在水泥熟料的煅燒過程中，會產生大量的氮氧化物，這些氮氧化物主要是NO和NO2，其中NO約占90%以上，而NO2只有5%～10%。按其來源劃分主要有熱力型、燃料型、原料型。如何控制NOx的排放，主要從三個方面采取措施：一是在燒成過程中減少其產生；二是在燒成過程中還原一部分；三是在燒成后的廢氣中還原大部分。本文從效果、特點、運行及投資成本等方面對降低氮氧化物的不同方法進行闡述。
1 優化操作穩定工況
結合自身的原燃材料情況，進行詳細的化學成分和物理性能分析，抓好整個生產過程中的均衡與均化，嚴格每道工序的質量管理，優化窯系統的操作參數，把窯系統調整到穩定優化狀態，其NOx排放就會有相應的削減。
事實上，從對部分窯的檢測結果看，操作管理良好的水泥窯NOx排放都相對較低，一般能達到800 mg/Nm3以下，個別好的能達到700 mg/Nm3以下，這主要是相應減小了煅燒峰值，抑制了NOx的形成；相反操作管理較差的水泥窯NOx排放就相對較高，個別達到1 600 mg/Nm3甚至更高。
實際上，加強管理、優化操作和穩定工況，對提高窯的產質量、降低生產成本也是必要的。對于管理較差的窯，該項措施一般能降低NOx排放量10%～15%。
2 降低燒成溫度技術
我們已經知道，NOx的形成與燒成溫度有很強的相關性，實驗表明燃燒溫度從1 550 ℃起，到1 900 ℃以指數方次急劇上升，特別在1 750 ℃后幾乎是直線上升，而水泥窯的火焰溫度峰值就在這個區間。
因此，要降低NOx的生成量，就必須控制好火焰溫度，最好是降低一些火焰溫度；既要降低火焰溫度又要保證熟料的燒成，就必須降低熟料的燒成溫度。
降低熟料燒成溫度的措施有：一是合理平衡配料方案，在保證熟料質量的情況下，適當提高生料的易燒性；二是加入一定量的礦化劑，降低物料的最低共熔點，從而降低燒成溫度。
對于生料易燒性較差的窯，該項措施一般能降低NOx排放量5%～10%。
3 低NOx燃燒技術
低NOx燃燒措施主要針對窯頭燃燒器，有低氮燃燒、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環燃燒、替代燃料燃燒等措施。
如果現有的窯頭燃燒器性能比較陳舊，就應該進行升級改造，更新采用大推力、低風量、混合好、火焰細而不長的燃燒器，這主要是應用低氧、低氮、控高溫原理，減少NOx的生成。
將煤粉通道布置在軸流風和旋流風兩層通道以內，煤風道以內不再設置旋流風，從而使火焰中心的煤粉富集，燃料主要集中在火焰的中心區域，形成燃料密集形火焰，在氧濃度較低的情況下低氮燃燒。
也有專門開發的低NOx燃燒器，除具備上述特點外，還采取了偏差燃燒、替代燃料等措施，這主要是應用燃燒中的同時還原原理。偏差燃燒可利用CO還原部分NOx，使用部分替代燃料不但能控制火焰峰值，而且能發揮其本身含有的少量脫硝氨的作用。
還可采取煙氣再循環燃燒技術，比如部分利用窯尾廢氣作為煤風使用，既實現了低氧、低氮，又增加了還原氣氛，還控制了火焰峰值。
根據現有燃燒器的好壞和所采用的低氮燃燒技術的力度不同，該項措施一般能降低NOx排放量5%～30%。
4 分級燃燒自還原技術
一是按溫度分級，把不需要高溫燒成的那部分煤放在窯頭以外去燒，以減少NOx的生成。現在的窯外分解窯就是這種“天然”的工藝，所以它比其他回轉窯排放的NOx要少。
二是按氣氛分級，先在還原氣氛中還原窯內高溫形成的NOx，后在富氧氣氛中把窯外煤燃盡，這項工作可以在分解爐完成，早期引進的DD型分解爐就有這種功能。具體根據分解爐的現場特點，將分解爐分為主還原區、弱還原區、完全燃燒區。主還原區設在分解爐的下錐部，對過剩空氣不多的窯尾廢氣，在不給三次風的情況下再給一部分煤，使其形成更濃的還原氣氛，實現對窯尾廢氣中NOx的部分還原；弱還原區設在中部，將剩余的分解爐用煤全部加入，但分解爐用三次風卻不給全，在保證煤粉燃燒的情況下形成較弱的還原氣氛，一是進一步還原窯尾廢氣，二是減少分解爐燃燒中的NOx形成；完全燃燒區設在分解爐的上部，在不給煤的情況下，將剩余的三次風補入，以確保煤粉在富氧條件下燃盡。
根據分級燃燒措施的合理程度，該項措施一般能降低NOx排放量30%～50%。
5 選擇性非催化還原技術（SNCR）
選擇性非催化還原技術，是目前水泥行業主推的脫硝手段，是在合適的溫度窗口噴入脫硝劑氨水或尿素，以此還原煙氣中的NOx。
SNCR不用催化劑，直接使用壓縮空氣經多個噴嘴將脫硝劑吹入煙氣中，使NOx在溫度窗口內與NH3充分接觸一段時間后被還原為N2。這有兩個技術難點：一是如何保證噴嘴始終處于溫度窗口內，二是如何保證所有NOx與NH3有一定時間的充分接觸。
NOx的還原反應需發生在一個特定的溫度區間內，這個溫度區間被稱為“溫度窗口”。理論上氨水的最佳反應溫度為856 ℃，尿素的最佳反應溫度為890 ℃，而根據工業經驗，這個溫度窗口一般在900～1 100 ℃之間。低于這個溫度會增加NH3的逃逸率，導致脫硝效率下降，甚至形成NH3和CO污染；高于這個溫度，又會導致NH3分解，使本來的脫硝劑反被氧化為NOx。
實際上，溫度窗口在分解爐上的幾何分布是不確定的，而且會隨著原燃材料和熱工狀況的波動而波動，噴嘴又不可能做到及時跟蹤，所以在實際使用中跳出窗口外的噴氨現象是很難避免的。
另一方面，還原劑在溫度窗口內的停留時間與脫硝效率有很強的相關性。試驗表明，要想獲得理想的脫硝效率，還原劑在溫度窗口內的停留時間至少要達到0.5 s以上，這又增加了噴嘴的布置和跟蹤難度。
SNCR相對于SCR具有一次性投資較小、運行成本較低、占用空間較小的優點，因此才成為目前水泥行業脫硝的主推技術，但我們必須清楚，SNCR還存在上述多種缺點，而且脫硝率較低，一般為50%~80%；NH3的逃逸率較高，可達SCR的3倍以上；氨水消耗量巨大，根據某使用者經驗，一條5 000 t/d熟料線，每小時就需要用25%的氨水約2.8 t，是SCR的16倍，另外氨水資源也是個問題。另外，因為有2 800 kg/h的氨水入爐，分解爐在用煤、用風上也要做必要的調整。氨水作為脫硝劑加入爐內，升溫、汽化、脫硝反應都需要吸熱，將直接增加熟料熱耗約105 kJ/kg熟料，同時增加預熱器廢氣量約6 000 m3/h，導致排風機電耗增加約20 kW/h。根據噴氨對溫度窗口的跟蹤情況，該項措施一般能降低NOx排放量50%~80%。
6 選擇性催化還原技術（SCR）
選擇性催化還原技術，是目前世界上的脫硝主打技術。以氨水或尿素為脫硝劑，在吸收塔內的催化劑作用下作催化選擇吸收，脫硝率可達80%~90%。
SCR目前已成為電力行業脫硝的主打技術，但在水泥行業的工業實踐才剛剛開始，運行過程中還存在諸多問題。如：煙氣塵粒堵塞催化劑層問題，煙氣中的堿性物質、CaO、SO2會使催化劑中毒失效問題等。
現在普遍應用的催化劑是以蜂窩狀模塊化多孔TiO2為載體，表面敷有主催化劑V2O5、輔催化劑WO3，稱為釩鈦基催化劑，用V2O5 - WO3/TiO2表示。其中V2O5起催化作用，WO3起抑制SO2/SO3轉換的作用。其中V2O5約1%～5%、 WO3約5%～10%、TiO2 ＞85%。
SCR的核心技術是催化劑，催化劑的成本已占到總體成本的30%~50%，我國以前全部依賴進口，直到去年才有國內的公司投產。目前世界上的催化劑生產廠家主要有：美國的康寧公司，歐洲的亞吉隆公司、托普索公司、巴斯夫公司、索拉姆公司，日本的日立公司、日立造船公司、日本觸媒公司、觸媒化成公司，韓國的SK公司等。
SCR也有自己的溫度窗口，一般在250～450 ℃之間。需要強調的是，低于這個溫度會增加NH3的逃逸率，導致脫硝效率下降，甚至形成NH3和CO污染，而且催化劑會促使煙氣中的SO2轉換成SO3，NH3會與SO3反應生成硫酸銨堵塞催化劑的反應通道；高于這個溫度，特別是＞500 ℃會造成V2O5燒結和揮發失效，造成較大損失。
工藝上可以考慮高塵和低塵兩種布置方案：一是為了減少堵塞躲開高塵環境，將吸收塔安置在除塵器之后，但由于溫度窗口的需求，需要對廢氣重新加熱，使工藝復雜、投資增大、運行成本提高，所以一般不予采用；二是為了適應溫度窗口的需要，將吸收塔安置在預熱器與高溫風機之間，盡管此處含塵較大，但煙氣在280～400 ℃之間，與溫度窗口對應，因而被多數采用。
SCR雖然具有脫硝率穩定而且高的特點，但其一次性投資和運行成本大約都在SNCR的兩倍以上，對已建有余熱發電的窯尾系統在空間布置上也較困難，增加的系統阻力較大、電耗較高。
以5 000 t/d熟料線為例，SCR增加的系統阻力約700～1 000 Pa，增加高溫風機功率約200 kW，僅此一項燒成電耗就增加約0.75～1.5 kW/ h / t熟料。
而且SCR催化劑一般采用“二加一”設計，通過初置兩層預置一層的方式來解決催化劑的老化問題，因此后期的系統阻力還會增加。
對已設有余熱鍋爐的系統，吸收塔只能設在鍋爐前，吸收塔和前后連接管道的表面散熱、脫硝劑的汽化和反應吸熱，都將使余熱鍋爐的入口溫度降低，導致發電量下降。
雖然SCR氨水用量較小，以5 000 t / d熟料線為例，約為每小時160 kg / h，但其催化劑的投入卻很大，而且壽命估計只有3年左右。以5 000 t / d熟料線為例，初置的兩層催化劑約為70～80 m3，目前的國內價格約3.5萬元/m3，總投資高達約245～280萬元，而且還有漲價趨勢。在催化劑使用正常的情況下，該項措施一般能降低NOx排放量80%～90%。
7 袋除塵器攜同脫硝技術
鑒于SCR的優點和缺點，筆者在2012年3月17日杭州水泥脫硝會議上提出了“袋收塵器攜同脫硝”的設想，受到了周清浩部長的關注，并引起了部分催化劑廠、收塵器廠的重視和溝通。
袋收塵器攜同脫硝，必須解決兩個關鍵問題：一是催化劑與收塵器濾袋的附載問題，二是降低煙氣還原的溫度窗口問題。SCR之所以比SNCR溫度窗口低，關鍵是采用了催化劑，那么有沒有一種新的催化劑能進一步降低溫度窗口呢？最好能容易在收塵器濾袋上附載，再就是降低催化劑的價格。
查閱有關資料，國外室內階段的研究成果有：（1）Sebastian zurcher 采用泡沫陶瓷附載V2O5同時除塵脫硝，在300 ℃下取得了較好的脫硝效果；（2）Jae eui yie 采用MnOx，Young ok park 采用CuMnOx， 附載于收塵濾布上，在200 ℃下取得了脫硝率＞90%的效果；（3）Weber等研究了將催化劑附載于玻纖濾袋上，實驗室的脫硝率也達到了90%以上。
實際上，國內的起步也不晚，南京工業大學的材料化學工程國家重點實驗室已經開發出“新型高效無毒稀土系列復合脫硝催化劑”，形成了“以稀土及過度金屬復合氧化物為活性組分的中低溫高效脫硝催化劑” 體系，其整體性能優于國際先進水平。在110～180 ℃的溫度區間，低溫濾袋脫硝催化劑的脫硝率已達到80%以上；在140～180 ℃的溫度區間，低溫濾袋脫硝催化劑的脫硝率已達到90%以上。
國內催化劑的技術突破，為收塵器攜同脫硝奠定了基礎。據說中材裝備集團有限公司已經開始了工業化應用研究，相信在不久的將來會給水泥工業脫硝帶來喜訊，采用分級燃燒和袋收塵器攜同脫硝兩項措施，就能比較容易地徹底解決水泥窯的脫硝問題。
8 氧化+半干法氨吸收措施（OA）
前述所有方法，都是在企業投入以后產生社會環保效益，對企業本身沒有直接的經濟效益，而OA法則可以在脫硝的同時產出化肥，理論上能做到每年有所贏利，約10年左右可以收回投資，但存在系統復雜、技術尚未成熟的問題。
OA法的溫度窗口只有100 ℃左右，從而使脫硝系統布置于收塵器之后成為可能，大大減少了對水泥窯生產的影響和工藝布置的難度，它的副產品為銨鹽，可以進一步加工成化肥，具有一定的經濟效益，這些特點是其他措施不具有的，而且其脫硝率還能達到70%以上，應該說具有進一步的研究開發價值。
半干式氨吸收法，是用特殊活化劑活化和霧化的氨水來吸收NOx，將氣態氨、氣態水與氣態的NOx進行氣氣熱交換反應，結合成銨鹽和部分氮氣，從而達到脫硝的目的，所以NOx的水溶性就成了一個關鍵問題。由于NO是難溶于水的，而煙氣中NOx的主要組成就是NO，約占90%以上，所以必須事先對其氧化，將難溶于水的NO用氧化劑氧化為高價態的NO2和N2O5，再進行吸收反應。最好的氧化劑是臭氧(O3)，但臭氧的成本太高，所以一般使用“氧化液 + 純氧或少量的臭氧”作為氧化劑，氧化液是由幾種強氧化性的液體調配而成的。
OA法的工藝路線大致有如下兩個方面：
（1）收塵器排出廢氣 → 氧化器 → 氧化劑氧化廢氣中的NO為NOx →反應器 → 活化的氨水吸收NOx → 銨鹽 + N2 →脫硝后的廢氣排放。
（2）化肥廠氨水 → 水泥廠脫硝 → 水泥廠銨鹽 → 化肥廠結晶固化 → 化肥市場。
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