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水泥工业作为能源、资源消耗密集型工业,为我国经济社会发展做出巨大贡献的同时,也带来了不可忽视的环境问题。现阶段,我国水泥生产中排放氮氧化物的量约占全国工业排放总量的10-12%,仅次于火力发电、汽车尾气。水泥窑炉NOx排放标准日趋严格,NOx超低排放是水泥工业面临的严峻挑战。目前广泛采用的水泥脱硝技术难以满足日益严苛的NOx排放标准。对于水泥工业而言,选择性催化还原（SCR）技术中催化剂易失活、经济成本高,现阶段不具备大规模推广的条件。中国科学院工程热物理研究所研究发现对煤粉改性可生成还原能力较强的煤基燃料,通过营造合适反应氛围,最终可实现NOx深度脱除。基于此,本文将高温煤基燃料作为还原介质,结合水泥窑炉实际运行条件,探究煤基-NOx深度还原作用机制,阐明NOx均相及异相脱除路径,实现系统内氮定向转化。在此基础上初步形成了适用于新型干法水泥煤粉燃烧全流程的煤基深度脱硝技术方案。该方法依据水泥生产流程特点,在分解炉燃烧过程中设立外置式原位还原区对煤粉进行原位改性热处理（燃料氮预脱除和高温煤焦还原强化）,同时配合分解炉燃烧组织优化,实现炉内燃烧过程中NOx深度控制;针对燃烧后分解炉出口烟气残留NOx,充分挖掘烟气特点,设置低氧-适温的中位还原区,通过碳热反应,实现烟气残留NOx深度还原。通过2500t/d示范工程表明,该方案在喷氨量不变的条件下出口 NOx浓度降低至80mg/m3。本文通过水泥窑炉条件下煤粉-NOx还原机理研究、燃烧过程中NOx深度控制试验研究、烟气残留NOx深度还原试验研究,为新型干法水泥的煤基深度脱硝技术提供理论支撑,获得结论如下:1、获得了低O2-高NO体系内氮迁移转化规律。煤粉-NOx还原在反应初期,以挥发分（volatile）-NO均相还原为主。在反应后期,以焦碳（char）-NO异相还原为主。适量浓度氧气（1%）可以通过加速挥发分释放,促进CHi自由基形成,从而加速volatile-NO的均相反应;同时促进煤焦表面C*活性位再生,加速char-NO异相还原反应。烟气中过量的氧气会消耗挥发分和煤焦,导致还原介质减少,从而抑制煤粉-NOx还原,同时促进燃料型NOx的生成。燃料氮的氧化与烟气中原有NOx的还原是两条并行的反应路径,绝大部分的燃料氮并不参与到烟气中原有NO的还原。2、揭示了分解炉内生料对NOx还原的影响机制。生料分解后的碱性氧化物可以降低煤焦中碳原子反应所需的活化能,促进char-NO异相还原。在分解炉850℃反应温度下,生料对char-NO异相还原的催化作用最为明显。碱性氧化物改变煤粉热解路径,降低CHi自由基含量,从而抑制volatile-NO均相还原。在分解炉内高生料浓度的环境下,volatile-NO均相还原作用几乎可以忽略不计。3、阐明了水泥窑炉燃烧过程NOx深度控制原理。分解炉炉内燃烧过程中NOx减排关键在于控制燃料型NOx生成和增强回转窑烟气中高浓度NOx还原。通过外置式原位还原区,煤粉进行原位改性热处理,部分燃料氮在分解炉外定向转化为氮气,实现燃料氮的预脱除,降低分解炉内燃料型NOx的生成几率;原位还原区生成的高温煤焦-煤气混合物的还原能力远强于常规煤粉,其中以高温煤焦-NOx异相还原为主。高温煤焦的孔隙结构发达,比表面积增加明显,碳架结构中活性位比例增加,石墨化程度减少,反应活性增强,可实现对窑气中的高浓度热力型NOx定向脱除。4、获得了水泥窑炉燃烧过程NOx深度控制影响因素及其作用机制。提高原位还原区内燃烧比例和气化强度,可以促进燃料氮释放,抑制燃料型NOx生成,但同时也会对高温煤焦还原特性产生影响;对于粗颗粒煤粉,原位还原主要通过大幅度提高其煤焦的NOx还原能力,同时兼顾燃料型NOx的降低。对于细颗粒煤粉,分解炉出口 NOx的减少主要是通过大幅提高燃料氮的预脱除量,同时兼顾煤焦的NOx还原能力来实现。综合而言,粒径较大的煤粉最终NOx排放较低;合适的分解炉底部还原区空气系数（0.84）可以促进残留在煤焦中的焦碳氮充分释放并被还原为稳定的N2,同时促进煤焦中碳活性位的更新,促进窑气中NOx还原;分解炉还原区高度增加,可延长窑气在还原区的停留时间,强化高浓度NOx(还原。过高的还原区高度会降低燃烧效率,致使不完全燃烧损失增加;分解后的生料可以增加燃料型NOx排放。同时由于分解炉还原区内生料分解率较低和还原区温度降低,生料对窑气中NOx的催化还原能力有限。5、揭示了分解炉出口烟气残留NOx深度还原特性机理。当悬浮预热器C4温度在900℃以下,通过增加还原煤粉给入量,可变相增加煤基-NOx反应接触面积,提高NOx还原率;当烟气中氧气浓度高于1%时,继续提高烟气含氧量将促进燃料氮氧化,还原煤粉燃烧产生的NOx增加,间接削弱冷煤粉对烟气中残留NOx还原效果;烟气温度对烟气残留NOx还原存在最佳温度窗口。当烟气温度在900℃内,随着烟温增加,烟气中NOx还原效果增强。当烟气温度超过900℃时,随着烟温增加,燃料型NOx生成量将大幅增加,削弱最终NOx还原效果;通过冷水泥生料的物理升温和分解吸热作用,可调节窗口温度。同时,投入水泥生料会对NOx的还原效果随着烟气氧含量的变化存在“拐点效应”。当氧浓度高于1%时,水泥生料对NOx(还原以抑制作用为主。当氧浓度低于1%时,水泥生料对NOx还原以促进作用为主。综合而言,在烟温为900℃,烟气含氧量为1%,较大还原煤粉给入量和适宜生料引入量的条件下,可实现烟气残留NOx深度还原。