旋流角度15°～45°灵活可调等优点。本燃烧器设计已申请国家发明专利1项，实用新型专利2项。
成果三：富氧低NOx燃烧器实际运行及示范应用。
富氧低NOx燃烧器在章丘华明水泥有限公司的示范应用中，通过对其原有三通道燃烧器更换为自行设计的富氧低NOx燃烧器，并将富氧空气通入一次风中，使一次风风量减少，同时轴流风速度提高;通过对高温风机转速、篦冷机风机风门开度、头排风机转速等窑系统参数的调整，富氧条件下窑头火焰温度较正常情况提高约120℃;二次风温和三次风温有较为显著的提高，熟料煅烧质量明显变好;同时，在节能增效并保证熟料质量的基础上，通过对窑内气氛的合理控制，使富氧条件下回转窑NOx产生量有了明显下降。山东省建材工业节能评价检测中心标定结果显示，熟料产量提高15%(空白36.25t/h，富氧条件下41.68t/h)，熟料烧成热耗降低9.5%(空白3746kJ/kgcl，富氧条件下3389 kJ/kgcl)，窑尾烟室NOx降低29%(空白1063ppm，富氧条件下755ppm)。
富氧低NOx燃烧技术在北京水泥厂有限责任公司示范应用中，通过将富氧空气通入一次风中，一次风氧气浓度达36.8%;通过调整高温风机转速、三次风闸板开度、篦冷机篦速等窑系统参数，富氧条件下窑头火焰温度提高约110℃;同时，大大改善了之前因协同处置废弃物造成的熟料SO3含量高、烧失量大、有时出现黄心料等现象，据中控操作员现场观察描述，“熟料黄心料现象明显变少，直径5cm的料都可烧透，熟料质量明显提升。”在此基础上，通过对窑内整体气氛的合理控制，在增产、节能、质量提升的基础上，实现了部分NOx在回转窑内削减的目标。由国家建筑材料工业建筑材料节能评价检测中心标定，熟料产量提高14%(空白79.2t/h，富氧90.6t/h)，熟料烧成热耗降低11.6%(空白4301kJ/kgcl，富氧3804kJ/kgcl)，窑尾烟室NOx降低31%(空白1538ppm，富氧1061ppm)。
成果四：分级燃烧技术软件包开发及示范应用示范。
针对不同分解炉炉型建立全尺寸模型，进行分级燃烧改造数值模拟，得到优化改造方案，形成了具有自主知识产权的“分解炉分级燃烧参数优化专家系统”软件包，目前已在华新水泥(秭归)有限公司5000t/d生产线上应用，分级燃烧系统稳定运行率>95%，NOx排放浓度低于400mg/m3。
成果五：窑炉燃烧工况气氛快速检测和控制技术。
开发了窑炉燃烧工况气氛检测装置，在北京水泥厂有限责任公司2000t/d生产线得到应用，运行稳定，实现了燃烧工况气氛的快速、准确分析，建立了窑炉燃烧工况与微量组分之间分析模型，并通过对窑系统优化操作，使窑系统运行平稳，节约了熟料烧成能耗。
未来应用前景广阔
基于国家节能减排及减少NOx排放的重大需求，课题开展了富氧燃烧技术节能降耗与降低NOx排放的研究与应用，与二代新型干法水泥技术装备研发标准中“高能效低氮预热预分解及先进烧成技术研发攻关技术”及“攻克窑体氮氧化物消化和提升窑尾脱硝的技术攻关”紧密结合。课题在保持和提高熟料煅烧效率和熟料质量的前提下，研究攻破了部分NOx在窑体内的自身消化。实践证明，富氧燃烧技术对改善水泥回转窑因协同处置废弃物可能产生的熟料产量无法提高、质量受到影响、单位熟料热耗增加等现象具有很好的应用效果。
随着国家对节能环保要求的日趋提高，富氧燃烧技术在水泥窑的应用前景将非常广阔。当然，此项技术不可避免地会改变其原有工况，因而在操作及设备方面必须做相应调整，以满足水泥回转窑生产要求。由于不同水泥企业生产状况不同，在应用富氧燃烧技术时，需先对自身状况进行全面评估，制定出合理的应用方案。