随着工业化进程的加速，能源短缺与环境污染问题愈发突出。我国正处于工业化与城市化的快速发展阶段，污染物排放量已超出环境承载能力，环境形势严峻。为实现国民经济的可持续发展，必须加快经济结构调整，转变经济增长方式，推进节能减排工作。工业炉窑作为重要的污染源和耗能大户，其环保治理尤为重要。
据估算，我国现有各类工业炉窑（不含锅炉）约十几万台套，其中部分为燃煤工业炉窑，主要集中在华北、西北和西南地区，广泛应用于电石、铁合金、钢铁、建材、有色金属等高耗能、高污染行业。我国工业炉窑普遍存在容量小、技术装备落后、能源利用效率低、污染物排放超标等问题。
一、污染因素及危害
工业炉窑主要燃料燃烧或电能转换产生的热量，对物料或工件进行冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等工序。其对环境的污染主要体现在大气污染、噪声污染和热污染，其中大气污染最为严重。
工业炉窑的大气污染主要来源于燃料燃烧产生的废气，包括烟尘、二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳等有害物质。
• 烟尘：燃料中含有的灰分，因燃料雾化不良、炉温偏低、与空气混合不佳等原因，在燃烧过程中会产生烟尘。烟尘按粒径大小可分为降尘和飘尘。
• 二氧化硫：燃料中的硫燃烧后生成二氧化硫，这是一种无色刺激性气体，对人体健康有害，与飘尘结合可进入肺部引发疾病。在湿度较大的空气中，二氧化硫会被催化生成硫酸烟雾，且其浓度过高易形成酸雨、酸雾。
• 氮氧化物：燃料燃烧产生的氮氧化物是主要污染物之一，也是治理难度最大的有害气体。氮氧化物主要包括 NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅，其中对大气污染影响较大的是 NO 和 NO₂。其危害包括：是形成酸雨、酸雾的主要因素；与碳氢化合物反应形成光化学烟雾；对人体健康和植物生长造成威胁；参与臭氧层破坏。研究还表明，氮氧化物是形成区域细粒子污染和灰霾的重要原因。
• 一氧化碳：燃料不完全燃烧会产生一氧化碳，这是一种无色无味的有毒气体，可通过呼吸系统进入人体血液导致中毒，严重时可致人死亡。
二、环保治理技术
（一）二氧化硫治理技术
二氧化硫治理技术可分为燃烧前、燃烧过程中和末端尾气脱除三种控制方式。
• 燃烧前燃料脱硫：在燃料燃烧前，先行脱除其含有的硫分。燃料中硫的形态因燃料种类不同而存在较大差异。根据燃料中硫的含量、形态以及所需的脱硫率，目前已发展出多种脱硫工艺。
• 煤脱硫：包括物理法、化学法、气化法、液化法等。
• 燃料油脱硫：燃料油一般指重油，由原油常压蒸馏残油制成。重油不宜采用直接去除硫化物的方法脱硫。目前主要有两种方法：一是在催化剂作用下，通过高压加氢反应，切断碳与硫的化学键，以氢置换出碳，同时氢与硫作用生成硫化氢，从重油中分离出来；二是将重油用蒸汽、氧气部分燃烧气化，使硫转化为硫化氢和少量二氧化硫，再进行处理。
• 天然气脱硫：天然气中所含硫分主要是硫化氢，还有少量有机硫化物，因此可采用脱除硫化氢的方法进行脱硫。
• 燃烧过程脱硫：在燃烧过程中加入脱硫剂，使其与烟气中的二氧化硫反应生成硫酸盐，随灰分排出。在我国应用较多的燃烧过程脱硫技术主要有型煤固硫和流化床燃烧脱硫技术。
• 烟气脱硫：从排放的烟气中去除二氧化硫的技术，目前有上百种方法。通常根据所用吸收剂的形态和处理过程，将脱硫工艺分为湿法、干法和半干法。
• 湿法脱硫：脱硫剂采用浆液形式，脱硫副产物含水量较高，需进行浓缩脱水。主要包括石灰石-石膏法、氨吸收法、钠法、海水烟气脱硫法等。
• 干法脱硫：采用干态脱硫剂，脱硫副产物为干态固体。主要包括炉内喷钙烟气增湿活化脱硫法（LIFAC）、电子束法、荷电干粉法等。
• 半干法脱硫：脱硫剂以雾化或加湿的小颗粒形式存在，脱硫过程中副产物为干态固体。主要包括喷雾干燥法（SDA）、增湿灰循环脱硫法（NID）、循环流化床脱硫法（CFB）等。
（二）氮氧化物治理技术
燃料燃烧形成的氮氧化物主要有以下几种方式：热力型氮氧化物，是燃烧过程中空气中的氮气在高温下氧化生成的；燃料型氮氧化物，是燃料中含有氮的化合物在燃烧过程中热分解生成的；快速型氮氧化物，燃烧时燃料CHi类浓度大，同时空气系数较低的情况下，在火焰面内急剧生成的大量氮氧化物。
控制燃烧产生的氮氧化物污染，可从以下三个方面着手：燃料脱氮；改进燃烧方式和生产工艺；烟气脱硝。目前，氮氧化物控制技术主要包括燃烧中避免生成氮氧化物的技术和生成后氮氧化物排放的脱除技术。对于工业炉窑，由于工作温度高导致烟气排放温度也较高，增加了排烟系统中增加烟气处理装置的难度。因此，目前工业炉窑治理主要集中在低氮氧化物燃烧技术，即通过改进工艺和设备减少和抑制燃烧过程中氮氧化物的生成，主要包括以下几种：
• 低氮氧化物燃烧器（LNB）：通过降低燃烧温度和氧气浓度以及缩短燃烧气体的滞留时间来减少氮氧化物的生成。通常氮氧化物的削减率在30%到60%之间。
• 燃料分级和再燃烧技术：一般氮氧化物的排放浓度能够降低50%以上。
• 烟气再循环技术：利用一部分烟气返回燃烧区，降低燃烧区的温度和含氧浓度，起到抑制氮氧化物生成的作用。当烟气再循环率为15%到20%时，氮氧化物排放浓度能够降低25%左右。
• 空气分级燃烧技术：第一阶段燃烧中，用理论空气量的80%到90%参与燃烧，温度低并且含氧量不足，抑制氮氧化物的生成；第二阶段虽然加入足够的氧，但由于温度较低，生成的氮氧化物也比较少。燃料使用天然气时，氮氧化物排放浓度可降低60%到70%；使用燃煤和燃油时，可降低40%到50%。
三、面临的形势
“十一五”规划首次将主要污染物总量减排列为约束性指标，作为调整经济结构、转变经济发展方式、推动科学发展的突破口，取得了一定成效。截至“十一五”末，全国二氧化硫排放总量比2005年下降了14.29%，完成了“十一五”规划确定的约束性目标。然而，氮氧化物排放量却随着能源消费和机动车保有量的快速增长而迅速上升。研究结果显示，氮氧化物排放量的增加使我国酸雨污染由硫酸型向硫酸和硝酸复合型转变，硝酸根离子在酸雨中所占的比例从上世纪80年代的1/10逐步上升到近年来的1/3。“十一五”期间，氮氧化物排放的快速增长加剧了区域酸雨的恶化趋势，部分抵消了我国在二氧化硫减排方面所付出的巨大努力。2008年全国氮氧化物排放量达到2000万吨，成为世界第一氮氧化物排放国。若不加以控制，氮氧化物排放量在2020年将达到3000万吨，将给我国大气环境带来巨大威胁。
由于产业结构布局不尽合理、污染防治水平较低、环境监管制度尚不完善等原因，我国大气污染物排放总量依然较大。2010年，二氧化硫、氮氧化物排放量分别为2267.8万吨、2273.6万吨，远远超过全国环境容量。同时，我国能源消费量不断增长，污染物产生量将继续增加。环境保护部统计结果显示：2011年1至6月份，全国二氧化硫排放总量1114.1万吨，比2010年同期（1133.9万吨）减少1.74%；氮氧化物排放总量1206.7万吨，比2010年同期（1136.6万吨）增长6.17%。
鉴于氮氧化物对大气环境的不利影响以及当前排放控制的严峻形势，国家在“十二五”规划中明确提出要控制氮氧化物排放，使其成为我国下一阶段污染减排的重点。
“十二五”时期，随着工业化、城镇化进程的加快以及消费结构的持续升级，我国能源需求呈现刚性增长态势。然而，国内资源保障能力有限，环境容量也受到制约，同时全球能源安全和应对气候变化的压力不断增大，资源环境约束日益强化，污染减排面临的形势依然十分严峻。
四、发展动态
（一）“十二五”规划
2011年3月14日，全国人大审议通过了“十二五”规划纲要，提出到2015年，大气污染物中二氧化硫排放总量控制在2086.4万吨，比2010年的2267.8万吨减少8%；同时首次将氮氧化物列入约束性指标体系，要求氮氧化物排放总量控制在2046.2万吨，比2010年的2273.6万吨减少10%。
随着“十二五”期间工程减排潜力逐渐缩小，以及经济发展和资源能源消耗的刚性增长持续，要在2010年的基础上将每种污染物排放量下降30%至40%以上，任务艰巨，这也为高耗能、高污染的工业炉窑敲响了警钟。
国家环保“十二五”规划中，在推进主要污染物减排要求方面，与工业炉窑相关的内容包括：
• 持续推进电力行业污染减排：新建燃煤机组需同步建设脱硫脱硝设施；未安装脱硫设施的现役燃煤机组要加快淘汰或建设脱硫设施，并取消烟气旁路。加快燃煤机组低氮燃烧技术改造和烟气脱硝设施建设，单机容量30万千瓦及以上的燃煤机组要全部加装脱硝设施。加强对脱硫脱硝设施运行的监管，对不能稳定达标排放的，限期改造。
• 推进钢铁行业二氧化硫排放总量控制：全面实施烧结机烟气脱硫，新建烧结机应配套建设脱硫脱硝设施。全国现有约1100台烧结机，按产业政策，90平方米以下的全部淘汰，90平方米及以上的共503台全部上脱硫设施。
• 水泥行业氮氧化物减排：新型干法水泥窑要进行低氮燃烧技术改造。2010年全国水泥产量18.8亿吨，氮氧化物排放量仅次于电力行业。“十二五”期间，京津冀鲁、长三角、珠三角等重点区域，氮氧化物年排放量在1000吨以上或熟料生产规模在2000吨/日以上的新役新型干法窑需实行脱硝改造。新建水泥生产线必须配套建设安装效率不低于60%的脱硝设施。
• 其他行业炉窑治理：石油石化、有色、建材等行业的工业炉窑要进行脱硫改造，工业炉窑二氧化硫治理是“十二五”的重点，达不到排放标准的均需改造。同时，因地制宜开展燃煤锅炉烟气治理，新建燃煤锅炉要安装脱硫脱硝设施，现有燃煤锅炉要实施烟气脱硫，东部地区的现有燃煤锅炉还应安装低氮燃烧装置。
（二）“十二五”节能减排综合性工作方案
作为推进“十二五”污染减排工作的纲领性文件，“方案”提出了50条政策措施，并确定了“十二五”各地区二氧化硫、氮氧化物排放总量控制目标。在加强污染减排基础工作和能力建设方面，将加快制（修）订重点行业污染物排放等强制性国家标准，提高准入门槛。制定和完善环保产品及装备标准，建立满足氮氧化物控制目标要求的排放标准，鼓励地方依法制定更加严格的节能环保地方标准。
（三）环境空气质量标准
为客观反映环境空气质量状况，推动大气污染防治，2012年2月29日，国家环保部和质量监督检验检疫总局联合发布了《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）。新标准分期实施：2012年京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市实施；2013年113个环保重点城市和环保模范城市实施；2015年所有地级以上城市实施；2016年1月1日起在全国实施。
环保部《关于实施环境空气质量标准（GB 3095-2012）的通知》要求，加大产业调整力度，加快淘汰落后产能，积极推广清洁能源。制定并实施更加严格的火电、钢铁、石化等行业大气污染物排放限值，大力削减二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放总量。
（四）污染物排放标准
为适应“十二五”环保工作要求，国家环保部对《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2003）进行了修订，并于2011年7月29日发布了《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011），自2012年1月1日起实施。与旧标准相比，新标准制定了更加严格的大气污染物排放限值，氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放限值接近或达到发达国家和地区的水平。这不仅提高了火电行业环保准入门槛，也推动了火电行业排放强度的降低和污染物排放的减少，同时带动了相关环保技术和产业市场的发展。
我国工业炉窑目前执行的是《工业炉窑污染物排放标准》（GB 9078-1996），该标准制定之初的工艺技术水平和配套污染物治理能力已明显滞后于当前现状，且未对氮氧化物排放限值做出规定。随着环保要求的提高以及氮氧化物被列为“十二五”大气污染控制约束性指标，国家和各地方工业炉窑污染物排放标准将陆续出台。例如，天津市已形成《天津市工业炉窑大气污染物排放标准（征求意见稿）》，处于论证阶段，计划于2012年6月正式发布。
五、结语
随着国民经济的发展和环保要求的日益提高，国家对工业炉窑大气污染物的排放要求将越来越严格。对二氧化硫、氮氧化物等污染物的控制技术需求迫切，环保治理的优劣将成为制约工业炉窑产业可持续发展的重要因素。
